國立臺灣大學生農學院生物產業機電工程學系 碩士論文
Department of Bio-Industrial Mechatronics Engineering College of Bioresources and Agriculture
National Taiwan University Master Thesis
開發自動泡茶器之初步整合設計
A Preliminary Integrated-Design for Development of an Automatic Tea Maker
王永升
Yang-Sheng Wang
指導教授：張森富 博士 Advisor: Sen-Fuh Chang, Ph.D.
中華民國 101 年 01 月
January, 2012
致 謝
本文承蒙恩師 張森富教授的細心指導，給予學生諸多寶貴意見與指教，使本 論文得以順利完成。老師對於研究嚴謹的態度及追求學問的精神讓學生深感敬 佩，在研究進行中亦耐心提供意見使論文內容更為完整，特此卷首，致上最誠摯 的謝意與敬意。
感謝彭錦樵教授與葉仲基教授對本論文之批閱斧正，使本論文能更為充實完 善，在此亦深表謝意。在實驗室中，感謝凱倫學長、婉婷學姊不吝指教與鼓勵，
並在生活上的鼓勵及課業上的輔助。
最後，感謝父親王永升及母親吳秋蓮多年來的養育之恩，父親辛勤工作使我 得以無後顧之憂的完成碩士學業。感謝我最敬愛的外公，一直以來都給予我最大 的關懷。沒有你們這篇論文無法順利完成，願與我的家人共同分享這份榮耀與喜 悅。
摘 要
大部份忙碌的現代人並不必親自體會手泡茶的藝術，只要能用最快的方法喝 到最好的茶即可。 因此，若能研發出一種從煮水、沖泡、倒茶等程序都能自動完 成的泡茶機，那麼泡茶就變得非常方便，更能大幅簡化泡茶的步驟，讓泡茶不再 是一種耗時、費神的休閒活動，這就是研發自動化泡茶機之主要動機。 本研究以 泡茶雛型機為基底整合自動化技術設計符合商業化需求的泡茶機，整合自動化泡 茶概念機三種設計，並提出泡茶機的整體設計方法。
關鍵字：泡茶機、自動化、觀念設計
Abstract
Most of the modern people are too busy to enjoy the art of tea brewing, and are willing to drink tea of the highest quality in the fastest way. Therefore, a tea brewing machine that can complete the procedures such as water boiling, tea brewing, and tea pouring; then provide great convenience to tea drinking; and make the tea brewing process simple, so that tea brewing is no longer a time-consuming leisure activity. This study aimed at developing an automatic tea brewing machine and integrating the automation technology with it to meet commercial needs. This study accomplished conceptual designs for three integrated automatic tea brewing machine prototypes. The preliminary design could provide the overall design approach of tea brewing machine.
Keywords: tea brewer, automation, conceptual-design
目 錄
頁次
致謝 ... ii
摘要 ... iii
Abstract ... iv
圖目錄 ... vii
表目錄 ... ix
第1 章 前言 ... 1
1.1 背景 ... 1
1.2 研究目的 ... 2
第2 章 文獻探討 ... 3
2.1 飲茶起源與發展 ... 3
2.2 品茗 ... 3
2.3 泡茶雛形機 ... 6
第3 章 泡茶機裝置 ... 12
3.1 加熱裝置 ... 12
3.2 閥門裝置 ... 13
3.3 溫度感測裝置 ... 14
3.4 電控裝置 ... 20
3.5 補充試驗 ... 33
3.6 其他 ... 38
第4 章 初步整合設計芻議 ... 41
4.3 整體設計芻議 ... 45
第5 章 結論與建議 ... 55
5.1 結論 ... 55
5.2 建議 ... 56
參考文獻 ... 57
圖 目 錄
頁次
圖 2.1 泡茶機系統示意 ... 6
圖 2.2 泡茶機自動控制裝置 ... 7
圖 2.3 泡茶機系統控制流程 ... 8
圖 2.4 自動泡茶雛形機之加熱系統流程 ... 9
圖 2.5 自動泡茶雛形機(一) ... 10
圖 2.6 自動泡茶雛形機(二) ... 11
圖 3.1 雲母電熱片 ... 12
圖 3.2 U 型加熱管 ... 13
圖 3.3 電磁閥 ... 14
圖 3.4 電動勢 ... 15
圖 3.5 電路設計 ... 15
圖 3.6 白金電阻溫度感測器 ... 16
圖 3.7 AD590 實體包裝與等效電路 ... 17
圖 3.8 DS1821 接腳 ... 18
圖 3.9 HT48F50E 接腳 ... 24
圖 3.10 AT89S51 接腳 ... 26
圖 3.11 穩壓電路 ... 27
圖 3.12 AT89S51 基本電路 ... 27
圖 3.15 普洱茶 時間-溫度曲線 ... 34
圖 3.16 烏龍茶 時間-溫度曲線 ... 35
圖 3.17 東方美人茶 時間-溫度曲線 ... 36
圖 3.18 控制器設計概念 ... 38
圖 3.19 固態繼電器 ... 39
圖 3.20 電磁式流量計 ... 40
圖 4.1 記憶儲存模組儲存概念 ... 42
圖 4.2 整合設計概念 ... 43
圖 4.3 自動泡茶機設計程序基本模式流程 ... 46
圖 4.4 自動泡茶機設計流程 ... 48
圖 4.5 整合自動化泡茶概念機(一) ... 50
圖 4.6 傳統茶具 ... 52
圖 4.7 整合自動化泡茶概念機(二) ... 53
圖 4.8 整合自動化泡茶概念機(三) ... 54
表 目 錄
頁次
表 3.1 DS1821 功能指令 ... 19
表 3.2 DS1821 溫度/數據關係 ... 19
表 3.3 計時/計數控制暫存器（TCON）－位址 88H ... 21
表 3.4 計時/計數模式控制暫存器（TMOD）－位址 89H ... 22
表 3.5 HT48F50E 接腳之功能 ... 25
表 3.6 各種 LCD 模組位址對映 ... 28
