多功能智能溫控奶瓶設(shè)計(jì)

◎ 駱馨儀，張 敏，王淑琪，沈宜君，王志偉，史倩萌，桑麗萍

（1.青島黃海學(xué)院 學(xué)前教育學(xué)院，山東 青島 266427；2.青島黃海學(xué)院 智能制造學(xué)院，山東 青島 266427）

1 國(guó)內(nèi)外研究述評(píng)及項(xiàng)目研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究述評(píng)

國(guó)外對(duì)于智能溫控奶瓶的研究?jī)H僅停留在各個(gè)功能方面，并未對(duì)集溫控、攪拌與安撫三功能于一體的智能溫控奶瓶進(jìn)行研究。美國(guó)Johnson Solid State LLC對(duì)溫控系統(tǒng)和操作方法進(jìn)行了研究，并申請(qǐng)了奶瓶?jī)?nèi)部溫控系統(tǒng)操作方案的實(shí)用新型專利[1]。該專利中的部分思路可以借鑒并且運(yùn)用到本項(xiàng)目的溫控系統(tǒng)中。

同時(shí)，外國(guó)嬰幼兒奶瓶類企業(yè)基本具有良好的運(yùn)作模式，包括健全的公司管理機(jī)制、完善的生產(chǎn)銷售和售后服務(wù)體系、長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展戰(zhàn)略等。通過充分利用國(guó)內(nèi)外專業(yè)院校的人力資源，各企業(yè)在生產(chǎn)流程、技術(shù)路徑、產(chǎn)品外觀等方面都有一定程度的創(chuàng)新。此外出臺(tái)的國(guó)家政策及企業(yè)專項(xiàng)開發(fā)計(jì)劃表明國(guó)外嬰幼兒奶瓶企業(yè)已經(jīng)形成了一個(gè)集生產(chǎn)、研究、創(chuàng)新于一體的大型綜合體。這為多功能智能溫控奶瓶能夠在國(guó)際市場(chǎng)的發(fā)展提供了可能。

1.2 國(guó)內(nèi)研究述評(píng)

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)擁有可以測(cè)溫奶瓶的底座，卻沒有將這一技術(shù)運(yùn)用到奶瓶瓶身，出現(xiàn)了使用不便捷的問題，而國(guó)內(nèi)隨著三孩政策開放，新生兒比例與日俱增，母嬰用品市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大。中國(guó)報(bào)告網(wǎng)發(fā)布的《2016—2022年中國(guó)新型電子顯溫奶瓶市場(chǎng)規(guī)?，F(xiàn)狀與投資規(guī)劃研究報(bào)告》[2]指出智能化或?qū)⒊蔀閶雰耗唐堪l(fā)展的大趨勢(shì)之一，由單一產(chǎn)品到多元化的品類延伸模式將成為奶瓶制造企業(yè)規(guī)模化的核心路徑，具有一定的投資價(jià)值及投資回報(bào)；《2022—2027年中國(guó)新型電子顯溫奶瓶行業(yè)發(fā)展監(jiān)測(cè)及投資戰(zhàn)略研究報(bào)告》[3]指出奶瓶行業(yè)將越來越注重奶瓶的設(shè)計(jì)感、便捷性以及用戶體驗(yàn)感；王麗娟[4]提出了目前奶瓶溫控系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，并表示市場(chǎng)現(xiàn)有智能奶瓶仍有加工改造的空間。以上研究表明，多功能智能溫控奶瓶研發(fā)具有切實(shí)可行性，其銷售市場(chǎng)有廣闊的發(fā)展前景。

2 研究目的及內(nèi)容

2.1 研究目的

隨著新生人口數(shù)量的增長(zhǎng)及科學(xué)哺喂嬰幼兒觀念的普及，越來越多的家長(zhǎng)選擇有質(zhì)量保證的奶粉品牌。在擁有高質(zhì)量奶粉的基礎(chǔ)上，家長(zhǎng)會(huì)選擇科學(xué)合適的沖泡奶粉方式，讓嬰幼兒更好地吸收奶粉中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而促進(jìn)嬰幼兒的生長(zhǎng)發(fā)育，防止胃脹氣、骨質(zhì)疏松及缺鐵性貧血等情況的發(fā)生。

