電器與工具
咖啡機(jī)控制板開發(fā)設(shè)計(jì)
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(jiàn)電器之一。現(xiàn)在市場(chǎng)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(gè)電器廠家對(duì)咖啡壺進(jìn)行了研究，如松下發(fā)明了泵式咖啡壺，可以通過(guò)重力作用將咖啡粉沖散，國(guó)內(nèi)也有學(xué)者設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確溫控的咖啡壺。
然而，目前已有的咖啡機(jī)普遍存在成本較高且功能單一等缺點(diǎn)，這無(wú)疑影響了用戶的使用和咖啡機(jī)的市場(chǎng)。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)多功能咖啡機(jī)系統(tǒng)，可以實(shí)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(dòng)進(jìn)入保溫模式。②控量功能：出水系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制出水量，達(dá)到規(guī)定出水量后自動(dòng)斷水。③控濃度功能：通過(guò)機(jī)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(lái)，就可以完成控制濃度功能。
一、咖啡機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中咖啡機(jī)整體結(jié)構(gòu)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(chǔ)水，加熱裝置用于加熱水，送料機(jī)構(gòu)用于儲(chǔ)存及送咖啡料，電磁閥用于控帶咖啡量。
當(dāng)檢測(cè)到水箱中水壓不足時(shí)，通過(guò)水泵將水送至加熱處，通過(guò)底部加熱絲加熱，同時(shí)溫度傳感器實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)通過(guò)鍵盤檢測(cè)到咖啡量及濃度后，打開電磁閥將沸水送至輸水管，通過(guò)分布板均勻?yàn)⒙湓谑⒂锌Х确鄣倪^(guò)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(chǔ)咖啡的轉(zhuǎn)盤及帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。其中，存儲(chǔ)咖啡的轉(zhuǎn)盤被分為若干格，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)時(shí)咖啡粉由于重力的作用落入過(guò)濾器中，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制咖啡粉的量。
二、咖啡機(jī)的主要模塊設(shè)計(jì)
在整個(gè)系統(tǒng)中，主要實(shí)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(cè)信號(hào)包括：水箱的壓力信號(hào)、水溫信號(hào)以及用于人機(jī)交互的按鍵；需要控制的設(shè)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(jī)。
2.1主要控制芯片
單片機(jī)控制器主要用于計(jì)時(shí)、產(chǎn)生繼電器控制信號(hào)。AT89C51單片機(jī)是一種高效微控制器，具有低電壓、高性能的特點(diǎn)，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)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?qū)囟冗M(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量并在顯示屏上顯示出來(lái)，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(jìn)行加熱，溫度傳感器對(duì)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，并在顯示屏上顯示出來(lái)。在達(dá)到?jīng)_泡咖啡的溫度后，單片機(jī)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(qiáng)，使用范圍為一55℃至+125℃，固態(tài)測(cè)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(guò)測(cè)量壓力差對(duì)加熱裝置中水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)電磁閥控制咖啡機(jī)出水，當(dāng)達(dá)到規(guī)定出水量后，關(guān)閉電磁閥就可以停止出水。電磁閥通過(guò)壓力傳感器所傳遞的信號(hào)進(jìn)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(dāng)水位低于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)水泵進(jìn)水。
壓力傳感器選用HX711，參數(shù)可以直接輸出電壓信號(hào)，它安裝在加熱室底部，主要能夠?qū)訜崾业乃窟M(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，并將水位實(shí)時(shí)顯示。
2.4濃度控制模塊
全自動(dòng)咖啡機(jī)的送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為分格式圓盤，在其上方是存儲(chǔ)漏斗，底部為一個(gè)漏粉的小孔，在圓盤中間連接了電機(jī)；分格式圓盤內(nèi)部被分成了12個(gè)等同的扇形，其中每個(gè)扇形的體積大概為半包咖啡粉的體積。此結(jié)構(gòu)利用重力作用控制咖啡粉，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)盒子旋轉(zhuǎn)，咖啡粉就會(huì)從底部的小孔漏出來(lái)。旋轉(zhuǎn)一個(gè)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(diào)和下，完成了控制濃度的功能。
三、咖啡機(jī)的調(diào)試
經(jīng)過(guò)構(gòu)思、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，對(duì)咖啡機(jī)的硬件進(jìn)行裝配，并結(jié)合軟件不斷的調(diào)試，目前該樣機(jī)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。(1)控制溫度。在單片機(jī)上按下加熱按鈕，電熱絲就會(huì)通上工作電壓，對(duì)加熱壺中的水進(jìn)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(jī)就會(huì)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(jī)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(jī)就會(huì)讓控量模塊的繼電器斷電，從而停止出水。(3)控制濃度。通過(guò)制造完成的分格結(jié)構(gòu)，在裝上咖啡粉之后，通過(guò)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(duì)濃度的控制。
總結(jié)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了全自動(dòng)咖啡機(jī)的控溫、控量和控濃度三個(gè)模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，輔助報(bào)警、顯示等功能。通過(guò)單片機(jī)對(duì)壓力、溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并采用鍵盤進(jìn)行人機(jī)交互，控制繼電器、電磁閥、水泵的通斷，在不斷調(diào)試的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)控制溫度、控制流量、控制濃度三大功能，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
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