表 3.7 各種 LCD 模組與字型碼對映 ... 29
表 3.8 HD44780 晶片內部有 192 個 5X7 字型 ... 30
表 3.9 LCD 模組之接腳數 ... 31
表 3.10 煮水測試結果 ... 33
第1章 前言
1.1 背景
茶對國人來說，早已是生活的一部份，煮水泡茶，、端茶入口，一切都再自 然不過，飲茶是一種風雅的事情，自然就被文人和雅士當做是一種特殊的技藝和 流行，因為成為流行的趨勢，所衍生出來的泡茶文化，即是今日所謂的茶道與茶 藝。
也因為泡茶文化歷史悠久，所以喝茶總比喝咖啡多了許多道具和規矩，就算 非常熟悉茶文化的人亦不會否認，茶一如咖啡，是日常飲料、也是助興工具，愈 自然地看待它，就愈能體會它的可親近性與普遍性，器具、過程都不必繁複，就 能從中喝出一股能量充沛的魅力，讓你神清氣爽，心平氣和; 但，一般人要泡茶 時總要先用瓦斯爐燒開水，再另外準備泡茶器具，在泡完之後，又需親自端著茶 壺將茶水倒出，才能品嚐到茶的風味，這個過程實在非常地麻煩，且不輕鬆，因 此， 大部份忙碌的現代人並不必親自體會手泡茶的藝術，只要能用最快的方法喝 到最好的茶即可。
因此，若能研發出一種從煮水、沖泡、倒茶等程序都能自動完成的泡茶機，
那泡茶就變得非常方便，更能大幅簡化泡茶的步驟，讓泡茶不再是一種耗時、費 神的休閒活動，這就是研發自動化泡茶機之主要動機。
1.2 研究目的
本研究主要目的是要完成自動化泡茶機的初步整合設計，其工作重點包括:
1． 了解泡茶的多種方法進而選用適當者;
2． 參考沖泡咖啡的原理，適當運用在泡茶上;
3． 控制器設計探討;
4． 機構設計探討;
5． 自動化泡茶機的機構整合設計。
第2章 文獻探討
2.1 飲茶起源與發展
古代人喝茶的歷史可以追溯到先秦，相傳在公元前 2500 多年以前的神農時 代。神農爲了給人治病，親自嘗試了茶，鑒別到茶有草藥的功能。而今日成為生 活的調劑品。(姚等人，1995)
茶事的最早文字記載，始於公元前59 年。漢朝時大戶人家已有煮茶待客的習 慣，茶已經是待客的禮儀之一。同時可以發現當時的茶是用煮的，不是用泡的。
所以古代的文章記載是烹茶而非泡茶。到了唐朝飲茶的風氣已非常盛行，不只貴 族們喜愛喝茶，民間飲茶之風也大為流行。(張，1987)
陸羽對茶有很多篇幅的介紹，他是中國茶道的先聲，他的著作＜茶經＞是中 國茶道最原始最具體的著作。其中描述最具體、詳實、完整之茶的內容，他的記 載將茶的來源、茶樹形狀、製茶器具、茶的製造方法、煮茶器具、以及煮茶方法、
茶的飲用方法等很詳細的用文字描述，並繪圖說明，共計三卷十節，是一本最早、
最詳盡的茶書，所以該書被稱為＜茶經＞，作者陸羽被尊為「茶神」。
九經中本無茶字，茶字要到唐代才創造出來，自陸羽以後「荼」字減一畫為
「茶」。在此之前，茶字作荼。(吳等人，1988)
2.2 品茗
泡好茶最重要的是泡出茶葉特色，茶葉種類繁多，其泡法依其製造方法有別，
一般常有的茶有：1.綠茶 2.包種茶 3.烏龍茶 4.紅茶 5.其他地區性特殊的茶等。(陳，
2007)
2.2.1 綠茶
綠茶為不發酵茶，由於大部分是心芽葉製成，最宜使用攝氏 70 至 80 度左右 沸滾後的開水沖泡。
日本的泡茶大部分以綠茶為主，一般家庭都以瓷壺泡茶，只有特別的茶道才 磨成粉狀沖泡或烹煮。
有些非洲國家，在綠茶茶湯中加入冰糖、薄荷調味，另有一種獨特之風味。(陳，
2007)
2.2.2 包種茶
包種茶屬輕發酵茶類，可分為條形及半球形兩大類。條形包種茶以文山茶區 所產製之包種茶最具代表性，故稱之文山包種茶。以介於攝氏90 度沖泡為佳。
包種茶沖泡時，宜用大一點的茶具，讓茶葉能充分的舒展，所以與綠茶一樣，
個人用杯泡、碗泡，待客用大的瓷壺泡，皆很理想，但不宜用小壺泡。
近來因小壺品茶的流行，而把包種茶也用小壺泡法，這是一種錯誤用法，因 為包種茶的外型是條索型且鬆散的，它的特色是清香，而非濃郁、甘醇等韻味，
欣賞重點不一樣，所以，包種茶不宜採用小壺泡法，小壺泡其濃度過高，反失其 清爽的香氣。
包種茶的外型呈條索狀，色澤墨綠，茶湯水色蜜綠鮮艷，略帶金黃色，清香、
幽雅，有時似帶花香味。欣賞包種茶以其香氣為其特色，所以茶葉應保持新鮮為 佳。(陳，2007)
2.2.3 烏龍茶
究進步下 形成甘、香、韻具備的獨特風味。
烏龍茶的製造，前半段與包種茶製法相似，所以具有與包種茶同樣之香氣，
經過布泡多次團揉後，茶乾的外觀取結成半球形粒狀，故沖泡時葉面伸展慢，而 較耐泡，一般包種茶可沖泡兩次，烏龍茶可沖泡五次以上。
烏龍茶的型狀是緊結成半球形粒狀，色澤墨綠，茶湯金黃亮麗。半球形粒狀 的烏龍茶，因經過多次揉捻，茶汁全被揉出，故茶湯濃，韻味足，且因茶之葉子 緊結成半球形粒狀，沖泡時茶葉舒展緩慢，可多沖泡幾次，較為耐泡。烏龍茶最 宜小壺的品茗泡法。(陳，2007)
2.2.4 紅茶
紅茶屬於完全發酵茶，產區以南投魚池茶區為主。因外觀、內容及形質不同，
其產品亦多樣化，市售之紅茶約略可分為碎型紅茶、條型紅茶及加料紅茶等三大 類，鮮紅艷麗及焦糖香味為其品質特徵。沖泡溫度以攝氏 100 度左右沸騰開水沖 泡之即可。
紅茶很少用以杯泡清飲，大部分都是調味紅茶，茶中加糖、牛奶、檸檬、橘 子、薄荷、冰塊等添加物。有熱飲也有冷飲，其變化最多。
泡一壺多人飲用的紅茶，通常是先將水煮沸置於桶內，再將紅茶包放入開水 中數分鐘，然後將茶包攪動，使茶湯均勻，即將茶包撈起，茶包不要留在桶內，
避免浸泡太久，茶湯濃度太高，會有點澀味。使用茶包之數量，必須視茶之容器 的大小，勘酌茶湯之濃度決定。如果常用固定的茶桶泡茶，先留放置茶包的數量，
算好浸泡時間，幾次經驗之後，就可固定茶包的數量，每次如法炮製即可。通常 紅茶很少清飲，大都加糖、牛奶，或以檸檬、橘子等調味較多。(陳，2007)
2.3 泡茶雛形機
市面上有多種款式之商品化的泡茶器具，而開發研究的相關論文直到 2008 年 由泡茶機自動控制裝置之研究(杜，2008)率先進行，但其研究還沒達到商品化之要 求。而後有自動泡茶雛形機之研發(陳，2010)開始著手研究進行。
2.3.1 泡茶機自動控制裝置之研究
泡茶機自動控制裝置之研究(杜，2008)在系統(圖 2.1)裝置兩支加熱管，功率 分別為 350 瓦以及 500 瓦來做加熱動作，設置兩支加熱管之用途在於能夠發揮出 三種不同加熱模式；另外以一個轉數為1 分鐘 2200 轉之交流風扇來作為降溫及通 風效能；兩電磁閥分別接於加熱槽與沖泡室底部作為水與茶湯之閥門；以兩位數 共陽極七段顯示器來顯示液體加熱情形；LCM 模組可對外作加熱模式選擇；最後 透過RS232 連接電腦端（PC）做即時監控功能。
圖2.1 泡茶機系統示意(杜，2008)
降溫的功效。下方四隻腳架長度為50 公分。左方裝設一個長、寬、高為 24、12、
7 公分的鐵盒做為控制箱，單晶片微處理器、外接電路板以及電源供應器則裝置 其中。
圖2.2 泡茶機自動控制裝置(杜，2008)
當沖泡過程結束之後，系統會進行保溫模式，此時系統會運算誤差值，當溫 度誤差在攝氏正負 2 度時，且判斷啟動加熱管升溫或風扇降溫，直到溫度又回到 選定溫度時才會關閉所有升溫與降溫元件。程式在保溫模式時可以再次使用液晶 顯示器與按鈕選擇，此時可選擇相同或不同溫度沖泡。一般茶葉通常可以沖泡 3
