基于STC單片機(jī)環(huán)保型藏式奶茶沖泡裝置的設(shè)計(jì)

趙展文，葛浩威，張繁，蔣維，李琦

（青海民族大學(xué)，青海西寧，810000）

21世紀(jì)初期，是智能信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能技術(shù)成為當(dāng)下時(shí)代人們的生活環(huán)境和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重要組成部分，在我們的生活中得到了更多的的研究與應(yīng)用。隨著西方快餐飲品文化在國內(nèi)的不斷發(fā)展，年輕人對(duì)奶茶有著不一般的偏愛，在借助我國龐大的人口基數(shù)影響下，奶茶行業(yè)在國內(nèi)迎來了發(fā)展最快的階段；同時(shí)傳統(tǒng)的民族特色飲食文化由于其制作過程的繁雜逐漸走出了大眾視野。如今，在全球文化互相交流學(xué)習(xí)的背景下，傳統(tǒng)的民族特色飲食文化正確對(duì)外傳播顯得尤為重要。利用奶茶行業(yè)快速發(fā)展的影響，融入民族特色飲食文化，促使青年人們對(duì)民族文化的深入了解，加速國內(nèi)外文化交流；因此，也必將帶動(dòng)傳統(tǒng)民族飲食文化的傳播。

1 藏式奶茶沖泡裝置的研究現(xiàn)狀

當(dāng)下正是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的關(guān)鍵時(shí)期，也是踐行可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保理念的時(shí)代，我們利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)，將其繁雜的制作流程利用機(jī)器完成，提高奶茶的制作效率，在相關(guān)技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)對(duì)奶茶廢料的回收重復(fù)利用；如今人們的生活節(jié)奏很快對(duì)時(shí)間的利用率很重視，借助人工智能技術(shù)編寫相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)奶茶預(yù)約制作的功能，符合了當(dāng)下時(shí)代人們對(duì)智能設(shè)備的需求，同時(shí)，在國內(nèi)奶茶自制裝置的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了人物互聯(lián)，在步入二十一世紀(jì)這一關(guān)頭，設(shè)計(jì)不僅要注重滿足用戶的需求，更加注重設(shè)計(jì)理念符合當(dāng)下時(shí)代的發(fā)展，未來人們將會(huì)選擇更加智能、便捷、環(huán)保的全自動(dòng)產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該裝置以STC89C52RC單片機(jī)作為核心控制系統(tǒng)，功能是主要實(shí)現(xiàn)對(duì)奶茶溫度、濃度、輔料選擇的遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)由控制單元，遠(yuǎn)程通信單元和云端數(shù)據(jù)分析構(gòu)成；控制單元是通過控制器和硬件外設(shè)組成，并且包括單片機(jī)；遠(yuǎn)程通信單元是通過ESP8266WIFI模塊和移動(dòng)控制終端組成，云端數(shù)據(jù)分析是將收集的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)利用WIFI模塊連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)阿里云，傳輸?shù)皆贫藘?chǔ)存數(shù)據(jù)并且制作數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)圖形模型，使用移動(dòng)終端手機(jī)APP將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)奶茶各項(xiàng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和控制。

2.1 STC89C52RC最小系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中采用STC89C52RC作為單片機(jī)最小系統(tǒng)的核心控制芯片，此單片機(jī)是與英特爾公司的8051指令系統(tǒng)相兼容，它具有低功耗、短周期、運(yùn)行快和成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)；在本裝置的設(shè)計(jì)中該款單片機(jī)擁有足夠的I/O口，可以滿足該裝置的設(shè)計(jì)需要，在多個(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用，并且擁有簡單的開發(fā)方式，技術(shù)成熟。

2.2 報(bào)警模塊的硬件設(shè)計(jì)

