多功能智能溫控奶瓶設計

◎ 駱馨儀，張 敏，王淑琪，沈宜君，王志偉，史倩萌，桑麗萍

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

1 國內外研究述評及項目研究現狀

1.1 國外研究述評

國外對于智能溫控奶瓶的研究僅僅停留在各個功能方面，并未對集溫控、攪拌與安撫三功能于一體的智能溫控奶瓶進行研究。美國Johnson Solid State LLC對溫控系統和操作方法進行了研究，并申請了奶瓶內部溫控系統操作方案的實用新型專利[1]。該專利中的部分思路可以借鑒并且運用到本項目的溫控系統中。

同時，外國嬰幼兒奶瓶類企業基本具有良好的運作模式，包括健全的公司管理機制、完善的生產銷售和售后服務體系、長遠的發展戰略等。通過充分利用國內外專業院校的人力資源，各企業在生產流程、技術路徑、產品外觀等方面都有一定程度的創新。此外出臺的國家政策及企業專項開發計劃表明國外嬰幼兒奶瓶企業已經形成了一個集生產、研究、創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際市場的發展提供了可能。

1.2 國內研究述評

國內市場擁有可以測溫奶瓶的底座，卻沒有將這一技術運用到奶瓶瓶身，出現了使用不便捷的問題，而國內隨著三孩政策開放，新生兒比例與日俱增，母嬰用品市場規模擴大。中國報告網發布的《2016—2022年中國新型電子顯溫奶瓶市場規模現狀與投資規劃研究報告》[2]指出智能化或將成為嬰兒奶瓶發展的大趨勢之一，由單一產品到多元化的品類延伸模式將成為奶瓶制造企業規模化的核心路徑，具有一定的投資價值及投資回報；《2022—2027年中國新型電子顯溫奶瓶行業發展監測及投資戰略研究報告》[3]指出奶瓶行業將越來越注重奶瓶的設計感、便捷性以及用戶體驗感；王麗娟[4]提出了目前奶瓶溫控系統智能化設計的趨勢，并表示市場現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具有切實可行性，其銷售市場有廣闊的發展前景。

2 研究目的及內容

2.1 研究目的

隨著新生人口數量的增長及科學哺喂嬰幼兒觀念的普及，越來越多的家長選擇有質量保證的奶粉品牌。在擁有高質量奶粉的基礎上，家長會選擇科學合適的沖泡奶粉方式，讓嬰幼兒更好地吸收奶粉中的營養物質，從而促進嬰幼兒的生長發育，防止胃脹氣、骨質疏松及缺鐵性貧血等情況的發生。

奶瓶內部溫度過低，會導致嬰幼兒飲用奶粉時，奶粉不容易消化；溫度過高，會造成嬰幼兒燙傷事故。隨著國家三孩政策的開放，會有越來越多的嬰兒出生，對智能溫控奶瓶的需求量隨之增大。目前，國際母嬰市場上并沒有出現智能溫控奶瓶，而國內母嬰市場上僅有測量奶瓶溫度的底座，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計成功，不僅可以使嬰幼兒喝到高質量的奶粉，在科學合理的沖泡方式下使高質量奶粉發揮最大作用，同時又可以防止嬰兒在喝奶時燙傷或者因為溫度過低而不消化。多功能智能溫控奶瓶承擔了奶粉的攪拌工作，減輕了家長的負擔，同時攪拌的也更加均勻，可以防止嬰幼兒被大塊的奶粉噎住導致窒息。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，減輕家長的負擔。