～4 次，直到茶湯顏色、味道變淡為止，第二泡習慣上會比第一泡悶漬時間增加 10 秒左右，第三泡再增加 10 秒，以此類推。因此，程式在設計上以 for 迴圈撰寫 出在同個溫度第二次的悶漬時間增加10 秒、以五次為限，意指悶漬時間為 40、50、
60、70、80 秒，第六次會再重回到 40 秒。若直接選擇其他溫度或茶種，則程式 會直接重置，悶漬時間為40 秒開始增加，其流程如圖 2-3 所示。
圖2.3 泡茶機系統控制流程(杜，2008)
2.3.2 自動泡茶雛形機之研發
自動泡茶雛形機(陳，2010)之加熱系統流程如圖 2.4.所示，可依據不同茶種最 適沖泡時間，來選擇使用的模式，模式1、2、3 分別是：60 秒、90 秒、120 秒，
是固定的沖泡時間，而另外的上下調整鍵則是因應個人喜好可自行調整，當偵測 溫度顯示至攝氏90 度呈現將沸騰的狀態，開始倒數計時所選擇的時間模式，讀秒 完成後，整個加熱的流程停止。
圖2.4 自動泡茶雛形機之加熱系統流程(陳，2010)
自動泡茶雛形機(陳，2010)其機體外觀如圖 2.5 所示，其三視圖如圖 2.6 所示，
含一滲濾式壺裝置、一控制板、一儲茶桶。一次可沖泡人3－4 人份之茶湯，約 800 毫升之水量；控制板則包含三種時間選擇鍵、電磁閥導通開關、時間上下調整鍵、
重置鍵以方便操作。控制板上的時間上下調整鍵，是可根據自己的喜好來調整沖 泡時間；儲茶桶之容量為7.7 公升，可多次多量裝取茶湯以供使用，並可維持茶湯 溫度3-4 小時。
系統電源插上後，液晶顯示模組會顯示目前偵測到的溫度與預設值溫度，將 茶葉置入放置籃中，茶葉須鋪放均勻；按下模式選擇鍵，固態繼電器電源燈亮表 示導通滲濾式壺裝置且開始加，同時溫度感測器監測水溫上升情形，當溫度上升 至預設值時，系統啟動計時模式會根據選擇之模式而有不同的時間；待計時結束
後加熱裝置即停止，按下重置鍵重整，確保系統流程已安全停止並保持在待機狀 態，接著按下電磁閥開關鍵，滲濾式壺內之茶湯流至保溫儲茶桶內，並且可從保 溫儲茶桶取用茶湯，如此泡茶流程即完成。
圖2.5 自動泡茶雛形機(一)(陳，2010)
圖2.6 自動泡茶雛形機(二)(陳，2010)
第3章 泡茶機裝置
一台自動化泡茶機的組成，包括:加熱裝置、閥門裝置、溫度感測裝置、電控 裝置等，並分別介紹如下:
3.1 加熱裝置
在泡茶機的設計上，建議採用之加熱器為雲母電熱片(圖 3.1)，其以雲母片做 基材，因雲母片吸的熱量小，對溫度的反應靈敏，有縮短升溫時間的特性。其基 本構造係在雲母片上均勻的纏繞高級鎳鉻線，再以雲母片上、下夾著絕緣之，外 面以鋼板或不銹鋼板包夾，然後將其彎曲加工而成圓筒形。
將雲母電熱片包覆在圓筒型的儲水桶外圍，必須注意的是其密合度，若包覆 時未將電熱片壓緊後再鎖上，加熱的效率就會變差，無法讓儲水桶內的水均勻地 受熱，因此在壓合時要特別小心。
圖3.1 雲母電熱片
另外，也可以選擇，U 型電阻式加熱管(圖 3.2)，構造為絕緣線連接加熱絲(鎳 鎢)，在外圍包覆合金或不銹鋼再做成型。依照瓦數不同而有不同的耗電量，通常 高瓦數的加熱管加熱速度會較快，卻也比較耗電。以三用電錶量測系統使用之加 熱管的電流與電壓，經計算後，加熱管之功率約為350 瓦及 500 瓦。
圖3.2 U 型加熱管
3.2 閥門裝置
在自動化泡茶機的設計上，使用的是電磁閥門，並不使用一般的手動閥門。
電磁閥是依據電磁線圈產生電磁力來驅動閥門開、關的流體控制元件，也是自動 化泡茶機在控制過程中常用執行器之一。
在泡茶機的設計上，建議採用安可公司（ANCO Engineers, Inc.）所出品之 SC-7V-AN 二分口常閉式電磁閥(圖 3.3)，其為流體所適用之電磁閥，本身閥體的 材質為不繡鋼，具有防水線圈、防爆線圈，是一般常見之電磁閥。
電磁閥規格如下：工作電壓 110 伏特、防水等級 IP65、防爆等級 EExmII T4、
開關方式為常閉／通電開型、作動方式為直動柱塞式。
圖3.3 電磁閥
3.3 溫度感測裝置
3.3.1 熱電偶溫度感測器
熱電偶的主要原理乃是依據席貝克效應產生。熱電偶一般來說是由兩種不同 的金屬所組成，當電偶的兩端有一溫度差產生時，此一熱電偶便會產生電動勢 E
（圖3.4），其大小正比於熱電偶兩端的溫度差；而影響電壓大小除了溫度差之外，
還取決於組成熱電偶的兩種金屬材料及材料的線徑，當線徑越大，使用的溫度就 越高。常見的熱電偶材料有：鐵－銅鎳合金（J 型）、銅－銅鎳合金（T 型）與鉻
－鋁（K 型）三種。
圖3.4 電動勢
黃等人（2000）在數位化溫度控制器設計研究當中之感測器的使用，以熱電 偶與熱敏電阻（RTD）為主，輔以熱敏電阻來使熱電偶作冷接點補償(圖 3.5)。兩 種不同的金屬其自由電子數也不相同，兩金屬連接在一起時形成一個閉迴路時，
兩端會產生一個溫度差，則在迴路裡就會有電流通過。而兩端溫度相同時，端點 產生之熱電動勢相同，因此也不會有電流通過；溫度較高的接點稱為熱接點，反 之，溫度較低的點稱為冷接點。在量測時接將熱接點至於測溫處，再根據所量測 之直流訊號與冷接點作冷接點補償。
圖3.5 電路設計（黃等人，2000）
3.3.2 電阻式溫度感測器
電阻式溫度感測器又稱為熱敏電阻，是一隨溫度改變而變化的溫度偵測裝 置，由於它具有低價與高精度的優點，所以常做為工業溫度控制的檢測裝置。熱 敏電阻一般有一個誤差範圍，用來規定樣品之間的一致性，根據使用的材料不同，
誤差值通常在百分之1 至百分之 10 之間，熱敏電阻與溫度關係：
R=R（1+α1T +α2T2 +α3T3 +....）
其中R 為攝氏 0 度電阻值，α 、1 α 、2 α3…αn為電阻溫度係數，T 為攝氏溫度。
周（2005）於現代化雞舍管理研究中，使用 PT100 白金電阻溫度感測器監控 雞舍之溫度，藉由監控溫度做出適當之措施，以維持雞舍溫度。在電阻式溫度感 測器中，最常見的就是白金電阻溫度感測器，其電阻溫度係數：α1 =3.92×10−3， 可量測範圍：攝氏負 200 度～攝氏 850 度。一般而言，當金屬隨著溫度上升，電 阻值也會跟著上升，亦即具正溫度係數，由於能偵測到溫度之變化，所以可以拿 來測試溫度。除了白金可當電阻式溫度感測器之外，尚有銅（Cu）或鎳（Ni）可 使用，因白金之純度高，所以其溫度係數越高、電阻-溫度特性幾乎為一定(圖 3.6)
3.3.3 IC 型溫度感測器
IC 型溫度感測器種類繁多，使用方便，其中最具代表之 AD590 溫度感測器，
如圖 3.7 包裝為 TO-52 型金屬外殼，三支接腳中，兩端為半導體溫度感測；另一 外殼接腳為接地以減少雜訊干擾。工作電壓範圍4 伏特～30 伏特，具有線性輸出 電流，其溫度偵測範圍在攝氏負55 度～攝氏 150 度之間，擁有良好的隔離性，係 利用半導體材料的負溫度特性－電晶體的VBE兩端電壓受每上升攝氏 1 度而下降 2.2mV 的特性，做成一溫度檢測 IC。
陳（2007）利用 AD590 偵測血液溫度變化，其中採正溫度係數，溫度上升時 電阻值變小，所通過的電流即增加；最後再以運算放大器感應其電流變化，傳至 資料擷取卡，以分析溫度對波形訊號與血液流速的影響。