奶瓶?jī)?nèi)部溫度過低，會(huì)導(dǎo)致嬰幼兒飲用奶粉時(shí)，奶粉不容易消化；溫度過高，會(huì)造成嬰幼兒燙傷事故。隨著國(guó)家三孩政策的開放，會(huì)有越來越多的嬰兒出生，對(duì)智能溫控奶瓶的需求量隨之增大。目前，國(guó)際母嬰市場(chǎng)上并沒有出現(xiàn)智能溫控奶瓶，而國(guó)內(nèi)母嬰市場(chǎng)上僅有測(cè)量奶瓶溫度的底座，不方便隨身攜帶供寶媽與嬰幼兒使用。多功能智能溫控奶瓶設(shè)計(jì)成功，不僅可以使嬰幼兒喝到高質(zhì)量的奶粉，在科學(xué)合理的沖泡方式下使高質(zhì)量奶粉發(fā)揮最大作用，同時(shí)又可以防止嬰兒在喝奶時(shí)燙傷或者因?yàn)闇囟冗^低而不消化。多功能智能溫控奶瓶承擔(dān)了奶粉的攪拌工作，減輕了家長(zhǎng)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)攪拌的也更加均勻，可以防止嬰幼兒被大塊的奶粉噎住導(dǎo)致窒息。嬰幼兒在喝奶的過程中，奶瓶還可以通過自身的音響功能安慰與陪伴正在哭鬧中的孩子，減輕家長(zhǎng)的負(fù)擔(dān)。

2.2 研究?jī)?nèi)容

智能溫控奶瓶的整體設(shè)計(jì)如圖1所示。該奶瓶主要針對(duì)奶瓶?jī)?nèi)部的控溫系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和音響系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 智能溫控奶瓶建模渲染圖

2.2.1 溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

該智能溫控奶瓶的溫控系統(tǒng)包括SMTIR9901 熱電紅外溫度傳感器、溫控AT89C51 芯片、LED 燈和顯示屏結(jié)構(gòu)。智能溫控奶瓶?jī)?nèi)部先通過精確的溫度傳感器測(cè)量奶瓶?jī)?nèi)部液體的溫度，然后傳輸?shù)紸T89C51 芯片，在芯片內(nèi)部進(jìn)行單片機(jī)的計(jì)算機(jī)編程，將溫度設(shè)定為36～37 ℃，當(dāng)溫度高于或者低于標(biāo)準(zhǔn)溫度，則將信息傳輸?shù)郊t色LED 燈系統(tǒng)，則紅色LED 燈亮起；同時(shí)，將信號(hào)傳輸給制冷芯片。若測(cè)量溫度位于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)，則將該信息傳輸?shù)骄G色LED 燈系統(tǒng)，則綠色LED 燈亮起。當(dāng)測(cè)得的溫度過高時(shí)，通過制冷芯片自動(dòng)將智能溫控奶瓶?jī)?nèi)溫度降低，使其達(dá)到最適溫度同時(shí)又可以達(dá)到奶粉的最佳飽和度；當(dāng)智能溫控奶瓶長(zhǎng)時(shí)間放置導(dǎo)致奶瓶?jī)?nèi)部溫度下降時(shí)，通過恒溫系統(tǒng)控制使得奶瓶溫度保持在標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)。同時(shí)，在智能溫控奶瓶表面的顯示屏中顯示奶瓶?jī)?nèi)部溫度值，便于年輕父母監(jiān)測(cè)奶瓶?jī)?nèi)部溫度。該溫控系統(tǒng)的程序運(yùn)行主要依靠AT89C51 芯片來實(shí)現(xiàn)（圖2）。該溫控系統(tǒng)運(yùn)用AT89C51 芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于奶瓶?jī)?nèi)部液體溫度的控制，滿足了年輕父母喂哺嬰幼兒時(shí)知曉奶瓶?jī)?nèi)溫度的需求。同時(shí)，該芯片使用方便、成本低、實(shí)用性強(qiáng)。

圖2 溫控系統(tǒng)內(nèi)部電路圖

2.2.2 攪拌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理。

該智能溫控奶瓶的攪拌系統(tǒng)包括攪拌器與控制器。攪拌系統(tǒng)操作時(shí)攪拌器高速旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)制攪打，被調(diào)合物料相互間充分接觸并劇烈摩擦，實(shí)現(xiàn)混合，將奶粉與水充分融合，使奶粉達(dá)到飽和溶液狀態(tài)。攪拌器的旋轉(zhuǎn)螺紋與奶瓶的瓶蓋螺紋方向一致，因此攪拌器可自由拆卸，保證奶瓶的重量，使嬰幼兒能獨(dú)立使用。奶瓶外部設(shè)置控制器裝置，該裝置包含奶瓶?jī)?nèi)部攪拌系統(tǒng)的控制開關(guān)。

