多功能智能温控奶瓶设计

◎ 骆馨仪，张 敏，王淑琪，沈宜君，王志伟，史倩萌，桑丽萍

（1.青岛黄海学院 学前教育学院，山东 青岛 266427；
2.青岛黄海学院 智能制造学院，山东 青岛 266427）

1.1 国外研究述评

国外对于智能温控奶瓶的研究仅仅停留在各个功能方面，并未对集温控、搅拌与安抚三功能于一体的智能温控奶瓶进行研究。美国Johnson Solid State LLC对温控系统和操作方法进行了研究，并申请了奶瓶内部温控系统操作方案的实用新型专利[1]。该专利中的部分思路可以借鉴并且运用到本项目的温控系统中。

同时，外国婴幼儿奶瓶类企业基本具有良好的运作模式，包括健全的公司管理机制、完善的生产销售和售后服务体系、长远的发展战略等。通过充分利用国内外专业院校的人力资源，各企业在生产流程、技术路径、产品外观等方面都有一定程度的创新。此外出台的国家政策及企业专项开发计划表明国外婴幼儿奶瓶企业已经形成了一个集生产、研究、创新于一体的大型综合体。这为多功能智能温控奶瓶能够在国际市场的发展提供了可能。

1.2 国内研究述评

国内市场拥有可以测温奶瓶的底座，却没有将这一技术运用到奶瓶瓶身，出现了使用不便捷的问题，而国内随着三孩政策开放，新生儿比例与日俱增，母婴用品市场规模扩大。中国报告网发布的《2016—2022年中国新型电子显温奶瓶市场规模现状与投资规划研究报告》[2]指出智能化或将成为婴儿奶瓶发展的大趋势之一，由单一产品到多元化的品类延伸模式将成为奶瓶制造企业规模化的核心路径，具有一定的投资价值及投资回报；
《2022—2027年中国新型电子显温奶瓶行业发展监测及投资战略研究报告》[3]指出奶瓶行业将越来越注重奶瓶的设计感、便捷性以及用户体验感；
王丽娟[4]提出了目前奶瓶温控系统智能化设计的趋势，并表示市场现有智能奶瓶仍有加工改造的空间。以上研究表明，多功能智能温控奶瓶研发具有切实可行性，其销售市场有广阔的发展前景。

2.1 研究目的

随着新生人口数量的增长及科学哺喂婴幼儿观念的普及，越来越多的家长选择有质量保证的奶粉品牌。在拥有高质量奶粉的基础上，家长会选择科学合适的冲泡奶粉方式，让婴幼儿更好地吸收奶粉中的营养物质，从而促进婴幼儿的生长发育，防止胃胀气、骨质疏松及缺铁性贫血等情况的发生。

奶瓶内部温度过低，会导致婴幼儿饮用奶粉时，奶粉不容易消化；
温度过高，会造成婴幼儿烫伤事故。随着国家三孩政策的开放，会有越来越多的婴儿出生，对智能温控奶瓶的需求量随之增大。目前，国际母婴市场上并没有出现智能温控奶瓶，而国内母婴市场上仅有测量奶瓶温度的底座，不方便随身携带供宝妈与婴幼儿使用。多功能智能温控奶瓶设计成功，不仅可以使婴幼儿喝到高质量的奶粉，在科学合理的冲泡方式下使高质量奶粉发挥最大作用，同时又可以防止婴儿在喝奶时烫伤或者因为温度过低而不消化。多功能智能温控奶瓶承担了奶粉的搅拌工作，减轻了家长的负担，同时搅拌的也更加均匀，可以防止婴幼儿被大块的奶粉噎住导致窒息。婴幼儿在喝奶的过程中，奶瓶还可以通过自身的音响功能安慰与陪伴正在哭闹中的孩子，减轻家长的负担。

