家居智能泡茶器设计

2023-09-21张占辉罗子龙王洪海蓝丽雯

科学技术创新 2023年22期

张占辉，罗子龙，王洪海，蓝丽雯

（1.广州番禺职业技术学院，广东广州；2.中国能源建设集团广东火电工程有限公司，广东广州；3.阳江市佳顺信息技术有限公司，广东阳江）

引言

我国有着独特且悠久的茶文化,随着茶文化的发展，饮茶已经逐渐融入了人们的生活习惯中。家居智能化的的不断实现和快节奏的生活方式也推动着泡茶方式向自动化、智能化的方向发展。智能化泡茶器的出现对人们的日常生活和推动茶文化的发展具有重要意义。

对于家居智能泡茶器的研究，国内外也早有智能化泡茶机和带有泡茶功能的咖啡机，电磁式泡茶机是目前市面上应用比较广泛的泡茶机，该泡茶机设置一个加热壶和一个消毒锅，能够对茶具等进行消毒，其核心技术是能够自动加水，并将水加热到指定温度，为泡茶做好准备。该产品虽然对真正热爱泡茶喝茶的人来说是一款非常不错的产品，但是对于那些没有时间泡茶或者只想喝现成泡好的茶的人来说，这款产品并不能够满足他们对智能化的期待，也没有实现他们想要的智能泡茶功能。家用多功能智能遥控温热型立式茶吧机凭其智能化控制和精美的外观深受人们的欢迎，该产品外观类似于立式饮水机，不同的是在其下面的托盘上有足够空间放置茶壶和茶杯等，其亮点在于支持远程遥控功能，坐在电视前或躺在沙发上就能一键启动，无需走到茶吧机面前就能实现控制，是上班族和年轻人的一大福音。同时在其出水口上方还有显示屏显示水温和工作状态，让用户直观的感受到产品的智能化。而在茶吧机下方还有足够空间，可以将茶具放在下面的柜子中防尘，桶装水也是直接在底部放着的，无需和饮水机一样装在上面，就不用费力装上去。但是该茶吧机的功能化更偏向于可遥控的家用饮水机，并没有侧重于泡茶功能[1]的实现。

对于目前市面上常见的泡茶机、立式茶吧机等仅仅解决了茶水分离问题和水温问题, 而对于饮茶过程中,不同茶叶需要冲泡还是烹煮, 需要多少水温、冲泡时间、茶水比例等则没有相应的解决方案[2]；而对于智能化的泡茶机，许多人也一直在研究，如杨锦湘研究的基于用户体验的智能泡茶机设计[3]、张溪的基于单片机控制的智能泡茶机的研究[4]，以及张旭的智能泡茶方式的研究与应用[5]。都是结合了现代科技和泡茶工序设计的智能泡茶机，利用单片机控制实现智能化泡茶功能。因此，本研究通过设计一款家居智能泡茶器，尝试让泡茶适应当下的生活节奏，同时能迎合年轻人对家居智能化的憧憬和对性价比的重视，推动茶文化的发展。

1 家居智能泡茶器设计

1.1 家居智能泡茶器的功能分析

该家居智能泡茶器具有自动加水、自动加热、根据不同茶叶实现自动泡茶、自动提醒等功能模块。自动加水功能的实现是利用泡茶器外接软管到桶装水中，利用小型水泵和电机控制加水，同时设置加分档加水，通过控制加水量的方式控制茶水浓度；自动加热模块中使用电磁加热的方法对泡茶用水进行加热，其具有加热速度快、电能利用效率高、功率可控、寿命长和节能环保等优点；自动泡茶和自动提醒模块主要由单片机控制，以及温度、液位传感器，蜂鸣器等硬件的支持下实现。其主要功能见图1。

图1 家居智能泡茶器主要功能框图

1.2 家居智能泡茶器的硬件系统设计

单片机作为整个泡茶器控制系统的大脑，它的选型是非常重要的，体积不能过大，又要满足控制要求。随着微电子技术的逐渐成熟，微型控制器经过几十年的发展使其性能越来越强大、功能越来越多、成本越来越低，现已广泛应用于各个领域，例如工业、军事、农业、智能家具、游戏设备和门禁等。本设计的主要目的是设计一款价格亲民，泡茶功能较完善的家居智能泡茶器，考虑到本产品的生产成本和其能满足用户实际需要的功能，本家居智能泡茶器选用STM32F103RCT6 单片机作为控制中心的“大脑”。该智能泡茶器硬件系统主要分为电源模块、人机交互模块、温度检测模块、水位检测模块、驱动模块、加水模块和报警模块[6]，该控制系统功能框图见图2。

