基于STC单片机环保型藏式奶茶冲泡装置的设计

赵展文，葛浩威，张繁，蒋维，李琦

（青海民族大学，青海西宁，810000）

21世纪初期，是智能信息技术快速发展的时代，物联网技术与人工智能技术成为当下时代人们的生活环境和现代科学技术发展中的一个重要组成部分，在我们的生活中得到了更多的的研究与应用。随着西方快餐饮品文化在国内的不断发展，年轻人对奶茶有着不一般的偏爱，在借助我国庞大的人口基数影响下，奶茶行业在国内迎来了发展最快的阶段；同时传统的民族特色饮食文化由于其制作过程的繁杂逐渐走出了大众视野。如今，在全球文化互相交流学习的背景下，传统的民族特色饮食文化正确对外传播显得尤为重要。利用奶茶行业快速发展的影响，融入民族特色饮食文化，促使青年人们对民族文化的深入了解，加速国内外文化交流；因此，也必将带动传统民族饮食文化的传播。

1 藏式奶茶冲泡装置的研究现状

当下正是实现中华民族伟大复兴的关键时期，也是践行可持续发展和环保理念的时代，我们利用物联网技术和人工智能技术，将其繁杂的制作流程利用机器完成，提高奶茶的制作效率，在相关技术的支持下实现对奶茶废料的回收重复利用；如今人们的生活节奏很快对时间的利用率很重视，借助人工智能技术编写相关算法实现奶茶预约制作的功能，符合了当下时代人们对智能设备的需求，同时，在国内奶茶自制装置的基础上实现了人物互联，在步入二十一世纪这一关头，设计不仅要注重满足用户的需求，更加注重设计理念符合当下时代的发展，未来人们将会选择更加智能、便捷、环保的全自动产品。

2 系统整体设计

该装置以STC89C52RC单片机作为核心控制系统，功能是主要实现对奶茶温度、浓度、辅料选择的远程控制，系统由控制单元，远程通信单元和云端数据分析构成；控制单元是通过控制器和硬件外设组成，并且包括单片机；远程通信单元是通过ESP8266WIFI模块和移动控制终端组成，云端数据分析是将收集的数据和发送的数据利用WIFI模块连接物联网平台阿里云，传输到云端储存数据并且制作数据实时图形模型，使用移动终端手机APP将数据进行显示，实现对奶茶各项数据的监测和控制。

2.1 STC89C52RC最小系统

在本系统中采用STC89C52RC作为单片机最小系统的核心控制芯片，此单片机是与英特尔公司的8051指令系统相兼容，它具有低功耗、短周期、运行快和成本低等诸多优点；在本装置的设计中该款单片机拥有足够的I/O口，可以满足该装置的设计需要，在多个方面得到了广泛应用，并且拥有简单的开发方式，技术成熟。

2.2 报警模块的硬件设计

在此装置中当奶茶相关工序完成时，需要向用户发出提示，报警提示模块采用了蜂鸣器和LED灯的设计以及通过物联网在移动终端提示，当完成系统在不同的报警需求环境中时，蜂鸣器和LED灯同时也组成不同的提示模式。

图1 系统设计框图

图2 STC89C52RC单片机最小系统

图3 报警模块的电路设计

2.3 按键电路设计

为满足用户的个人需求多样性和便捷性，我们在设备本机上也采取了按键设置，它们分别对应不同的模式和功能。

图4 按键电路设计

2.4 LCD显示模块

在显示部分我们选择使用了LCD12864液晶显示屏，它是具有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64；同时也便于人们对相关内部显示内容的理解，并且连接方式简单，STC89C52RC单片机的P0口接上拉电阻作为数据输出端连接到LCD12864显示屏的D0~D7数据口，PSB、RS、R/W、EN端分别接在单片机的P2^3、P2^5、P2^6、P2^7端口。

2.5 奶茶温度和浓度控制模块

温度数据和液位数据的收集，我们通过DS18B20温度传感器和HC-SR04超声波传感器实现；DS18B20的温度方面的测量方式，由受温度影响的内部计数器——脉冲计数振荡器，DS18B20的可测量的温度范围则是在零下五十五摄氏度至一百二十五摄氏度之间更加满足我们装置的设置需求。HC-SR04超声波模块可以发出声波并且当被物体反射后接受，通过单片机定时器计算发送和接受的时间，利用声速判断出当下距离，其具有精度高、速度快和成本低的优点。

图5 LCD12864显示模块

图6 DS18B20温度传感器

图7 HC-SR04超声波传感器

3 系统各部分设计

3.1 主程序设计

用户对奶茶的口味、温度、浓度和废料回收，对于每个需求，本装置以设置多个控制级来满足用户的需求，奶茶的浓度和液体体积通过杯型容积的固定可实现，在藏式奶茶中可根据用户个人口味选择不同的口味（甜或咸），将奶料、茶料、辅料和甜/咸的口感度分成了多个等级，选择等级的不同可以控制加入原料的百分比，满足用户个人对奶茶的各项需求，每种原料所加入的多少在程序中都对应一个数字标志位，在逻辑上实现了一一对应。在装置开启后对系统所有变量进行初始化，随后系统进入循环判断状态，检测用户通过按键或者终端设置的各项数据，单片机将其赋给有关程序参数，各模块再根据程序设计的先后顺序依次完成奶茶的冲泡。