圖3.7 AD590 實體包裝與等效電路（陳，2007）
而溫度感測用在煮水溫度的感測與茶湯溫度的感測，在泡茶機的設計上，建 議採用達拉斯半導體公司（Dallas Semiconductor Co.）所出品之 DS1821 IC 型溫度 感測器(圖 3.8)規格：型號-PIN PR 35，解析度攝氏 1 度，溫度範圍為攝氏負 55 度
～攝氏125 度；DS1821 有三支腳，第一支接地（GND），第二支則是控制腳（DQ），
控制溫度輸入與輸出，第三支接電源5 伏特（VDD）。DS1821 輸出訊號是數位 8 bit 訊號，並非類比訊號，因此可以省去 A/D 轉換的麻煩，其輸出的資料可以直接給 各種數位電路使用處理。
DS1821內有4個8位元暫存器，分為高溫觸發暫存器（TH）、低溫觸發暫存器
（TL）、測溫結果暫存器（TR）、狀態暫存器（SR）；其中高溫觸發暫存器、低 溫觸發暫存器、狀態暫存器為電子抹除式可複寫唯讀記憶體（EEPROM），而測 溫結果暫存器為隨機存取記憶體（RAM）。它有兩種工作模式：單線通訊模式－
可對DS1821下達指令，包括設定DS1821各種功能，寫入資料或是讀出DS1821內部 的暫存器資料或溫度資料；另一種則是恆溫控制模式，如果溫度超過上限溫度或 低於下限溫度，依設定輸出高或低的訊號，以驅動控制溫度的週邊電路。進入 DS1821的單線讀寫模式中，最重要的動作就是重置（RESET），因為每次進行讀 取、寫入前，一定要先做重置動作，才能送出指令碼並執行下個動作, 其功能指令 如表3.1。
在8位元的二補數法中可表示-128～+127，用在溫度上之數值如表3.2所示，而 本次實驗預設溫度為攝氏90度，在二進制表示法為01011010B，十六進制的表示法 為5AH。當量測到溫度超過DS1821內部暫存器所設定之值後，DS1821就會輸出一 訊號以利單晶片啟動下個執行動作。
圖3.8 DS1821 接腳（達拉斯公司）
表3.1 DS1821 功能指令
指令 功能 指令碼
讀取溫度 讀取結果暫存器的値 AAh
開始測溫 測量溫度，使結果暫存器變為現在溫度 EEh
停止測溫 測溫過程中停止測溫動作 22h
寫入資料至TH 設定上限暫存器溫度值 01h 寫入資料至TL 設定下限暫存器溫度值 02h 讀取資料至TH 讀取上限暫存器溫度值 A1h 讀取資料至TL 讀取下限暫存器溫度值 A2h
寫入資料至SR 設定狀態暫存器的値 0Ch
讀取資料至SR 讀取狀態暫存器的值 ACh
表3.2 DS1821 溫度/數據關係
溫度 數位輸出 (二進制) 數位輸出 (十六進制) 攝氏125 度 01111101 7Dh
攝氏90 度 01011010 5Ah
攝氏25 度 00011001 19h
攝氏0 度 00000000 00h
攝氏負1 度 11111111 FFh
攝氏負25 度 11100111 E7h
攝氏負55 度 11001001 C9h
3.4 電控裝置
自動化泡茶機相較於泡茶機其主要的不同就在於它具備有電控裝置，而 泡茶機控制器之設計需要不斷地研發與測試，通常以單晶片微處理器當整個 系統之控制核心，利用微處理器之數位類比轉換器將所有參數轉換成電壓值 輸出，搭配液晶顯示模組可設計出自動泡茶機所需之電控裝置。而單晶片處 理器是整個電控裝置的核心，接下來先介紹單晶片處理器具備是基本功能:
中斷控制、計時/計數器，再來介紹主要的核心:單晶片微處理器與液晶顯示器。
3.4.1 中斷控制
一般微控制器處理 I/O 的方式主要有三種:
1．程序執行，是以程式軟體的方式不斷的偵測輸入腳狀態或某些旗標，這個方 式的優點是程式較為簡單解容易維護但卻相當消耗CPU Time，且不能快速的 執行輸入信號會有一小段時間的延遲。
2．中斷控制，當 CPU 平常按照程式中的程序執行，若符合設定的中斷條件，例 如:I/O 腳信號或某些特定旗標，則 CPU 會停止目前進行中的工作而根據中斷 向量表跳到中斷服務程式中執行中斷工作，執行完中斷服務副程式後再回到 原主程式。優點是不會浪費太多的CPU Time 在執行輪詢動作，且能快速的偵 測到輸入信號。
3．直接記憶存取 DMA，適用於大量的資料傳輸，動作的原理為當有大量的資料 進行傳輸時，會透過DMA 通知 CPU 放掉 BUS 控制權，進而讓 DMA 控制器 接手控制 BUS，讓 RAM 能直接存取資料，一般使用在個人電腦上，單晶片 則較少使用。
3.4.2 計時/計數器
計時器為大部分的單晶片中內建的一項重要功能，其以固定時間間隔來累計 次數，並提供一個不被軟體程式流程所影響的固定時間間隔。計時器之累計由時 脈所驅動，其可為單晶片本身之工作時脈，只要在電路接上石英震盪器及電容就 可產生時脈信號，或由外部接腳所輸入之時脈；12MHz 石英震盪器經內部除以 12 後為 1MHz（1μs）內部基本的計時時間，即為一個機械週期。計時器的控制及工 作模式是由計時/計數控制暫存器（TCON）（表 3.3）及計時/計數模式控制暫存器
（TMOD）（表 3.4）決定；兩種暫存器分別用來決定 T1 及 T0 之工作模式及中斷 執行的設定。
表3.3 計時/計數控制暫存器（TCON）－位址 88H
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 位 元 名 稱 功 能
D7 TF1 Timer1 溢位旗標：計時/計數器 1 溢位時，令 TF1=1 D6 TR1 Timer1 啟動位元：TR1=1 令計時/計數器 1 開始工作 D5 TF0 Timer0 溢位旗標：計時/計數器 0 溢位時，令 TF0=1 D4 TR0 Timer0 啟動位元：TR0=1 令計時/計數器 0 開始工作 D3 IE1 外部中斷1 的負緣旗標，接腳 INT1 的負緣信號會令 IE1=1 D2 IT1 外部中斷1 的觸發形式啟動位元；IT1=1，INT1 為負緣觸發 D1 IE0 外部中斷0 的負緣旗標，接腳 INT0 的負緣信號會令 IE0=1 D0 IT0 外部中斷0 的觸發形式啟動位元；IT0=1，INT0 為負緣觸發
表3.4 計時/計數模式控制暫存器（TMOD）－位址 89H
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0
位 元 名 稱 功 能
D7 GATE 決定是否由外部INT1(P3.3)來啟動 Timer1
GATE=1，Timer1 的計時/計數器由外部 INT1 及 TR1 啟動 GATE=0，由 TR1 啟動 Timer1
D6 C/T 計數及計時的選擇C/T=0，為內部計時；C/T=1，為外部計數
D5 M1 決定Timer1 操作模式
D4 M0 決定Timer1 操作模式
D3 GATE 決定是否由外部INT0(P3.2)來啟動 Timer0
GATE=1，Timer0 的計時/計數器由外部 INT1 及 TR1 啟動 GATE=0，由 TR0 啟動 Timer0
D2 C/T 計數及計時的選擇C/T=0，為內部計時；C/T=1，為外部計數
D1 M1 決定Timer0 操作模式