在此裝置中當(dāng)奶茶相關(guān)工序完成時(shí)，需要向用戶發(fā)出提示，報(bào)警提示模塊采用了蜂鳴器和LED燈的設(shè)計(jì)以及通過物聯(lián)網(wǎng)在移動(dòng)終端提示，當(dāng)完成系統(tǒng)在不同的報(bào)警需求環(huán)境中時(shí)，蜂鳴器和LED燈同時(shí)也組成不同的提示模式。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖2 STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖3 報(bào)警模塊的電路設(shè)計(jì)

2.3 按鍵電路設(shè)計(jì)

為滿足用戶的個(gè)人需求多樣性和便捷性，我們?cè)谠O(shè)備本機(jī)上也采取了按鍵設(shè)置，它們分別對(duì)應(yīng)不同的模式和功能。

圖4 按鍵電路設(shè)計(jì)

2.4 LCD顯示模塊

在顯示部分我們選擇使用了LCD12864液晶顯示屏，它是具有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64；同時(shí)也便于人們對(duì)相關(guān)內(nèi)部顯示內(nèi)容的理解，并且連接方式簡單，STC89C52RC單片機(jī)的P0口接上拉電阻作為數(shù)據(jù)輸出端連接到LCD12864顯示屏的D0~D7數(shù)據(jù)口，PSB、RS、R/W、EN端分別接在單片機(jī)的P2^3、P2^5、P2^6、P2^7端口。

2.5 奶茶溫度和濃度控制模塊

溫度數(shù)據(jù)和液位數(shù)據(jù)的收集，我們通過DS18B20溫度傳感器和HC-SR04超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)；DS18B20的溫度方面的測量方式，由受溫度影響的內(nèi)部計(jì)數(shù)器——脈沖計(jì)數(shù)振蕩器，DS18B20的可測量的溫度范圍則是在零下五十五攝氏度至一百二十五攝氏度之間更加滿足我們裝置的設(shè)置需求。HC-SR04超聲波模塊可以發(fā)出聲波并且當(dāng)被物體反射后接受，通過單片機(jī)定時(shí)器計(jì)算發(fā)送和接受的時(shí)間，利用聲速判斷出當(dāng)下距離，其具有精度高、速度快和成本低的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 LCD12864顯示模塊

圖6 DS18B20溫度傳感器

圖7 HC-SR04超聲波傳感器

3 系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

用戶對(duì)奶茶的口味、溫度、濃度和廢料回收，對(duì)于每個(gè)需求，本裝置以設(shè)置多個(gè)控制級(jí)來滿足用戶的需求，奶茶的濃度和液體體積通過杯型容積的固定可實(shí)現(xiàn)，在藏式奶茶中可根據(jù)用戶個(gè)人口味選擇不同的口味（甜或咸），將奶料、茶料、輔料和甜/咸的口感度分成了多個(gè)等級(jí)，選擇等級(jí)的不同可以控制加入原料的百分比，滿足用戶個(gè)人對(duì)奶茶的各項(xiàng)需求，每種原料所加入的多少在程序中都對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字標(biāo)志位，在邏輯上實(shí)現(xiàn)了一一對(duì)應(yīng)。在裝置開啟后對(duì)系統(tǒng)所有變量進(jìn)行初始化，隨后系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)判斷狀態(tài)，檢測用戶通過按鍵或者終端設(shè)置的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，單片機(jī)將其賦給有關(guān)程序參數(shù)，各模塊再根據(jù)程序設(shè)計(jì)的先后順序依次完成奶茶的沖泡。

圖8 主程序流程框圖

圖 9 藏式奶茶制作流程框圖

3.2 廢料回收單元設(shè)計(jì)

