新型家用全自動咖啡機研究與實現(xiàn)*

黃小娣

（廣東理工學院，廣東肇慶 526100）

0 引言

隨著人們生活水平的日益提高，僅在酒吧和飯店中使用的咖啡機現(xiàn)在已越來越多地進入普通百姓家庭[1－3]?，F(xiàn)在國內市場上咖啡機主要分為美式（傳統(tǒng)滴濾式）咖啡機、意式（高壓泵浦）咖啡機、膠囊咖啡機3種。伴隨著咖啡消費市場的不斷擴大，我國咖啡機的生產制造也得到了迅速發(fā)展，而咖啡機的級別也不斷地由低端（半自動）向高端（全自動），由單功能向多功能發(fā)展，咖啡機的設計、制造技術不斷得到提高[4]。

目前，中國高端全自動咖啡機市場大部分是國外品牌，如：西門子、飛利浦、Nespresso、DolceGusto、Jura 等歐美品牌。國內的小米、美儂、九陽等公司目前也在積極布局國內的高端全自動咖啡機。市場上滴漏式咖啡壺與膠囊咖啡機的價位普遍在千元左右，只有少數(shù)進口產品價格偏高；半自動咖啡機的價格主要集中在2 500元以下價位段；全自動咖啡機的價格則普遍高于2 500元，萬元以上產品也為數(shù)不少，明顯高于其他品類[5]。

國內學者針對全自動咖啡機做了很多研究工作，如：侯軍剛等[6]對咖啡機的智能溫控系統(tǒng)進行了研究，朱秀娟[7]對咖啡機刮平壓實機構進行了研究，郭艷婕等[4]對基于單片機控制的全自動咖啡機咖啡機進行了研究，丘永亮等[8]對全自動膠囊咖啡機進行了研究。周恩雯等[9]對環(huán)?？Х葯C進行了研究，侯軍剛等[10]對咖啡機的精確恒溫方案進行了研究。

對多款咖啡機的工作原理和結構進行分析后，本文開發(fā)設計了一種新型的全自動咖啡機。該全自動咖啡機與其他咖啡機最大區(qū)別在于結構簡單、操作方便，能根據(jù)用戶的喜好萃取出不同口味的咖啡，并能實現(xiàn)自動萃取、自動報警、自動保溫等功能。

1 全自動咖啡機的機構設計

全自動咖啡機的整個機構主要由研磨系統(tǒng)、水箱供水系統(tǒng)、鍋爐加熱和保溫系統(tǒng)，以及萃取系統(tǒng)4部分組成。全自動咖啡機機構的整體結構如圖1所示。

圖1 全自動咖啡機的機構部分結構

1.1 研磨系統(tǒng)

研磨系統(tǒng)主要包括咖啡豆倉、研磨機構、調節(jié)出粉量電機、出粉通道等組成。其中，研磨機構由動磨盤、固定磨盤、主電機等組成。磨盤選用不銹鋼磨盤，如圖2所示。動磨盤和固定磨盤均設有磨齒，動磨盤固定在動磨盤架上，主電機通過轉軸與動磨盤架相連，固定磨盤固定在固定磨盤架上。固定磨盤架上有外齒，外齒與通過齒輪與調節(jié)電機相連，根據(jù)用戶需求，通過調節(jié)電機調節(jié)咖啡粉粗細。出粉量由控制面板設定，由時鐘電路的時間常數(shù)控制，分為濃、中、淡三擋。磨盤主電機選擇型號為LR775 的有刷直流電機，額定電壓為24 V，額定轉矩為10 N·m，調節(jié)出粉電機選擇型號為QY3225MG的舵機，工作電壓為6 V，轉矩為2.5 N·m，研磨系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 不銹鋼磨盤實物

圖3 研磨機構

1.2 水箱供水系統(tǒng)