D0 M0 決定Timer0 操作模式
3.4.3 單晶片微處理器
在泡茶機的設計上，建議採用以下兩個單晶片微處理器，因為它俱備所有自 動化泡茶機所需之功能，並且有體積小之好處，不會佔有太多自動化泡茶機在設 計的的空間。
HT48FXX 系列是盛群半導體公司所推出的 Holtek 8 位元 I/O Type Flash MCU With EEPROM 微控制器，此系列 IC 採用先進的 CMOS 技術製造，因為具有低功率消 耗、高執行速度的特性。其內建看門狗計時器、可程式計數器、EEPROM、省電模 式、低電壓自動重置電路及雙向 IO 等強大功能。
HT48XX 的特點如下：
1． 工作電壓：2.2 伏特~5.5 伏特(fsys=4MHz)；3.3 伏特~5.5 伏特
2． 能多次燒錄的 Flash Type 程式記憶體(Program Memory)：1K×
14(HT48F06E、HT48F10E)、2K×14(HT48F30E )、4K×15(HT48F50E )、
8K×16(HT48F70E )。
3． RAM 資料記憶體：×8(HT48F06E、HT48F10E) 、96×8(HT 48F30E )、
160×8(HT 48F50E ) 、224×8(HT 48F70E )。
4． EEPROM 資料記憶體(Data Memory)：×8(HT48F06E、HT48F10E、
HT 48F30E )、256×8(HT 48F50E 、HT 48F70E )。
5． 具有輸出電阻的雙向 IO：(HT48F06E)、(HT48F10E、
(HT48F30E )、33(HT48F50E)、(HT 48F70E )。
6． 提供一個外部中斷以及 1~3 個內部中斷(ADC、Timer/Event Counter、
I2C BUS)。
7． 具溢位中斷與八位元預除功能的 16-Bit/8-Bit 計時器/事件計數器。
8． 可以偵測兩個外部時脈輸入。
9． 石英震盪或 RC 震盪的系統時脈。
10． 具有看門狗 WDT 的功能，使系統更加穩定(及萬一當機時，系統具有自 動恢復之功能)。
11． 提供 PFD(Programmable Frequency Divider)，可作為音效之產生器。
12． 提供省電與喚醒的電源管理模式。
13． 低電壓自動重置電路：在電源電壓不穩或電源需要連續開關的系統 中，很可能會有 RESET 不良的問題發生，使的社記者不得不在系統中 再加上一些電路以克服此一問題，但圖增加了系統之成本！HT4XX 系列將電源下降偵測的功能設計在微控制器內部，提供使用者多一項 選擇。
14． 在 Vdd=5 伏特、系統頻率 8MHz 條件下，指令週期為 0.5μs。
15． 63 個高功能指令，因為『精簡指令(RISC-like)』，可說是易學、易懂、
易上手。HT48XX 微控制器一個指令週期只需要 1 至 2 個機械週期的時 間，而且除了改變 PC(Program Counter)值的指令與查表指令需要兩 個指令週期之外，其餘的指令都需要一個指令週期的執行時間。
16． 堆疊深度：二層(HT48F06E)、四層HT48F10E、HT 48F30E )、六層(HT 48F50E)、十六層HT 48F70E )。
17． Flash 程式記憶體與 EEPROM 資料記憶體可以重複燒路十萬次且資料儲 存十年以上。
除了上述的特點之外，盛群半導體公司已提供了相當完善的發展工具，如 HT-ICE 以及完整的整合是發展環境(HT-IDE3000V6)…等等，HT-IDE3000 中的軟硬 體模擬功能(VPM)更能讓使用者在位階硬體電路的情況下，先行驗證程式的功能，
了如此完整的開發環境，除了可以節省產品開發的時間外，更可以使初學者在短 時間之內瞭解 HT 系列微控制器之特性及產品開發的技巧。其接腳如圖3.9 所示，
其各接腳之功能如表3.5 所示。
圖3.9 HT48F50E 接腳（Microchip Technology Inc.）
表3.5 HT48F50E 接腳之功能 接腳名稱 輸入輸出 模式選項 說明 PA0-PA7 輸 入 / 輸
出
提升電阻 喚醒功能
CMOS/Schimitt 觸 發
8 位元雙向輸入/輸出埠，每一 位元能設定是否為喚醒輸入。
(可以經由設定決定是否具有提 升電阻)
PB0/BZ PB1/BZ PB2~PB7
輸 入 / 輸 出
提升電阻 BZ/BZ
8 位元雙向輸入/輸出埠，可以 經由軟體指令設定為 CMOS 輸出 或 Schimitt 觸發輸入。(可以經 由設定決定是否具有提升電阻) PC0~PC7 輸 入 / 輸
出
提升電阻 8 位元雙向輸入/輸出埠，可以 經由軟體指令設定為 CMOS 輸出 或 Schimitt 觸發輸入。(可以經 由設定決定是否具有提升電阻) PD0~PD7 輸 入 / 輸
出
提升電阻 8 位元雙向輸入/輸出埠，可以 經由軟體指令設定為 CMOS 輸出 或 Schimitt 觸發輸入。(可以經 由設定決定是否具有提升電阻) PG0/INT 輸 入 / 輸
出
提升電阻 1 位元雙向輸入/輸出埠，可以 經由軟體指令設定為 CMOS 輸出 或 Schimitt 觸發輸入。
TMR0 輸入 定時/計數器 0Schimitt 觸發輸
入。
TMR1 輸入 定時/計數器 1Schimitt 觸發輸
入。
OSC1 OSC2
輸入 輸出
晶體震盪 或晶片震盪
OSC1 和 OSC2 連接 RC 或晶片震 盪以產生內部系統時脈，在 RC 方式下，OSC2 為時脈輸出埠。
RES 輸入 低電壓驅動
VDD 正電源
第二款自動化泡茶機建議使用之單晶片微處理器為由愛特梅爾公司（Atmel Co.）所生產之 AT89S51 單晶片微處理器，是一種以互補式金屬氧化層半導體 (CMOS)製作的低電耗、高性能的 8 位元微處理器，其執行效率高，能與 MCS-51 產品相容。其特性：工作電壓：5 伏特、工作頻率：0~33MHz、內部程式記憶體：
4KB、內部資料記憶體：128KB、四組 I/O 阜（P0、P1、P2、P3）、兩組 16 位元之 計時/計數器、五個中斷源、一組串列阜（UART），其接腳如圖 3.10 示。
圖3.10 AT89S51 接腳（ATMEL Co.）
在實驗裝置上，使用之電源供應器為9 伏特，但單晶片輸入的電壓為 5 伏特，
因此必須在電源輸入之前加入一7805 穩壓 IC 形成一穩壓電路（圖 3.11），將輸出 電壓維持5 伏特輸入 AT89S51 單晶片（圖 3.12）。
圖3.11 穩壓電路
圖3.12 AT89S51 基本電路
3.4.4 LCD 顯示器
液晶顯示器為目前使用最廣泛的顯示裝置之一，諸如計算機、電子儀器、事 務機器、電器產品、筆記型電腦等。LCD 能顯示大小寫英文字、數字、日文字、
與特殊符號等各種字型，LCD 本身不發光必須藉由外界光的反射才能看見圖象，
與 LED 顯示原理不同，LED 本身即具有發光的能力，所以在夜間使用時，需要在 LCD 背面加裝光源，稱為背光。但是 LCD 顯示器的功率消耗很小，而且以低電壓 驅動，所以非常省電。LCD 模組是由 LCD 顯示器、LCD 驅動器、LCD 控制器所組成。
