咖啡机控制板开发设计

目前咖啡已经成为了世界三大饮料之一，咖啡壶也逐步成为我们家庭使用的常见电器之一。现在市场上咖啡壶主要分为三种：虹吸式咖啡壶、滴漏式咖啡壶和泵压式咖啡壶。目前各个电器厂家对咖啡壶进行了研究，如松下发明了泵式咖啡壶，可以通过重力作用将咖啡粉冲散，国内也有学者设计了可以实现准确温控的咖啡壶。

然而，目前已有的咖啡机普遍存在成本较高且功能单一等缺点，这无疑影响了用户的使用和咖啡机的市场。因此，我们设计了一款全自动多功能咖啡机系统，可以实现以下功能：①控温功能：加热到一定温度后，加热系统自动进入保温模式。②控量功能：出水系统能够自动控制出水量，达到规定出水量后自动断水。③控浓度功能：通过机械装置，可以控制出咖啡粉的量，跟控制流量功能联系起来，就可以完成控制浓度功能。

一、咖啡机系统方案设计

本系统中咖啡机整体结构主要包括：水箱、加热装置、送料装置、抽水泵、漏斗和滤网及温度传感器、压力传感器、电磁阀、按键面板等。其中水箱用于存储水，加热装置用于加热水，送料机构用于储存及送咖啡料，电磁阀用于控带咖啡量。

当检测到水箱中水压不足时，通过水泵将水送至加热处，通过底部加热丝加热，同时温度传感器实时进行检测。当通过键盘检测到咖啡量及浓度后，打开电磁阀将沸水送至输水管，通过分布板均匀洒落在盛有咖啡粉的过滤器中，即可得到咖啡。送料装置包括三部分：放入咖啡的漏斗、存储咖啡的转盘及带动其旋转的电机。其中，存储咖啡的转盘被分为若干格，当电机带动其旋转时咖啡粉由于重力的作用落入过滤器中，通过电机转动控制咖啡粉的量。

二、咖啡机的主要模块设计

在整个系统中，主要实现的功能包括：温度控制、浓度控制、出水量的控制。需要检测信号包括：水箱的压力信号、水温信号以及用于人机交互的按键；需要控制的设备包括：上水到水箱的水泵、控制电热丝加热的继电器、控制热水通断的电磁阀以及控制咖啡量的电机。

2.1主要控制芯片

单片机控制器主要用于计时、产生继电器控制信号。AT89C51单片机是一种高效微控制器，具有低电压、高性能的特点，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

2.2温度控制模块

控温模块主要用于加热装置，温度控制模块能够对温度进行实时的测量并在显示屏上显示出来，便于用户了解加热情况。加热丝通电之后给加热壶中的水进行加热，温度传感器对水温进行实时的测量，并在显示屏上显示出来。在达到冲泡咖啡的温度后，单片机控制加热带断电。

DS18B20是一种常用的温度传感器，体积小，抗干扰能力强，使用范围为一55℃至+125℃，固态测温误差为0.5℃，工作电压为3.0～5.5V/DC，不需要任何外围元件。

2.3流量控制模块

流量控制模块主要用于出水模块，主要工作原理为：将压力传感器置于加热装置底部，可以通过测量压力差对加热装置中水量进行实时监测，通过电磁阀控制咖啡机出水，当达到规定出水量后，关闭电磁阀就可以停止出水。电磁阀通过压力传感器所传递的信号进行开闭，能够控制所流出的热水的重量。从而完成了控制流量的功能，当水位低于设定值时，通过水泵进水。

压力传感器选用HX711，参数可以直接输出电压信号，它安装在加热室底部，主要能够对加热室的水量进行实时的测量，并将水位实时显示。

2.4浓度控制模块

全自动咖啡机的送料机构设计为分格式圆盘，在其上方是存储漏斗，底部为一个漏粉的小孔，在圆盘中间连接了电机；分格式圆盘内部被分成了12个等同的扇形，其中每个扇形的体积大概为半包咖啡粉的体积。此结构利用重力作用控制咖啡粉，通过电机带动盒子旋转，咖啡粉就会从底部的小孔漏出来。旋转一个扇形的体积就可以漏出半杯咖啡所需的咖啡粉量，在热水量的调和下，完成了控制浓度的功能。

三、咖啡机的调试

经过构思、设计和实现环节，对咖啡机的硬件进行装配，并结合软件不断的调试，目前该样机已经可以实现预期功能。(1)控制温度。在单片机上按下加热按钮，电热丝就会通上工作电压，对加热壶中的水进行加热。它可以将温度控制在所需温度。在所需温度之后，单片机就会让控温模块的继电器断电，从而停止加热。(2)控制流量。在单片机上按下出水按钮，电磁阀通电使得通道打开，流出热水。在流出规定量的热水后，单片机就会让控量模块的继电器断电，从而停止出水。(3)控制浓度。通过制造完成的分格结构，在装上咖啡粉之后，通过圆盘，咖啡粉从底部漏出，在一定量热水的冲泡下，从而完成对浓度的控制。

总结

本系统设计了全自动咖啡机的控温、控量和控浓度三个模块的机械结构和控制系统，辅助报警、显示等功能。通过单片机对压力、温度的实时检测，并采用键盘进行人机交互，控制继电器、电磁阀、水泵的通断，在不断调试的基础上，可以实现控制温度、控制流量、控制浓度三大功能，达到预期目标。

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