图2 家居智能泡茶器控制系统功能框图

在本设计的控制系统框图中电源模块为整个智能泡茶器的运作提供电力，而人机交互模块主要分为两大部分：显示器和按键，显示器是用于显示茶水当前温度和水位，及所选的泡茶程序和泡茶所需时间等；按键是方便用户控制水泵实现一键加水、选择泡茶种类等功能。整个人机交互模块在用户使用时可以快捷选择功能和清楚的知道当前智能泡茶器的工作状态。温度检测模块和水位检测模块主要是通过温度、水位传感器收集泡茶器内部工作状态，并传给控制系统做出下一步动作，例如加热、加水等功能。驱动模块用于驱动水泵和电机工作，实现对水泵和电机的控制。加水模块用于控制智能泡茶器的加水功能，为泡茶做好准备。报警模块用于智能泡茶器工作状态异常报警，如水位异常报警、干烧报警等。

（1）人机交互模块设计。人机交互功能的主要目的提升消费者对产品的喜好程度，设计出来的产品能够满足人们对智能家居产品设计的要求，同时还可以为使用者提供良好的使用体验，在用户泡茶时感到操作简单、便捷、满足用户使用需求。本人机交互模块设计主要分为显示屏和按键两个部分。

（2）温度检测模块设计。在泡茶器工作时为了实时监测加热茶壶内部的液体温度，需要由温度传感器来传输信号，本设计选用DS18B20 温度传感器，该传感器是温度检测领域内常用的传感器，因为其输出的信号是数字信号，所以它属于数字传感器，具有使用寿命长、小而轻、安装方便、抗干扰能力非常强，测温误差小等优点。DS18B20 只需要连接一个接口就可以让单片机与DS18B20 达到双向信号传输；其工作电压为3 V 到5.5 V，可以使用USB 数据线供电；可测量-55 ℃到+125 ℃之间的温度，在-10 ℃至+85 ℃温度范围内偏差不超过±0.5 ℃。

（3）水位检测模块设计。在泡茶器中液位检测选择用ineless 多高品牌的水位探头传感器，探头体积小、耐高温，适用于热水器中、探头感应灵敏、误差小、安装方便等优点，满足本设计的需求。把该液位传感器的几个探头分别安装在泡茶器内壁，对水位进行把控，保证用户在加热时泡茶器内水位处于安全工作状态。

（4）系统报警模块设计。当加热壶中可能由于桶装水没水，导致加水异常，水位低于最低水位或加水异常使水位高于最高水位时，容易发生设备干烧或者水溢出漏电危险，因此必须要有系统报警模块在检测到水位异常时发出声音提醒用户，保证用户的安全。因此，该系统报警模块主要采用蜂鸣器和三极管等元器件通过震动发出声音。

（5）加水模块设计。加水模块中主要依靠步进电机和微型水泵实现定量加水。步进电机工作实现软管出水口旋转到指定位置，到泡茶器上方进水口实现准确定位；微型水泵配合小软管实现从桶装水中抽取水加到泡茶器中。步进电机的结构简单、价格低廉、容易控制、维修方便,而且随着计算机技术的发展,其驱动控制除功率放大电路外，都可以由软件实现。

（6）驱动模块设计。设计本产品需要使用步进电机、和各类传感器等器件，由于单片机输出功率不能满足其驱动条件，所以还需要各类器件专用的驱动芯片来驱动器件。由于步进电机必须加驱动才能启动，且驱动发出的信号一定是脉冲信号，如果步进电机没有接收到脉冲信号，它就不会运转，无法正常工作，故需要选用合适的驱动器，最终选用这款uln2003 步进电机驱动芯片来驱动电机，其价格实惠、在电机带齿轮减速时噪音极低、运转平稳。

（7）电源模块设计。本设计的硬件系统中包含电磁加热、步进电机、微型水泵、传感器和STM32 单片机，所以需要不同的电源，才能使各部分元器件进行正常的运作，主要包括家用电磁加热需要的220 V、步进电机和水泵需要的12 V、液位和温度传感器需要的5 V 和单片机运作需要的3.3 V这4 种电压。所以在电源模块中主要包括3 种降压电路，分别为：220 V 电压降为12 V、12 V电压降为5 V、5 V电压降为3.3 V。