图8 主程序流程框图

图 9 藏式奶茶制作流程框图

3.2 废料回收单元设计

藏式奶茶制作流程结束后会产生一些废料，为了与当下时代发展相契合，践行国家的重要决策“可持续发展理念”，力求较好的实行可持续发展理念的中心思想；在当下对未来较高标准的憧憬下，很有必要完成对废物的重复利用。环保装置主要采用吸泵和步进电机控制废料进入收集容器（废料桶），废料桶底部采用网状结构，通过垂直升降的压力帮辅装置，将奶茶废渣中的多余水分全部挤压至最底部容器，由于奶茶废料的主要成分是茶叶，我们还可以用废水进行植被灌溉，废渣取出干燥后，可用作干燥剂、除臭剂、饲料等使用。

就我国而言，各个方面都得飞快的发展之中，这样的结果当然是每个国人都殷切希望的，国家的强盛，无论是个人还是社会甚至是国家的安全都得到了应有的保障。因此贯行这一正确理念，便显得尤为重要了。不仅如此，依据我国的经济以及科技上的快速发展和伟大进步，以及升级换代的加快，更多的高端商品都将面临着使用价值的丢失，最终将变成待淘汰的废品，被回收的同时在进行重复利用的系统化阶段。建设较高标准的规范性的回收废品体系和有着可重复利用的资源也就显得尤为重要了，妥善解决有害物质，预防和净化环境，具有十分重要的意义；垃圾回收利用可以节约能源，保护环境，防止地球上的过度消费负担；所以我们每个人都有责任回收。共同努力，让我们的地球更绿，空气更清新。

图10 废料转置电路

3.3 无线控制程序设计

3.3.1 单片机串口通信设计

在单片机串口通信的使用上，要依据对命令有关数据的传输方式的规范要求，使得所需的特有命令通过特殊的译码方式保存在对应的二维数组里，从而使得主功能函数更加方便的使用此命令。在串口中断接收程序函数中，要将特有的RI端置零，这是因为在不同的单片机的串口接收有用数据并且存储时的过程中，不同的单片机的RI端都会置一，因此在每次利用串口中断这一功能的时候要先把RI置零，紧接着再对RI进行判断，判断它是否为一，这是为了间接的确定有效数据是否已经接收完成了，然后等待着该单片机获取存储器里的有效数据，从而更加进一步的执行着该单片机的操控指令。在串口中断传输程序函数里，起初也要将RI置零，接着就是等候有效数据的传送。待有效数据传送完成之后，接着将TI置零，此处的原因与前面所述的RI置零是相同的。在该单片机为了发送有效数据，一样的是该单片机不能够独自的传送和接收有效数据，传送有效数据前，都需要把数据先保存在特定的寄存器里，传送有效的数据时，则在特有的存储器中进行有效的读取有效数据。接着要进行判定TI是否为一，其目的是为了确定传送的完成与否，这与之前叙述的确定RI是否为一是同样的原理。传送完成了之后，需将TI置零，为了方便下一次的传送有效数据。有效数据传送完成了之后，需要将特有的中断源的允许位打开，从而完成串口中断接收无线控制模块传送的有效数据。然后要关闭串口中断，以防串口中断促使有效数据间的相互干扰，接着将TI置零，再将有效数据保存在特有的串口寄存器里，待有效数据传送完成之后，再把TI置零，最后便可以将串口中断打开，也就可以进行串口中断有效数据的接收过程。

图11 系统辅助装置开关电路端口

3.3.2 ESP8266模块的应用

为了完成并实现云端数据的检测和可控化。利用单片机串口通信系统，实现单片机和ESP8266模块数据双向收发。程序设计中先要对ESP8266模块的相关参数进行初始化，在模块使用前对其使用上位机（串口调试助手）完成调试，在调试阶段将ESP8266WIFI模块的工作模式设置为透传工作模式。首先将通信模块的比特率与单片机串口通信的比特率设置相同为9600（指令AT+UART=9600,8,1,0,0）；然后ESP8266WIFI模块的通信模式对应设置为AP模式（指令AT+CWMODE=2），设置为多连接模式，允许多个设备连接，ESP8266WIFI通信模块的设备连接数上限为5个，同时依据连接的先后顺序给每一个设备依次分配IP地址；随后为ESP8266WIFI通信模块配网，使模块连接到无线局域网通过互联网连接物联网云平台。

图12 ESP8266WIFI模块

3.3.3 物联网平台阿里云的应用

Alink协议的数据是阿里云平台和云下设备通信的保障，因此需要将ESP8266WIFI通信模块发送的数据利用MQTT协议进行嵌套，嵌套完成之后再发送至云端；并且在阿里云平台订阅了相应主题后，还要将订阅主题相应的数据解析处理，以此方便阿里云对核心数据的下发。利用阿里云平台lot Studio开发工具开发APP实现无人操作下，可制作一杯符合个人对相关数据设定的藏式奶茶，当装置作为家用或者自助使用时，可以进行藏式奶茶制作预约，通过云端数据存储功能，汇总以往相关需求的一杯奶茶制作时间，计算出本次制作所需时间，使得可以充分规划时间。

图13 云端数据处理流程框图

4 结束语

藏式奶茶冲泡装置的设计包括了温度、浓度实时监测和控制，奶茶制作所产生的废料回收重复利用和相关数据上传至物联网云平台创建可视化控制界面等，利用物联网技术更好的进行人机交互操作，并且优化装置内部电路使设备结构简单便携，通过用户对可视化控制界面的反馈不断完善，冲泡后奶茶废料也能够得到有价值的回收利用。

在利用奶茶行业发展的优势，将物联网技术和人工智能技术带入到奶茶的制作流程中去，可以很好的提高奶茶的制作效率，也符合当前时代人们对智能奶茶机的需求，并且融入了传统的民族特色饮食文化，将繁杂的传统工艺由机械完成，也可以更好的传播我们的民族文化，促进当代年轻人对民族文化的了解，弘扬传统的民族特色饮食文化。