摘 要 ： 为了帮助奶茶门店节约人力成本，提升利润空间，提出了智能全自动奶茶机的设计方法。首先设计并分析了智能全自动奶茶机的机械结构，详细说明了各部分的工作原理 ；然后详细说明了控制系统的软件结构和硬件设计方法 ；最后介绍了智能全自动奶茶机未来的应用前景。

.引言
        奶茶消费已属于大众消费，尤其是在年轻人群中，市场潜力非常巨大。通过对奶茶门店经营情况的观察，一般销售情况较好的奶茶门店包括3~4名员工，配制一杯奶茶的时间为3min~5min 不等，所以人力成本是限制奶茶门店营业利润的关键。如果能够创造一台能够自动配制奶茶饮品的机器，这台机器能够帮助奶茶店节约人力成本、提高配制效率，那么，这将有助于增加该行业的营业利润。这便是智能全自动奶茶机的灵感来源。

1. 机械结构
           如图1所示是全智能智能奶茶机的机械结构示意图。①是固体原料箱 ；②是热水箱，水箱有电热丝是为了加热和保温 ；③是螺杆泵，将固体原料输送到搅拌釜 ；④是送料离心泵，将液体原料输送到搅拌釜 ；⑤是搅拌棒，负责搅拌混合原料 ；⑥是搅拌釜，是搅拌混合的主要容器 ；⑦是压力传感器，测量搅拌釜的重量变化 ；⑧是出料离心泵，将搅拌完成的饮品输出 ；⑨是出料口，完成饮品由此输出至纸杯 ；⑩是废水出液口，将清洗搅拌釜的废水由此口输出。

   

2.工作原理
        首先通过 PC 机或人机界面组态将制作奶茶机信号输入至 PLC，由 PLC 调用奶茶子程序，进行所需原料选择，包括固体和液体的选择。将选择好的原料输送至搅拌容器中搅拌，在搅拌一定时间后，将搅拌后的奶茶放入杯中，输出给客户。在这一系列步骤完成后，利用清水将搅拌容器清洗。整个机器分为以下几个装置 ：液体送料装置、固体送料装置、水箱保温装置、搅拌混合装置。

2.1 液体输送装置
        液体输送装置主要是用于将原料按需求从原料储槽输送至搅拌器供下一步流程使用。为了保证液体定量输送，搅拌釜底部安装压力传感器，测量搅拌釜的重量变化量。采用离心泵向搅拌釜输送液体，当搅拌釜重量变化达到要求时，关闭离心泵（上海自动化仪表三厂可以提供）。

2.2 固体输送装置
        固体输送装置主要是用于将固体按需求从原料储槽输送至搅拌器供下一步流程使用。对于固体原料定量输送，选择螺杆泵进料方式，配合搅拌釜底部的压力传感器进行定量控制。控制方式同液体输送装置，不再赘述。

2.3 水箱保温装置
        水箱保温装置主要是用于产生配制奶茶过程中所需的热水。测温元件为热电阻，执行器为电热丝，用 PID 控制器使水温达到设定温度。PID 控制器广泛应用于自动控制领域，能够使水温快速且平稳地达到设定值。数学公式如公式（1）所示。

        其中 U 是控制器输出， 是设定温度，K P， KI，K D 是实际温度。通过调节使控制器能够有效地工作。

2.4 搅拌混合装置
        搅拌混合装置主要是用于将液体原料和固体原料混合搅拌。原料输送完毕后，开启搅拌棒高速旋转一段时间。为了使奶茶口味多样化，搅拌时间可长可短。该装置也用于清洗环节。奶茶配制完成后，打开底部阀门，输出奶茶。然后向搅拌釜加入一定量清水，再次开启搅拌棒，实现对搅拌釜清洗功能。清洗后的废水由排水口排出。相关推荐：金属管浮子流量计

3.控制系统软硬件结构分析
3.1 软件设计
        控制系统的控制核心是 PLC。PLC 采用台达公司的DPV20SX211R，所以 PLC 的编程软件也采用台达公司配套的编程软件 WPLSoft2.41，编程语言是梯形图 (LD)。因为奶茶配制过程自动化控制主要涉及逻辑控制，利用梯形图编程简单明了，易于调试。单片机采用 ARM Cortex-M4微处理器中的 Kinetis KL26，在 AIR Embedded Workbench 软件环境下编程，编程语言是 C 语言。因为压力传感器和温度传感器部分涉及 AD 采样，C 语言属于文本化编程语言，数据处理能力强，所以单片机部分采用 C 语言编程。

3.2 硬件设计
        控制系统采用单片机和 PLC 相结合。综合了单片机数据处理能力强的优点和 PLC 运行可靠、逻辑编程简单的优点。原料罐压力信号、搅拌釜压力信号和热水箱温度信号输入至单片机，单片机 AD 采集微弱的电压信号，经过数据处理，DA 输出标准的电压信号，以模拟量的形式输入至 PLC。后者采用模拟量的原因是，为了实现进料精确控制和温度精确控制，需要搅拌釜压力和热水箱温度的精确值。然而，前者只需要表示原料罐是否为空，故只要数字量表示即可，减少了 PLC 模拟量通道使用数量，节约了制造成本。相关推荐：雷达物位计

        电源模块将24V 交流电转化了24V 直流电，给 PLC 供电。经过 PLC 逻辑运算后，数字量 IO 口输入数字信号至继电器，进而分别控制液体出料泵、固体出料泵、热水出料泵、废水出料泵、成品出料泵和搅拌棒。输入和输出端都必须设置继电器，这是为了解决各部件公共端电压不一致的问题。模拟量 IO 口输出0-10V 的电压，连接电热丝的正负极。

4、结语
         随着奶茶门店的逐渐增多，人们需求逐渐增大，实现自动化生产奶茶具有十分广阔的发展前景。通过测试，此智能奶茶机能够很好地做到固体输料、液体输料、清洗、保温等功能，通过 PLC 以及 MCU 进行控制，自动地生产出所需要的奶茶，因此，在经过进一步的改良优化后，可以进行大范围的推广。