2.2 研究内容

智能温控奶瓶的整体设计如图1所示。该奶瓶主要针对奶瓶内部的控温系统、搅拌系统和音响系统进行设计。

图1 智能温控奶瓶建模渲染图

2.2.1 温控系统的结构及工作原理

该智能温控奶瓶的温控系统包括SMTIR9901 热电红外温度传感器、温控AT89C51 芯片、LED 灯和显示屏结构。智能温控奶瓶内部先通过精确的温度传感器测量奶瓶内部液体的温度，然后传输到AT89C51 芯片，在芯片内部进行单片机的计算机编程，将温度设定为36～37 ℃，当温度高于或者低于标准温度，则将信息传输到红色LED 灯系统，则红色LED 灯亮起；
同时，将信号传输给制冷芯片。若测量温度位于设定的标准温度范围内，则将该信息传输到绿色LED 灯系统，则绿色LED 灯亮起。当测得的温度过高时，通过制冷芯片自动将智能温控奶瓶内温度降低，使其达到最适温度同时又可以达到奶粉的最佳饱和度；
当智能温控奶瓶长时间放置导致奶瓶内部温度下降时，通过恒温系统控制使得奶瓶温度保持在标准温度范围内。同时，在智能温控奶瓶表面的显示屏中显示奶瓶内部温度值，便于年轻父母监测奶瓶内部温度。该温控系统的程序运行主要依靠AT89C51 芯片来实现（图2）。该温控系统运用AT89C51 芯片，实现了对于奶瓶内部液体温度的控制，满足了年轻父母喂哺婴幼儿时知晓奶瓶内温度的需求。同时，该芯片使用方便、成本低、实用性强。

图2 温控系统内部电路图

2.2.2 搅拌系统的结构及工作原理。

该智能温控奶瓶的搅拌系统包括搅拌器与控制器。搅拌系统操作时搅拌器高速旋转，强制搅打，被调合物料相互间充分接触并剧烈摩擦，实现混合，将奶粉与水充分融合，使奶粉达到饱和溶液状态。搅拌器的旋转螺纹与奶瓶的瓶盖螺纹方向一致，因此搅拌器可自由拆卸，保证奶瓶的重量，使婴幼儿能独立使用。奶瓶外部设置控制器装置，该装置包含奶瓶内部搅拌系统的控制开关。

由于六叶片相较于其他叶片具有叶片数目多、能形成明显的对称循环涡流、扩散作用强、奶粉搅拌更加均匀等特点，因此搅拌装置采用六叶片搅拌器进行搅拌[5]。运用Solid Works 软件绘制搅拌器的三维立体模型图，如图3、图4所示。

图3 搅拌系统搅拌器三维模型图

图4 搅拌系统搅拌器与奶嘴螺旋纹组合三维模型示意图

2.2.3 音响系统的结构及工作原理。

该智能温控奶瓶的音响系统包括了USB 连接口及外置可拆卸蓝牙音响装置。音响系统中的音响装置拥有USB 连接口，可以连接奶瓶，实现音响系统的自由充电。父母可通过手机连接外置可拆卸蓝牙音响装置，装置运行时，内部音乐起到安慰陪伴婴幼儿的作用。同时，音响装置的可拆卸结构设计大大保证了奶瓶的轻便性。外置可拆卸蓝牙音响装置中的存储50～60 dB的巴洛克音乐、古典音乐及一些现代轻音乐，有助于提升婴幼儿睡眠质量[6-7]。此外，父母也可增加其他音乐于存储卡中或使用蓝牙模式播放，满足了父母与幼儿的个性化需求。外置可拆卸蓝牙音响装置内部结构如图5所示，内部电路如图6所示。

图5 外置可拆卸蓝牙音响装置内部结构图

图6 外置可拆卸蓝牙音响装置电路图

瓶身采用PPSU 材质进行加工，PPSU 材质不含双酚A，是一种进口食品级的奶瓶材质，具有较好的耐热性与耐用性，以及高度透明性、高水解稳定性，可以经受重复的蒸汽消毒并达到奶瓶使用的材质标准，并且安全无害。另外PPSU 材质具有轻便、耐摔的优点，材质的透明性为父母哺喂婴幼儿时提供了奶粉量的显示，方便父母哺喂，提供更好的亲子哺喂时光。

配套奶嘴采用仿生硅胶材质进行加工，奶嘴的设计要注重仿生与安全。仿生奶嘴可使婴幼儿拥有良好的使用体验。同时，从仿生学的角度出发，仿生奶嘴更人性化，更容易满足婴幼儿的心理与生理需求[8]。而在安全方面，采用了液体硅胶材质，具有无色、无毒、无味、耐高温与耐低温的特点，同时不含有双酚A，符合婴幼儿食用安全要求。与其他材质的奶嘴相比，液体硅胶奶嘴如同真实乳房般的设计和触感，使婴儿更爱喝奶。

基于AT89C51 微处理器，以单片温控系统为基底设计了兼有安抚音响、自动搅拌功能的可拆卸奶瓶。该奶瓶可以满足年轻父母对于婴幼儿奶粉适宜温度、奶粉标准饱和度与喝奶舒适度的需求，使奶瓶更加多功能化、智能化、安全化；
让父母的哺喂生活更加便捷化、高效化及轻松化；
婴幼儿能够安心、放心及开心地喝奶；
减轻年轻父母育娃压力，提升家庭幸福感。