其控制器介面電路方塊，如圖 3.13 所示。
圖3.13 LCD 控制器介面電路方塊
LCD 內部結構：顯示資料記憶體(DD RAM)有 80 個位址，HD44780 晶片最多可同時 顯示 80 個字型。各種 LCD 模組位址對映如表 3.6：
表3.6 各種 LCD 模組位址對應
28×2 LCD 模組位址
20×2 LCD 模組位址
16×2 LCD 模組位址
字元產生器(CG RAM)，可由使用者自行設計 8 個 5X7 字型，每一個 5X7 自行需要 8 個位元組，所以 CG RAM 共有 64 個位元組，其位址為(00H~3FH)。各種 LCD 模 組與定型碼對映，如表 3.7 所示
表3.7 各種 LCD 模組與字型碼對應
使用者不可以更改其內容，只要將 22 字型碼寫入 DD RAM 中，即可在 LCD 指定位 址上顯示其字型(表 3.8)。
表3.8 HD44780 晶片
雖然 LCD 的接腳因製造廠商的不同，而有不同的排列方式，不過大部份的 LCD 模 組都具有相同的控制方法，也都有 14 隻接腳(表 3.9)。
表3.9 LCD 模組之接腳
LCD 內部旗號與暫存器：
1．忙碌旗標 Busy Flag(BF)：BF 旗標是 LCD 用來告訴 CPU 其內部是否忙碌中的 一個旗標，若 BF=1，表示 LCD 正在處理內部的工作，所以在此時不能將資料寫入 LCD，當 BF=0，表示 CPU 可將資料寫入 LCD。當接腳 RS=0 且 R/W=1 時，忙碌旗標 會由 DB7 輸出。
2．暫存器：LCD 模組內只有 2 組 8 位元暫存器，稱為指令暫存器和資料暫存器，
它們都是 8 位元暫存器，由 RS 腳來選用。指令暫存器 IR 用來接收單晶片送來的
命令，例如清除顯示，功能設定等等，資料暫存器 DR 則用來接收單晶片要寫到 DD RAM(共 80Byte)或 CG RAM(共 64Byte)的資料緩衝區。當單晶片寫到 DR 暫存器 之後，LCD 內部的控制電路會將資料自動寫到 DD RAM 或 CG RAM 中，而位址是由 LCD 內部的位址計數器所指定，而單晶片要讀取資料時，需先將欲讀取的位址放 入 IR 暫存器中，LCD 就會將其內容放入 DR 中，然後單晶片就可以去讀取 DR 的 資料。
3．位址計數器 AC：位址計數器是用來指定欲存取的 DD RAM 和 CG RAM 的位址，
設定指令將位址寫入 IR 暫存器之後，LCD 內部控制電路會將 IR 暫存器的內容送 至 AC，當資料存取之後，AC 便會自動加一或減一。
4．字元產生器 (CG ROM)：LCD 內部有一個存放字型的 ROM，裡面存著 192 個 5X7 點矩陣的字形，這些字型由存放在 DD RAM 中的 ASCII 碼叫出來顯示，例如：”A”
的字型碼為 01000001(即 41H)。
5． 自創字型產生器：LCD 模組除了提供標準的字型 CG ROM 供使用者使用之外，
還提供了一塊 64 位元組的 CG RAM 空間，給使用者存放自己設計的字型。一個字 要 8 個位元組，因此最多可存放 8 個字元。要顯示出自己的字元時，須先將 5X7 點矩陣圖形放入 CG RAM 中，而要叫出字元時，其字型碼為 00H~07H。
3.5 補充試驗
來補充試驗為因應改良自動泡茶雛形機(陳，2010)所做，欲設計出適合滲濾式 壺之控制器，主要欲改良自動泡茶雛形機(陳，2010)之整體設計過於簡單、其控制 器常常不能作動等。首先將滲濾式壺針對自來水與不同的茶種去做實驗，再加以 分析，實驗茶種包括:普洱茶、烏龍茶和鐵觀音茶。
3.5.1 自來水測試
本實驗使用的水量為150 毫升，並採用 PT100 溫度感測器。起始溫度為攝氏 20 度，至 10 秒時溫度才上升至攝氏 20.9 度，因此 0～10 秒間之區域為死區；當 加熱時間至120 秒溫度達到最高攝氏 96.8 度，溫度感測器開始中斷加熱並啟動保 溫裝置，因此 150 毫升水加熱時間約為 2 分鐘。持續至 15 分鐘時溫度降至攝氏 81 度；至 20 分鐘時，溫度下降至攝氏 77 度並保持恆溫不變。其結果如表 3.10 與 圖3.14 所示
表 3.10 煮水測試結果
時間(s) 0 10 40 60 90 120 300 600 900 1200 溫度(℃) 20 20.9 50 68 87.3 96.8 90.7 86 81 77
煮水測試
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 時間(s)
溫度(℃)
3.5.2 普洱茶
本實驗之起始溫度為攝氏20 度並搭配 PT100 溫度感測器。使用滲濾式壺沖泡 普洱茶，其600 毫升之水量加熱總時間約為 5 分鐘，沸水與熱蒸汽不斷循環並萃 取茶葉，在時間 3 分鐘時茶香四溢；持續加熱至 5 分鐘時，溫度上升至攝氏93.5 度開始中斷加熱，於 5 分鐘 15 秒時溫度持續升高至最高點攝氏 97.9 度，之後便 開始慢慢下降，至12 分鐘時，溫度仍維持恆溫在攝氏 81 度。其曲線如圖 3.15 所 示。
圖3.15 普洱茶 時間-溫度曲線
3.5.3 烏龍茶
本實驗之起始溫度為攝氏 20 度並搭配 PT100 溫度感測器。使用滲濾式壺沖泡 烏龍茶，其600 毫升之水量加熱總時間約為 5 分鐘，沸水與熱蒸汽不斷循環並萃 取茶葉，在時間 3 分鐘時茶香四溢；持續加熱至 5 分鐘時，溫度上升至攝氏 94 度開始中斷加熱，於 5 分鐘 15 秒時溫度持續升高至最高點攝氏 97.9 度，之後便 開始慢慢下降，至12 分鐘時，溫度仍維持恆溫在攝氏 81 度。其曲線如圖 3.16 所 示。
圖3.16 烏龍茶 時間-溫度曲線
3.5.4 東方美人茶
本實驗之起始溫度為攝氏 20 度並搭配 PT100 溫度感測器。使用滲濾式壺沖泡 東方美人茶，其600 毫升之水量加熱總時間約為 5 分鐘，沸水與熱蒸汽不斷循環 並萃取茶葉，在時間 3 分鐘時茶香四溢；持續加熱至 5 分鐘時，溫度上升至攝氏 93.6 度開始中斷加熱，於 5 分鐘 20 秒時溫度持續升高至最高點攝氏 95.5 度，之後 便開始慢慢下降，至12 分鐘時，溫度仍維持恆溫在攝氏 79.5 度。其曲線如圖 3.17 所示。
圖3.17 東方美人茶 時間-溫度曲線
就以上實驗的結果，可以看出，其實以滲濾式壺去沖泡不同的茶種，其間的 溫度曲線差異是非常的細微，甚至可以把這些細微的差距當成是實驗時外在因素 的不同，如: 溫度、溼度等，而造成的。主要希望得到的功能是就不同的茶種用不 同的溫度下去做沖泡並能得到好的茶，因為不同醱酵程度的茶種其所需沖泡熱水 溫度差異性是非常大的。欲改良滲濾式壺成為自動化泡茶機，此研究建議保留滲 濾式壺本體，就控制器上單純地去做改變。
大部分人泡茶時，對於任何的茶種，均是將茶葉放入茶壺內後，以攝氏 100 度高溫滾燙之熱水沖泡，並不考慮不同茶種具有不同的特性，導致高水溫或高蒸 氣壓力將茶葉中的過多茶鹼萃取出來，使茶過於苦澀。
因此設計出此控制器主要是改良自動泡茶雛形機之研發(陳，2010)之泡茶雛形 機下去做研發，以解決上述的困擾。
