咖啡機控制板開發(fā)設計

目前咖啡已經(jīng)成為了世界三大飲料之一，咖啡壺也逐步成為我們家庭使用的常見電器之一?，F(xiàn)在市場上咖啡壺主要分為三種：虹吸式咖啡壺、滴漏式咖啡壺和泵壓式咖啡壺。目前各個電器廠家對咖啡壺進行了研究，如松下發(fā)明了泵式咖啡壺，可以通過重力作用將咖啡粉沖散，國內也有學者設計了可以實現(xiàn)準確溫控的咖啡壺。

然而，目前已有的咖啡機普遍存在成本較高且功能單一等缺點，這無疑影響了用戶的使用和咖啡機的市場。因此，我們設計了一款全自動多功能咖啡機系統(tǒng)，可以實現(xiàn)以下功能：①控溫功能：加熱到一定溫度后，加熱系統(tǒng)自動進入保溫模式。②控量功能：出水系統(tǒng)能夠自動控制出水量，達到規(guī)定出水量后自動斷水。③控濃度功能：通過機械裝置，可以控制出咖啡粉的量，跟控制流量功能聯(lián)系起來，就可以完成控制濃度功能。

一、咖啡機系統(tǒng)方案設計

本系統(tǒng)中咖啡機整體結構主要包括：水箱、加熱裝置、送料裝置、抽水泵、漏斗和濾網(wǎng)及溫度傳感器、壓力傳感器、電磁閥、按鍵面板等。其中水箱用于存儲水，加熱裝置用于加熱水，送料機構用于儲存及送咖啡料，電磁閥用于控帶咖啡量。

當檢測到水箱中水壓不足時，通過水泵將水送至加熱處，通過底部加熱絲加熱，同時溫度傳感器實時進行檢測。當通過鍵盤檢測到咖啡量及濃度后，打開電磁閥將沸水送至輸水管，通過分布板均勻灑落在盛有咖啡粉的過濾器中，即可得到咖啡。送料裝置包括三部分：放入咖啡的漏斗、存儲咖啡的轉盤及帶動其旋轉的電機。其中，存儲咖啡的轉盤被分為若干格，當電機帶動其旋轉時咖啡粉由于重力的作用落入過濾器中，通過電機轉動控制咖啡粉的量。

二、咖啡機的主要模塊設計

在整個系統(tǒng)中，主要實現(xiàn)的功能包括：溫度控制、濃度控制、出水量的控制。需要檢測信號包括：水箱的壓力信號、水溫信號以及用于人機交互的按鍵；需要控制的設備包括：上水到水箱的水泵、控制電熱絲加熱的繼電器、控制熱水通斷的電磁閥以及控制咖啡量的電機。

2.1主要控制芯片

單片機控制器主要用于計時、產生繼電器控制信號。AT89C51單片機是一種高效微控制器，具有低電壓、高性能的特點，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。

2.2溫度控制模塊

控溫模塊主要用于加熱裝置，溫度控制模塊能夠對溫度進行實時的測量并在顯示屏上顯示出來，便于用戶了解加熱情況。加熱絲通電之后給加熱壺中的水進行加熱，溫度傳感器對水溫進行實時的測量，并在顯示屏上顯示出來。在達到?jīng)_泡咖啡的溫度后，單片機控制加熱帶斷電。

DS18B20是一種常用的溫度傳感器，體積小，抗干擾能力強，使用范圍為一55℃至+125℃，固態(tài)測溫誤差為0.5℃，工作電壓為3.0～5.5V/DC，不需要任何外圍元件。

2.3流量控制模塊

流量控制模塊主要用于出水模塊，主要工作原理為：將壓力傳感器置于加熱裝置底部，可以通過測量壓力差對加熱裝置中水量進行實時監(jiān)測，通過電磁閥控制咖啡機出水，當達到規(guī)定出水量后，關閉電磁閥就可以停止出水。電磁閥通過壓力傳感器所傳遞的信號進行開閉，能夠控制所流出的熱水的重量。從而完成了控制流量的功能，當水位低于設定值時，通過水泵進水。

壓力傳感器選用HX711，參數(shù)可以直接輸出電壓信號，它安裝在加熱室底部，主要能夠對加熱室的水量進行實時的測量，并將水位實時顯示。

2.4濃度控制模塊

全自動咖啡機的送料機構設計為分格式圓盤，在其上方是存儲漏斗，底部為一個漏粉的小孔，在圓盤中間連接了電機；分格式圓盤內部被分成了12個等同的扇形，其中每個扇形的體積大概為半包咖啡粉的體積。此結構利用重力作用控制咖啡粉，通過電機帶動盒子旋轉，咖啡粉就會從底部的小孔漏出來。旋轉一個扇形的體積就可以漏出半杯咖啡所需的咖啡粉量，在熱水量的調和下，完成了控制濃度的功能。

三、咖啡機的調試

經(jīng)過構思、設計和實現(xiàn)環(huán)節(jié)，對咖啡機的硬件進行裝配，并結合軟件不斷的調試，目前該樣機已經(jīng)可以實現(xiàn)預期功能。(1)控制溫度。在單片機上按下加熱按鈕，電熱絲就會通上工作電壓，對加熱壺中的水進行加熱。它可以將溫度控制在所需溫度。在所需溫度之后，單片機就會讓控溫模塊的繼電器斷電，從而停止加熱。(2)控制流量。在單片機上按下出水按鈕，電磁閥通電使得通道打開，流出熱水。在流出規(guī)定量的熱水后，單片機就會讓控量模塊的繼電器斷電，從而停止出水。(3)控制濃度。通過制造完成的分格結構，在裝上咖啡粉之后，通過圓盤，咖啡粉從底部漏出，在一定量熱水的沖泡下，從而完成對濃度的控制。

總結

本系統(tǒng)設計了全自動咖啡機的控溫、控量和控濃度三個模塊的機械結構和控制系統(tǒng)，輔助報警、顯示等功能。通過單片機對壓力、溫度的實時檢測，并采用鍵盤進行人機交互，控制繼電器、電磁閥、水泵的通斷，在不斷調試的基礎上，可以實現(xiàn)控制溫度、控制流量、控制濃度三大功能，達到預期目標。

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