藏式奶茶制作流程結(jié)束后會(huì)產(chǎn)生一些廢料，為了與當(dāng)下時(shí)代發(fā)展相契合，踐行國家的重要決策“可持續(xù)發(fā)展理念”，力求較好的實(shí)行可持續(xù)發(fā)展理念的中心思想；在當(dāng)下對(duì)未來較高標(biāo)準(zhǔn)的憧憬下，很有必要完成對(duì)廢物的重復(fù)利用。環(huán)保裝置主要采用吸泵和步進(jìn)電機(jī)控制廢料進(jìn)入收集容器（廢料桶），廢料桶底部采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過垂直升降的壓力幫輔裝置，將奶茶廢渣中的多余水分全部擠壓至最底部容器，由于奶茶廢料的主要成分是茶葉，我們還可以用廢水進(jìn)行植被灌溉，廢渣取出干燥后，可用作干燥劑、除臭劑、飼料等使用。

就我國而言，各個(gè)方面都得飛快的發(fā)展之中，這樣的結(jié)果當(dāng)然是每個(gè)國人都殷切希望的，國家的強(qiáng)盛，無論是個(gè)人還是社會(huì)甚至是國家的安全都得到了應(yīng)有的保障。因此貫行這一正確理念，便顯得尤為重要了。不僅如此，依據(jù)我國的經(jīng)濟(jì)以及科技上的快速發(fā)展和偉大進(jìn)步，以及升級(jí)換代的加快，更多的高端商品都將面臨著使用價(jià)值的丟失，最終將變成待淘汰的廢品，被回收的同時(shí)在進(jìn)行重復(fù)利用的系統(tǒng)化階段。建設(shè)較高標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范性的回收廢品體系和有著可重復(fù)利用的資源也就顯得尤為重要了，妥善解決有害物質(zhì)，預(yù)防和凈化環(huán)境，具有十分重要的意義；垃圾回收利用可以節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，防止地球上的過度消費(fèi)負(fù)擔(dān)；所以我們每個(gè)人都有責(zé)任回收。共同努力，讓我們的地球更綠，空氣更清新。

圖10 廢料轉(zhuǎn)置電路

3.3 無線控制程序設(shè)計(jì)

3.3.1 單片機(jī)串口通信設(shè)計(jì)

在單片機(jī)串口通信的使用上，要依據(jù)對(duì)命令有關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸方式的規(guī)范要求，使得所需的特有命令通過特殊的譯碼方式保存在對(duì)應(yīng)的二維數(shù)組里，從而使得主功能函數(shù)更加方便的使用此命令。在串口中斷接收程序函數(shù)中，要將特有的RI端置零，這是因?yàn)樵诓煌膯纹瑱C(jī)的串口接收有用數(shù)據(jù)并且存儲(chǔ)時(shí)的過程中，不同的單片機(jī)的RI端都會(huì)置一，因此在每次利用串口中斷這一功能的時(shí)候要先把RI置零，緊接著再對(duì)RI進(jìn)行判斷，判斷它是否為一，這是為了間接的確定有效數(shù)據(jù)是否已經(jīng)接收完成了，然后等待著該單片機(jī)獲取存儲(chǔ)器里的有效數(shù)據(jù)，從而更加進(jìn)一步的執(zhí)行著該單片機(jī)的操控指令。在串口中斷傳輸程序函數(shù)里，起初也要將RI置零，接著就是等候有效數(shù)據(jù)的傳送。待有效數(shù)據(jù)傳送完成之后，接著將TI置零，此處的原因與前面所述的RI置零是相同的。在該單片機(jī)為了發(fā)送有效數(shù)據(jù)，一樣的是該單片機(jī)不能夠獨(dú)自的傳送和接收有效數(shù)據(jù)，傳送有效數(shù)據(jù)前，都需要把數(shù)據(jù)先保存在特定的寄存器里，傳送有效的數(shù)據(jù)時(shí)，則在特有的存儲(chǔ)器中進(jìn)行有效的讀取有效數(shù)據(jù)。接著要進(jìn)行判定TI是否為一，其目的是為了確定傳送的完成與否，這與之前敘述的確定RI是否為一是同樣的原理。傳送完成了之后，需將TI置零，為了方便下一次的傳送有效數(shù)據(jù)。有效數(shù)據(jù)傳送完成了之后，需要將特有的中斷源的允許位打開，從而完成串口中斷接收無線控制模塊傳送的有效數(shù)據(jù)。然后要關(guān)閉串口中斷，以防串口中斷促使有效數(shù)據(jù)間的相互干擾，接著將TI置零，再將有效數(shù)據(jù)保存在特有的串口寄存器里，待有效數(shù)據(jù)傳送完成之后，再把TI置零，最后便可以將串口中斷打開，也就可以進(jìn)行串口中斷有效數(shù)據(jù)的接收過程。