此控制介面如圖 3.18 所示，其使用方法為: 先開啟開關鈕，再選擇杯數，最 後選擇想要的茶種，當沸騰的水溫降到特定茶種需要的溫度時，即開始沖泡。
圖3.18 控制器設計概念
3.6 其他
3.6.1 固態繼電器
固態繼電器(圖 3.19)是利用一顆 LED 與一顆光電晶體作成之光耦合器，觸發 矽控整流體（SCR）或雙向矽控整流器（TRIAC），因此可以接受低壓（DC 或 AC）
信號輸入，而驅動高壓之輸出，具隔離輸出入及控制高功率輸出之效果。固態繼
靜無聲。其優點：開關速度快、工作頻率高、使用壽命長、雜訊低和工作可靠。
固態繼電器可取代常規電磁式繼電器，廣泛用於數位程式控制裝置，並應用 在較大負載的電器驅動上，自動泡茶雛形機電路中導通滲濾式壺加熱的即是固態 繼電器；將其串連在加熱器的正端與地端，當電路導通後，即可開始加熱壺內水，
用來控制加熱器開或關。
圖3.19 固態繼電器
3.6.2 電磁式流量計
電磁式流量計是依法拉第定律為量測方式，如圖 3.20 所示其特點是無阻礙 流，當一移動的導體經過磁場時，會產生電壓作用，故流體需要輕微的引導。
電磁式流量計的主要組成，是管內裝有非導體材料、兩個電磁圈，兩個電極 置於管壁上，是 180 度分開，導體可感應出受流體所產生的電壓大小，因為要產 生的電壓直接和流速成正比，較大的流量率產生一較大的電壓。一個重要的特性 是，它的輸出完全和溫度、黏滯度、比重或紊流無關，不論管的直徑大小，從5 公 厘到幾公尺 都可適用。
圖3.20 電磁式流量計
第4章 初步整合設計芻議
茶類飲料雖然非常普遍，但一般沖泡，均是透過人力分段處理，先行加熱，
取茶葉放入浸泡，再等浸泡完成，瀝取茶湯等待，逐步進行茶葉之沖泡，沖泡條 件完全憑沖泡人經驗拿捏，按以不同品質茶葉，各類條件之控管本就十分不易，
一般泡茶時並無法精確掌控熱水之溫度及沖泡之時間，導致沖泡完成之茶水味道 不如預期; 又或者不同人沖泡，會有不同的品質差界，穩定性和一貫性很低，以現 代人的需求，不同時間泡出來的茶，說不定品質就差非常多了，這不是我們想要 的結果，我們想要的結果是能維持一定的品質，但現代人生活忙碌，沒時間去研 習手泡茶之要領，又想喝到一杯好的茶，因此，有改良泡茶方法之必要。
4.1 控制器
在這個電腦科技日新月異的時代，處理器的速度愈來愈快，從雙核心現在已 經進展到四核心，甚至以後的八核心、十六核心，因此，在泡茶機的應用上以電 腦處理器統一控管的是非常必要的。而且現在人手一機的智慧型手機，更讓我們 了解到未來的自動化產品必將結合手上的智慧型手機或是平板電腦下去做控制才 能達到便利的目的，不會增加使用者的困擾。電腦處理器統一控管的方法的第一 步是附加電腦相關的記憶儲存模組(圖 4.1)，其中可分為固定模組及預留記憶儲存 模組； 其中固定模組可設定已知之條件，例如:普洱茶需要一百度以上的滾燙熱 水沖泡，並採用密實的茶壺沖泡；相反地，綠茶等發酵程度較低的茶種必須採用 低於沸點的水溫下去沖泡，並採用有大通氣孔壺蓋的茶壺，當使用時，僅選擇所 需之條件，電腦即可自動進行自動泡茶之程序，而預留記憶儲存模組，是可變動 之存取模組，用以記錄特定的需求，例如:今日泡一種特定的茶種，我們之前並沒 有泡過這種茶，我們即可將此特定茶種沖泡所需之各條件輸入預留記憶儲存模組。
圖4.1 記憶儲存模組儲存概念
而沖泡茶所需要有的設定有以下幾個，時間設定、水量設定、溫度設定、沖 泡設定、冷卻溫度設定等條件(圖 4.2)，要知道特定茶種之沖泡最佳條件，我們有 以下的幾個方法:
1．時間設定：在單晶片微處理器上設定啟動時間後，計時控制器開始計時，其 間其他，例如：水量設定、溫度設定、沖泡設定、冷卻設定等，關閉不作用，
等到設定時間到達預先所設定之時間時，其他的設定開始作用，開始進行對 特定茶種的沖泡作業，此其間同時設定值向下導通，最後冷凍機制開始啟動，
進行冷卻作業。
定作業，每個茶種依比例需要的水量都不一樣。
3．溫度設定：首先先設定加熱器直接對水加熱至沸騰攝氏 100 度，以確保茶湯 的品質，再來設定所需冷卻之溫度，每種茶種沖泡時所需的溫度都不一樣，
等到沸騰後降溫至所需之溫度時開始對茶葉進行沖泡的動作。
4．沖泡設定：利用單晶片微處理器之時間控制器，設定沖泡時間，等到沖泡結 束後，啟動茶湯輸送裝置將泡好之茶湯放入冷卻桶中。
5．冷卻設定：依個人的喜好可預先設定冷卻溫度及冷卻時間，當茶湯輸送裝置 將泡好的茶湯送入冷卻桶時，開始急速降溫，冷卻馬達開始作用，直接對茶 湯本身強制降低至所需之溫度，這樣的茶湯即可依當時泡茶者的需求，泡出 泡茶者所需的溫度，並飲用。
圖4.2 整合設計概念
4.2 觸控式控制器
傳統透實體熱鍵整合的消費性電子產品，改換成觸控介面取代熱健後，不只 是在硬體的設計減省了許多易故障的實體按鍵設計，也讓產品具備更人性化的操 作體驗，其形成一股強大的整合趨勢，朝向可取代更繁複的操作動作與更便捷的 多點操控應用方向持續發展，未來將掀起一波整合觸控操作的熱潮，從產品的開 發角度觀察，雖然觸控技術早已推出許多年，而相關應用亦趨向成熟，但其商品 化的動作還沒有很普及，就消費性電子產品而言，如何將操作者的繁複操控、應 用動作，轉換成更為直觀、簡便、且可易於記憶反覆操作執行的體驗，這是使用 者介面計設需面對的挑戰，而將其使用者介面推向泡茶機更是自動化泡茶機未來 設計的趨勢，因此有鑑於現今社會觸控螢幕的科技大增，同時也可設計出一個專 為自動化泡茶機所設計的觸控介面概念。
4.3 整體設計芻議
設計就是組合一群既有的東西使它變成新的或是用一種新的方式將現存的東 西 加 以 安 排 以 滿 足 實 際 的 需 要 。 好 的 設 計 需 要 兼 顧 分 析(Analysis) 與 合 成 (Synthesis)。分析通常是透過模式(Model)將實際問題加以簡化，它所關心的是如何 將問題分割成易於處理的部分。至於合成則是將分析後所完成的各單元加以組合 成為可工作的實體，這是設計的主要重點。
設計是一系列模組化的創作程序，它是由許多設計操作組合而成。在每一操 作過程中都需要資訊的來源。資訊來源可分為一般資訊、特殊資訊及操作反應資 訊三種。一般資訊是指可以從文獻資料、工業技術或商業訊息得到的資訊，包括 零件規格、材料強度及有關廠商產品之資料手冊。特殊資訊則是指關於機械所欲 處理對象物之性質、工廠加工方式及個人的經驗累積。操作反應資訊則是設計操 作後經由評估、試驗、使用結果所得到的反應訊息。
一旦獲得需要的資訊以後，設計工程師(或設計團隊)就可以藉著使用適當的專 業知識及計算方法或試驗工具來進行設計操作。在此階段中可建立一數學模式並 用電腦來進行模擬，或者也可建立一實際尺寸的模型來進行試驗。每當在模擬或 試驗完畢以後，即可根據得到的結果來進行評估。評估結果若為可行則可進行下 一個設計操作; 反之則需要再重複此步驟。此時模擬或試驗所得的結果即是操作反 應資訊，它應與評估檢討後所得的新資訊加以結合以完成此階段的設計操作。
當一個問題產生以後，首先就應將問題加以分析，並將其簡化成幾個小子題，