1.3 家居智能泡茶器的软件系统设计

结合本智能泡茶器的功能设计和硬件设计，该泡茶器的软件系统的泡茶主程序流程：选择泡茶种类- 选择茶水浓度- 检测茶叶量- 自动加水- 液位检测是否满足要求- 满足- 开始泡茶- 泡茶完成- 提醒用户（其中液位检测时，如不满足要求，则发出水位过低报警信号）。在泡茶器启动后，系统先进行初始化，然后用户通过人机交互系统中的按键和显示屏自行选择泡茶种类。茶叶发展至今主要分6 大类，分别是红茶、黑茶、绿茶、白茶、黄茶和乌龙茶，而这6 大类茶叶对冲泡水温和时间都有些差异，只有用对冲泡方法，才能让茶的茶香和茶汤充分发挥出来，因此针对市面上常见的6 大类茶叶按其泡制时间和水温的不同编写好不同的泡茶子程序，然后根据用户实际泡茶种类和口味的不同进行程序选择。如红茶、绿茶、黄茶，对于不同种类的茶叶有不同的泡茶程序，再根据用户喜爱的泡茶浓度选择茶水浓度，主要分为3档：低浓度、中浓度和高浓度。接下来泡茶器会通过程序控制微型水泵和电机进行自动加水，通过水位传感器检测，在水位正常的情况下开始泡茶，泡茶完成后会提醒用户茶已泡好。

本设计中所研究的智能泡茶器系统的人机交互主要是人工控制泡茶器的功能，即按键与显示屏两大部分，用户可以根据显示屏获得泡茶器的当前状态，然后通过按键输入命令让泡茶器工作，实现让泡茶器随着用户的实际需求进行泡茶。在单片机的按键控制功能中，根据按键进行输入指令部分识别方式通常分为中断和扫描两种方式。其中中断方式响应较快，但实际使用时易出现波形显示时抖动较小，以致程序编写时，还要分别去抖，这就加大了泡茶程序的复杂性，所以本设计系统选择扫描方式识别按键。

1.4 家居智能泡茶器温度控制模块

由于不同的茶叶的泡制需要不同的泡茶水温，只有在合适的水温中冲泡合适的时间才能让茶的茶香和茶汤充分突出。因为水在加热的过程中具有热惯性,即供热系统受其介质的比热容和质量影响，受热介质的温度变化在时间上滞后于传热介质[7]，容易出现水温过高的情况，导致水温不符合泡茶要求，因此必须在水加热的过程中达到对加热水温的准确控制。通过学习和了解各种温度控制系统，本设计最终选用PID 控温法对加热水温进行控制。PID 控温法是通过调节偏差的比例（P—Proportion）、积分（I—Integral）和微分（D—Derivative）3个参数线性组合进行控制的方式来实现对水温的精确控制[8]。PID 算法是一种非常典型的、实用性强的控制算法，广泛运用与各个过程控制领域中，其主要以线性控制器为主。PID算法的主要逻辑是根据设定目标值r(t)与实际输出值y(t)构成的控制偏差e(t)，将此偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量, 对受控对象进行控制，通过计算初始设定值与反馈环节获取的实际输出值的偏差e(t)，PID控制算法原理见图3。

图3 PID 控制算法的原理

泡茶过程中对于水温的加热控制如下：市面上常见的茶叶主要有6 大类，由于制作工艺、茶性的不同，冲泡水温也存在差异，绿茶的冲泡水温为85 ℃，红茶为90℃，黄茶为85 ℃，乌龙茶为100 ℃，白茶为95 ℃，黑茶为100 ℃。这些茶叶的泡茶水温均高于80 ℃，所以在系统中设定80 ℃为温度参考值，水温在不断地加热过程中，DS18B20 温度传感器检测的实际温度与目标温度不断进行比较，直到泡茶水温大于或等于80 ℃，再通过系统计算得出温度差，然后使用PID 算法对泡茶水温进行温度控制，最后将计算出的调节方案由PWM输出到电磁加热器的供电输入端，就可以控制是否继续加热，从而控制加热时间，实现温度的控制。

保温功能：在泡好茶之后如果没有及时饮用茶水，在室温下会逐渐降温，使茶水口感变差，因此需要控制茶水的温度，使其温度保持在适宜饮用的范围，考虑到很多人喜欢喝烫茶，喜欢喝茶前吹一吹，慢慢品尝，适合饮用的水温在35 ℃到40 ℃之间，所以本保温功能中设置保温温度为50 ℃。