2.2 研究內容

智能溫控奶瓶的整體設計如圖1所示。該奶瓶主要針對奶瓶內部的控溫系統、攪拌系統和音響系統進行設計。

圖1 智能溫控奶瓶建模渲染圖

2.2.1 溫控系統的結構及工作原理

該智能溫控奶瓶的溫控系統包括SMTIR9901 熱電紅外溫度傳感器、溫控AT89C51 芯片、LED 燈和顯示屏結構。智能溫控奶瓶內部先通過精確的溫度傳感器測量奶瓶內部液體的溫度，然后傳輸到AT89C51 芯片，在芯片內部進行單片機的計算機編程，將溫度設定為36～37 ℃，當溫度高于或者低于標準溫度，則將信息傳輸到紅色LED 燈系統，則紅色LED 燈亮起；同時，將信號傳輸給制冷芯片。若測量溫度位于設定的標準溫度范圍內，則將該信息傳輸到綠色LED 燈系統，則綠色LED 燈亮起。當測得的溫度過高時，通過制冷芯片自動將智能溫控奶瓶內溫度降低，使其達到最適溫度同時又可以達到奶粉的最佳飽和度；當智能溫控奶瓶長時間放置導致奶瓶內部溫度下降時，通過恒溫系統控制使得奶瓶溫度保持在標準溫度范圍內。同時，在智能溫控奶瓶表面的顯示屏中顯示奶瓶內部溫度值，便于年輕父母監測奶瓶內部溫度。該溫控系統的程序運行主要依靠AT89C51 芯片來實現（圖2）。該溫控系統運用AT89C51 芯片，實現了對于奶瓶內部液體溫度的控制，滿足了年輕父母喂哺嬰幼兒時知曉奶瓶內溫度的需求。同時，該芯片使用方便、成本低、實用性強。

圖2 溫控系統內部電路圖

2.2.2 攪拌系統的結構及工作原理。

該智能溫控奶瓶的攪拌系統包括攪拌器與控制器。攪拌系統操作時攪拌器高速旋轉，強制攪打，被調合物料相互間充分接觸并劇烈摩擦，實現混合，將奶粉與水充分融合，使奶粉達到飽和溶液狀態。攪拌器的旋轉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，使嬰幼兒能獨立使用。奶瓶外部設置控制器裝置，該裝置包含奶瓶內部攪拌系統的控制開關。

由于六葉片相較于其他葉片具有葉片數目多、能形成明顯的對稱循環渦流、擴散作用強、奶粉攪拌更加均勻等特點，因此攪拌裝置采用六葉片攪拌器進行攪拌[5]。運用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 攪拌系統攪拌器三維模型圖

圖4 攪拌系統攪拌器與奶嘴螺旋紋組合三維模型示意圖

2.2.3 音響系統的結構及工作原理。

該智能溫控奶瓶的音響系統包括了USB 連接口及外置可拆卸藍牙音響裝置。音響系統中的音響裝置擁有USB 連接口，可以連接奶瓶，實現音響系統的自由充電。父母可通過手機連接外置可拆卸藍牙音響裝置，裝置運行時，內部音樂起到安慰陪伴嬰幼兒的作用。同時，音響裝置的可拆卸結構設計大大保證了奶瓶的輕便性。外置可拆卸藍牙音響裝置中的存儲50～60 dB的巴洛克音樂、古典音樂及一些現代輕音樂，有助于提升嬰幼兒睡眠質量[6-7]。此外，父母也可增加其他音樂于存儲卡中或使用藍牙模式播放，滿足了父母與幼兒的個性化需求。外置可拆卸藍牙音響裝置內部結構如圖5所示，內部電路如圖6所示。

圖5 外置可拆卸藍牙音響裝置內部結構圖

圖6 外置可拆卸藍牙音響裝置電路圖

3 材質的選擇

瓶身采用PPSU 材質進行加工，PPSU 材質不含雙酚A，是一種進口食品級的奶瓶材質，具有較好的耐熱性與耐用性，以及高度透明性、高水解穩定性，可以經受重復的蒸汽消毒并達到奶瓶使用的材質標準，并且安全無害。另外PPSU 材質具有輕便、耐摔的優點，材質的透明性為父母哺喂嬰幼兒時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光。

配套奶嘴采用仿生硅膠材質進行加工，奶嘴的設計要注重仿生與安全。仿生奶嘴可使嬰幼兒擁有良好的使用體驗。同時，從仿生學的角度出發，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，具有無色、無毒、無味、耐高溫與耐低溫的特點，同時不含有雙酚A，符合嬰幼兒食用安全要求。與其他材質的奶嘴相比，液體硅膠奶嘴如同真實乳房般的設計和觸感，使嬰兒更愛喝奶。

4 結論

基于AT89C51 微處理器，以單片溫控系統為基底設計了兼有安撫音響、自動攪拌功能的可拆卸奶瓶。該奶瓶可以滿足年輕父母對于嬰幼兒奶粉適宜溫度、奶粉標準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。