一种新型智能泡茶机系统设计与实现

陈镔

摘 要：随着社会的进步与不断发展，越来越多的智能技术走进我们的生活，智能化生活是未来发展的一种趋势.现有的泡茶机在设计时没有考虑到茶水的冲泡比例、冲泡时间、冲泡次数等因素，茶汤口感品质的不足.针对上述情况本文设计了一种新型智能泡茶机.新型智能泡茶机系统使用STM32F103单片机作为主控芯片，通过温度传感器，水位传感器对茶叶冲泡温度、比例进行监控，结合直流电机水泵等实现对于不同茶品的现冲现泡的控制.在软件上采用RT-Thread嵌入式实时操作系统来完成泡茶的一系列动作，从而实现泡茶的智能化、精确化.实践证明，新型的智能泡茶机系统具有很好的实用价值.

关键词：STM32F103;RT-Thread嵌入式实时系统;智能控制

中图分类号：TP273  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2020）06-0044-05

0 引言

茶是世界三大健康饮品之一[1]，在中国的历史上有着浓厚的氛围.茶在中国有着巨大的市场.当前越来越多的人开始喝茶、品茶.在市场上可以见到很多的泡茶器具，比如有传统手动的功夫茶套装.也有很多的养生壶、带泡茶功能的咖啡机或者用电磁炉组合起来的一些自动泡茶壶.从功能上看，传统手动泡茶壶只是将茶和水分隔开并没能实现其他的功能，而市面上常见的泡茶壶、养生壶等又进一步地实现了温度控制，但是对不同种类的茶需要多久需要多高水温、冲泡时间、茶水比例等则没有相应的解决方案[2].甚至部分咖啡机只是对茶进行简单的研磨，然后直接冲水泡制.泡茶的过程依旧需要有人注意，泡茶的方式还是比较繁琐的.所以，本设计将全面考虑不同的茶泡制时需要的水温、泡茶的时间以及茶水混合的浓度之比.实现不同人对于茶浓清淡的需求，同时结合人机交互界面合RT-Thread线性实时操作系统，大大增加用户的体验感，让泡茶变得更加简单、智能.让用户既不会脱离传统喝茶的习惯.又不会与时代脱节.

1 新型智能泡茶机整体结构设计

本研究设计了一种智能控制茶艺型泡茶机，它包括安装在顶部的茶叶储存仓中部的泡茶装置以及底部的加热装置、供水箱、废水箱和配电柜，该泡茶机的结构示意图如图1所示：

新型智能泡茶机的顶部是茶叶存储仓，该存储仓一共可以存放六种不同的茶叶，当有出茶命令传来时.将启动与出茶命令相对应的直线送料机将茶仓里的茶抖出.

新型智能泡茶机的中部是泡茶装置，抖动出来的茶叶经过称重装置进行称重.称重完毕之后将移交至泡茶壶进行洗茶、泡茶.泡好的茶从出茶口流出，系统开始洗茶.茶叶的倾倒和洗茶都由倾倒装置完成.

新型智能泡茶机的底部存放的是泡茶机的加热装置、配电柜和存储水装置.其中加热装置又包括温度检测系统和液位检测系统，防止清水在加热过程中发生意外溢出.

2 新型智能泡茶机硬件系统设计

2.1 硬件總体框架

新型智能泡茶机系统的控制器和通信系统由电源模块、STM32F103最小系统、人机交互系统、温度检测系统、液位检测系统、称重系统、电机控制系统等组成.如图2所示.STM32F103最小系统是整个硬件的核心，它接收各个传感器传回的数据，实现对整个泡茶过程的监控和控制.人机交互系统是与用户沟通的桥梁，用户在人机交互系统上可以实现茶口感的定制.温度检测系统和液位检测系统控制加热装置温度和液位的变化，保证清水能安全地加热.称重系统读取茶叶重量，确保茶叶能有合适的混合比.最后电机控制系统是防止在茶叶倾倒和清洗的过程中，出现倾角过大而扯断电线或者水管的现象.整个过程中电源模块为各个系统的控制、数据采集与传输、电机转动等提供电能，保证系统正常工作.

2.2 新型智能泡茶机加热装置系统设计

加热系统主要由加热环、温度检测系统和液位检测系统构成，温度检测采用100K（25℃的环境）NTC热敏电阻进行检测，它与另一个100K的电阻组成分压电路，确保单片机能够通过ADC读取到电压，当温度上升时NTC热敏电阻值下降，NTC热敏电阻两端的电压也下降.单片机读取热敏电阻两端的电压，并将该电压在软件中进行后续的数据处理，转化温度.如3所示.

液位检测系统由水位传感器、智能型非接触式液位感应器构成.液位传感器主要由两个限位的上下浮球构成，浮球的内部是两个感应常闭开关，当液位到达设定高度时感应开关处于断开状态.液位传感器与继电器形成自锁电路来控制液位的高低，防止在加热过程中发生意外，图4是液位传感器检测原理图.

2.3 新型智能泡茶机泡茶系统设计

新型智能泡茶机泡茶系统由茶叶称重装置、非接触式液位感应器、电机控制装置以及水泵和水阀构成.其中电机控制装置由翻转倾倒的直流减速电机和用于限制电机转角的限位检测装置构成.茶叶称重装置用于限制茶叶的克数，称好足够质量的茶之后，通过电机控制装置，将茶倒入泡茶机构，如图5所示.抽水泵将烧开的水抽至泡茶机构内，进行洗茶和泡茶的工序.泡茶完毕之后茶汤通过另外的水泵流走，泡茶系统进行清洗.整个泡茶过程中废水通过排水管流走.图6是泡茶过程的流程图.

2.4 新型智能泡茶机云服务系统设计

新型智能泡茶机云服务系统由人机交互系统、单片机、泡茶机支付系统、支付系统云服务后台组成.人机交互系统采用了分倍率为480*272的触控彩屏.用户使用人机交互系统选择茶品、茶品的浓淡以及温度等信息.确定下单之后人机交互系统将相应的数据传给单片机和泡茶机支付系统.随后用户扫码并进行支付，支付确认之后，支付系统向单片机发送启动泡茶指令，同时泡茶的订单数据通过支付系统上传至云服务保存.具体的数据传输如图7所示.

3 新型智能泡茶机系统软件设计

本系统是一个复杂的多任务系统，需要实现的功能包括温度检测、液位检测、茶叶称重、水泵控制、限位控制、人机数据交互等.为了实现系统的实时性和充分利用单片机内核CPU的性能，选用RT-Thread的内核多任务管理机制对系统各任务进行协调管理[3].系统的软件框如图8所示.