由于六葉片相較于其他葉片具有葉片數(shù)目多、能形成明顯的對(duì)稱循環(huán)渦流、擴(kuò)散作用強(qiáng)、奶粉攪拌更加均勻等特點(diǎn)，因此攪拌裝置采用六葉片攪拌器進(jìn)行攪拌[5]。運(yùn)用Solid Works 軟件繪制攪拌器的三維立體模型圖，如圖3、圖4所示。

圖3 攪拌系統(tǒng)攪拌器三維模型圖

圖4 攪拌系統(tǒng)攪拌器與奶嘴螺旋紋組合三維模型示意圖

2.2.3 音響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理。

該智能溫控奶瓶的音響系統(tǒng)包括了USB 連接口及外置可拆卸藍(lán)牙音響裝置。音響系統(tǒng)中的音響裝置擁有USB 連接口，可以連接奶瓶，實(shí)現(xiàn)音響系統(tǒng)的自由充電。父母可通過手機(jī)連接外置可拆卸藍(lán)牙音響裝置，裝置運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部音樂起到安慰陪伴嬰幼兒的作用。同時(shí)，音響裝置的可拆卸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大保證了奶瓶的輕便性。外置可拆卸藍(lán)牙音響裝置中的存儲(chǔ)50～60 dB的巴洛克音樂、古典音樂及一些現(xiàn)代輕音樂，有助于提升嬰幼兒睡眠質(zhì)量[6-7]。此外，父母也可增加其他音樂于存儲(chǔ)卡中或使用藍(lán)牙模式播放，滿足了父母與幼兒的個(gè)性化需求。外置可拆卸藍(lán)牙音響裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，內(nèi)部電路如圖6所示。

圖5 外置可拆卸藍(lán)牙音響裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖6 外置可拆卸藍(lán)牙音響裝置電路圖

3 材質(zhì)的選擇

瓶身采用PPSU 材質(zhì)進(jìn)行加工，PPSU 材質(zhì)不含雙酚A，是一種進(jìn)口食品級(jí)的奶瓶材質(zhì)，具有較好的耐熱性與耐用性，以及高度透明性、高水解穩(wěn)定性，可以經(jīng)受重復(fù)的蒸汽消毒并達(dá)到奶瓶使用的材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，并且安全無害。另外PPSU 材質(zhì)具有輕便、耐摔的優(yōu)點(diǎn)，材質(zhì)的透明性為父母哺喂嬰幼兒時(shí)提供了奶粉量的顯示，方便父母哺喂，提供更好的親子哺喂時(shí)光。

配套奶嘴采用仿生硅膠材質(zhì)進(jìn)行加工，奶嘴的設(shè)計(jì)要注重仿生與安全。仿生奶嘴可使嬰幼兒擁有良好的使用體驗(yàn)。同時(shí)，從仿生學(xué)的角度出發(fā)，仿生奶嘴更人性化，更容易滿足嬰幼兒的心理與生理需求[8]。而在安全方面，采用了液體硅膠材質(zhì)，具有無色、無毒、無味、耐高溫與耐低溫的特點(diǎn)，同時(shí)不含有雙酚A，符合嬰幼兒食用安全要求。與其他材質(zhì)的奶嘴相比，液體硅膠奶嘴如同真實(shí)乳房般的設(shè)計(jì)和觸感，使嬰兒更愛喝奶。

4 結(jié)論

基于AT89C51 微處理器，以單片溫控系統(tǒng)為基底設(shè)計(jì)了兼有安撫音響、自動(dòng)攪拌功能的可拆卸奶瓶。該奶瓶可以滿足年輕父母對(duì)于嬰幼兒奶粉適宜溫度、奶粉標(biāo)準(zhǔn)飽和度與喝奶舒適度的需求，使奶瓶更加多功能化、智能化、安全化；讓父母的哺喂生活更加便捷化、高效化及輕松化；嬰幼兒能夠安心、放心及開心地喝奶；減輕年輕父母育娃壓力，提升家庭幸福感。