然後再針對每個小子題加以分別解決，等到所有的小子題都得到適當的解決以 後，則再將所有的小子題組合在一起，如此即能有系統的完成設計工作。簡化後 的設計程序可如圖4.3 自動化泡茶機設計程序基本模式流程圖所示，即使最複雜的 系統在分解成系列的模組以後都可應十此一模組概念加以解決。
如前所言，設計是一系列的創作程序，事實上所有新的創作都是從嚐試錯誤 中得來。由於設計操作後的結果需要進行評估，因此也就造成需要不斷地重複進
行設計操作。正因設計程序有重複性的特質，因此它就可根據先前的結果提供一 個改進設計操作的機會，如此也就能一步一步地找出最合適的設計方案。
圖4.3 動泡茶機設計程序基本模式流程
有關機械設計的過程它除了需要理論的根據之外，同時還需考慮到經濟與實 用的問題。因此在自動化泡茶機的開發過程中，我們一直以考慮到一般民眾的使 用立場為主，秉持著精簡的原則，期能減小自動化泡茶機的機械本體體積，精緻 化整個流動系統，讓自動化泡茶機泡出來的茶能更接近傳統泡法泡出來的茶湯品 質。並且降低生產成本，以期待在市場價格上更具有競爭力。
本研究的設計方法就是根據此立場與原則，再與「模組化」的設計理念配合，
擇是經由機械製圖與功能評估結果而定。其後並以試驗結果作為各機械修改的參 考依據，直到其能達到所需的功能為止。等到完成各機構設計後，最後再將各機 構加以整合、試驗，如此即可完成自動化泡茶機的開發。
自動化泡茶機機械的設計流程(圖 4.4)。此步驟的主要目的是進行自動化泡茶 機的功能分類及自動化泡茶機各機構設計方案。
在進行自動化泡茶機機構設計前首先必須瞭解自動化泡茶機欲解決的問題為 何，然後根據此問題將自動化泡茶機之機構依功能作適當的分類，之後並參酌文 獻資料中類似之泡茶機設計及商業產品中其他機器類似機構之設計，以作為各機 構設計方案之參考。在機構設計完成以後則需進行評估，評估時是以功能是否完 備？體積是否太大？茶水流動過程是否過於複雜？為評估標準。評估結果若可 行，則可進行下一機構設計或同一機構其他型式之設計；若是不可行，則需重複 此設計步驟直到有可行之方案為止。
圖4.4 自動泡茶機設計流程
4.3.1 整合自動化泡茶概念機(一)
本泡茶機是參考市面上美式咖啡機與泡茶機自動控制裝置之研究(杜，2008) 之機型而做之研究與改進，再配合茶與咖啡不同的性質所設計。整合自動化泡茶 概念機(一)其組成由：泡茶桶、緩衝桶、承接桶、冷卻管、加熱裝置、控制模組、
一風扇、二電磁閥組合而成。
整合自動化泡茶概念機(一)(圖 4.5)其泡茶程序有分三個階段:
1．注水程序:電源啟動，加熱裝置開始動作，加熱到一定的溫度，水注開始 進入泡茶桶，到一定的高度時，控制模組裡有液面感測器，可偵測液面 的高度，至預設的高度參數時即停止進水。
2．沖泡程序:泡茶桶承接加熱裝置送入至熱水，同時泡茶桶內具備一具有多 網孔之內桶，可放置茶葉，以達沖泡之功能。泡茶桶的下方有一個緩衝 桶，用以承接泡好的茶湯之用，而該緩衝通底部設有一電磁閥連接一出 水口。
3．盛裝取用程序:茶湯經過緩衝桶後，來到一冷卻管，其外部有一風扇，可 快速冷卻茶湯，茶湯冷卻後來到一承接桶，用以承接冷卻之冷茶。其外 有一外接管，以供想品茶的人享用。
圖4.5 整合自動化泡茶概念機(一)
4.3.2 整合自動化泡茶概念機(二)
傳統泡茶所需的工具(圖 4.6)，有煮水壺、加熱器、泡茶瀘網、泡茶杯和喝茶 杯。作法是將茶葉放在瀘網中，啟動煮水器煮水，等待水沸騰達攝氏 100 度；水 沸騰達攝氏 100 度之後沖泡，等待茶葉浸泡時間；最後，將茶倒入喝茶杯飲用。
由於這些步驟都是分開處理，所以泡茶者常常要留心每一個環節所需的時間，耐 心等待。例如在煮水到沖泡過程約需要5 到 10 分鐘的等待，有時候泡茶者一不留 心，水已經沸騰許久，或是因為有些煮水器自動沸騰達攝氏 100 度停止而降溫，
不得不再重新加熱，除此之外，沖泡開始至茶倒出的這段時間就更重要了，因為 它會直接影響所泡出茶的滋味；茶葉浸泡時間過長，味道變得苦澀，過短則會造 成茶太淡而失去風味。若還要考慮不同品種的茶葉所需的不同時間，那就更複雜 了，這往往使想要泡茶的人覺得麻煩而望之怯步。
整合自動化泡茶概念機（二）是取代傳統泡茶的過程中，煮水、沖泡、等待、
倒茶等步驟，每一都需要親自等待和動手完成的泡茶方法，而以完全自動化設計，
輕鬆完成泡茶的目的。
整合自動化泡茶概念機（二）其組成由：外機體殼、煮水區、泡茶區、含有 冷卻液之冷卻區、二水位計、二溫度計、二電磁閥、二水泵組合而成。
圖4.6 傳統茶具
整合自動化泡茶概念機(二)(圖 4.7)泡茶步驟如下:
1．煮水區置入冷水，當水位計量測到水位已高於最低水位，將選定好的茶 葉置入茶葉濾網裡。
2．啟動加熱器開始煮水。
3．水沸騰時溫度計回饋顯示已攝氏 100 度，停止加熱。
4．第一電磁閥與第一水泵同時啟動，將沸水由管路輸至泡茶區直到泡茶區 之水位計顯示滿水位為止。
5．當泡茶區之水位計回饋訊號表示水量已達到預計水位時，關閉第一電磁 閥與水泵。
6．茶進入含有冷卻液之冷卻區
圖4.7 整合自動化泡茶概念機(二)
4.3.3 整合自動化泡茶概念機(三)
本泡茶機(圖 4.8)，主要考慮營業使用，其目的是可針對各種類別之茶葉注入 不同適當溫度之水進行沖泡，且可控制適當之浸泡時間，進而泡出好茶。
其機體上裝設三個熱水桶，此三個熱水桶分別連接具有電磁閥之進出水管 路，且以可控制三個熱水桶分別具有不同的溫度以適於各種特色茶葉，一個熱水 桶下連接兩個沖泡桶，沖泡桶內各有一個濾泡器，此濾泡器可藉由馬達上下移動，
因此針對不同特色茶種皆可沖泡出好的品質，以免特定的茶葉在沖泡桶中浸泡過 久使茶變差。
圖4.8 整合自動化泡茶概念機(三)
第5章 結論與建議
5.1 結論
本研究主要是整合從前之泡茶雛型機種以期能研發出更符合市場需求的自動 化泡茶機。為因應各種茶類之不同製程，例如:兒茶素發酵程度，而有不同沖泡溫 度進行整合，參考泡茶器具與咖啡機之機構元件、升溫元件與開關閥門來模擬泡 茶機的整體運作; 並在泡茶機的整體設計流程上做初步的整合。
改善茶葉在熱水中浸泡的時間過久造成茶湯滋味不佳，或是茶湯溫度不符合 特色茶種等以往自動化泡茶機設計最常出現的缺點，研究主要參考泡茶的多種方 法進以選用適當者，用以整合以往設計者之控制器設計概念與機構設計概念。
本研究以泡茶雛型機為基底整合自動化技術設計符合商業化需求的泡茶器 具，整合自動化泡茶概念機三種設計，並提出泡茶機的整體設計方法。
5.2 建議
本研究建議:
1．未來的研究在控制總系統由電腦處理器統一控管，並附加電腦相關的記憶儲存模 組，以方便在控制器上的研發。
2．在自動化泡茶機的時間設定、水量設定、溫度設定、沖泡設定和冷卻設定皆需因 應實際的需求做良好的調整
3．在外觀方面可以追求更具美感之設計，在降溫系統希望可以有更迅速的方式，因 為每個台灣特有茶所需之沖泡溫度都不同，但煮沸的水都要達到攝氏 100 度之 後才能確保飲用的安全性，所以降溫系統的迅速與否是很重要的，才能以最快 的速度泡出最佳的好茶。
4．本研究主要提出概念機之設計，未來應先製造出實驗機，再製造出雛型機，經過 多方改善後才能商品化。
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