圖11 系統(tǒng)輔助裝置開關(guān)電路端口

3.3.2 ESP8266模塊的應(yīng)用

為了完成并實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)的檢測和可控化。利用單片機(jī)串口通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和ESP8266模塊數(shù)據(jù)雙向收發(fā)。程序設(shè)計(jì)中先要對(duì)ESP8266模塊的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化，在模塊使用前對(duì)其使用上位機(jī)（串口調(diào)試助手）完成調(diào)試，在調(diào)試階段將ESP8266WIFI模塊的工作模式設(shè)置為透傳工作模式。首先將通信模塊的比特率與單片機(jī)串口通信的比特率設(shè)置相同為9600（指令A(yù)T+UART=9600,8,1,0,0）；然后ESP8266WIFI模塊的通信模式對(duì)應(yīng)設(shè)置為AP模式（指令A(yù)T+CWMODE=2），設(shè)置為多連接模式，允許多個(gè)設(shè)備連接，ESP8266WIFI通信模塊的設(shè)備連接數(shù)上限為5個(gè)，同時(shí)依據(jù)連接的先后順序給每一個(gè)設(shè)備依次分配IP地址；隨后為ESP8266WIFI通信模塊配網(wǎng)，使模塊連接到無線局域網(wǎng)通過互聯(lián)網(wǎng)連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

圖12 ESP8266WIFI模塊

3.3.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)阿里云的應(yīng)用

Alink協(xié)議的數(shù)據(jù)是阿里云平臺(tái)和云下設(shè)備通信的保障，因此需要將ESP8266WIFI通信模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)利用MQTT協(xié)議進(jìn)行嵌套，嵌套完成之后再發(fā)送至云端；并且在阿里云平臺(tái)訂閱了相應(yīng)主題后，還要將訂閱主題相應(yīng)的數(shù)據(jù)解析處理，以此方便阿里云對(duì)核心數(shù)據(jù)的下發(fā)。利用阿里云平臺(tái)lot Studio開發(fā)工具開發(fā)APP實(shí)現(xiàn)無人操作下，可制作一杯符合個(gè)人對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)定的藏式奶茶，當(dāng)裝置作為家用或者自助使用時(shí)，可以進(jìn)行藏式奶茶制作預(yù)約，通過云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，匯總以往相關(guān)需求的一杯奶茶制作時(shí)間，計(jì)算出本次制作所需時(shí)間，使得可以充分規(guī)劃時(shí)間。

圖13 云端數(shù)據(jù)處理流程框圖

4 結(jié)束語

藏式奶茶沖泡裝置的設(shè)計(jì)包括了溫度、濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，奶茶制作所產(chǎn)生的廢料回收重復(fù)利用和相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)創(chuàng)建可視化控制界面等，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更好的進(jìn)行人機(jī)交互操作，并且優(yōu)化裝置內(nèi)部電路使設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單便攜，通過用戶對(duì)可視化控制界面的反饋不斷完善，沖泡后奶茶廢料也能夠得到有價(jià)值的回收利用。

在利用奶茶行業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)帶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，也符合當(dāng)前時(shí)代人們對(duì)智能奶茶機(jī)的需求，并且融入了傳統(tǒng)的民族特色飲食文化，將繁雜的傳統(tǒng)工藝由機(jī)械完成，也可以更好的傳播我們的民族文化，促進(jìn)當(dāng)代年輕人對(duì)民族文化的了解，弘揚(yáng)傳統(tǒng)的民族特色飲食文化。