水箱供水系統(tǒng)由進水口，水箱，水位傳感器等組成，其中，水箱由ABS塑料注塑而成，水箱內部分為3個小水箱：1個大杯咖啡水箱、1個中杯咖啡水箱、1個小杯咖啡水箱。每個小水箱裝有1個傳感器。用戶根據(jù)自己的喜好，可以選擇大杯咖啡或中杯咖啡或小杯咖啡。用戶選擇大杯（或中杯或小杯）咖啡時，大杯（或中杯或小杯）咖啡水箱進水，當水位高于傳感器時，傳感器發(fā)出信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，單向電磁閥關閉，停止進水。當水箱水位低于傳感器時，傳感器發(fā)出信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)收到信號后，發(fā)出指令給鍋爐，鍋爐停止工作。

1.3 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)由蒸汽鍋爐和保溫裝置組成。鍋爐參數(shù)為1 900 W，230 V，能將水迅速加熱并產生蒸汽＋熱水輸送到萃取系統(tǒng)。保溫裝置主要由發(fā)熱盤和熱敏電阻組成，發(fā)熱盤對咖啡壺內萃取好的咖啡進行保溫，熱敏電阻每隔0.5 min將咖啡的溫度信號反饋到系統(tǒng)控制中，當咖啡壺的咖啡加熱到預定溫度后，加熱盤停止工作，當咖啡壺內的咖啡溫度降到預定溫度，系統(tǒng)控制發(fā)出指令，發(fā)熱盤繼續(xù)加熱。鍋爐如圖4所示。

圖4 蒸汽鍋爐

1.4 萃取系統(tǒng)

萃取系統(tǒng)由咖啡粉盒（內部有不銹鋼金屬網）、蒸汽花灑、萃取倉門等組成。萃取倉門的作用是防止水蒸氣由咖啡粉出料口進入咖啡機內部，以免損壞電路板、電機等設備。當用戶打開咖啡機時，萃取倉倉門自動打開?？Х榷惯M入研磨系統(tǒng)，研磨好的咖啡粉經過出粉通道進入咖啡粉粉盒內，當全部咖啡粉完成研磨后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，將倉門關閉，水箱供水系統(tǒng)及蒸汽鍋爐工作，鍋爐產生水蒸氣，水蒸氣通過管道、花灑進入咖啡粉粉盒內，蒸汽＋熱水噴灑在咖啡粉上，萃取出濃郁的咖啡。萃取好的咖啡經過咖啡粉盒底部的小孔，進入到咖啡壺內，完成萃取工作。萃取系統(tǒng)內部結構如圖5所示。

圖5 萃取系統(tǒng)內部結構

2 全自動咖啡機控制系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)主要由水位控制、時鐘控制、萃取艙蓋控制、鍋爐控制、保溫控制等組成?？刂葡到y(tǒng)選著ABOV 現(xiàn)代MC80F7708Q八位單片機作為控制系統(tǒng)的主控部件，該芯片功能強大，具有8k字節(jié)的FLASH ROM，256字節(jié)的RAM，8/16位定時器/計算器，該芯片價格便宜，是使用全自動咖啡機控制系統(tǒng)最優(yōu)的控制器，如圖6所示。液位傳感器選擇FS－IR02型號的傳感器，該傳感器輸出電壓信號作為液位高度控制信號接入MCU（單片機）A/D（模數(shù)轉換）端口，當液位超過臨界液位而淹沒傳感器本身時，此時信號輸出為低電平，當液位低于臨界液位而顯露傳感器本體時，此時信號輸出為高電平。保溫系統(tǒng)主要由發(fā)熱盤和熱敏電阻構成。萃取后的咖啡流入到咖啡壺時，發(fā)熱盤開始工作，溫度加熱到85 ℃，當溫度高于85 ℃時，熱敏電阻發(fā)出信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給加熱盤，加熱盤停止工作，當溫度低于80 ℃時，熱敏電子發(fā)出信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給加熱盤，加熱盤繼續(xù)給咖啡壺內的咖啡加熱。

圖6 MC80F7708Q單片機

圖7 FS－IR02 水位傳感器

2.2 控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)原理圖如圖8所示。

圖8 全自動咖啡機控制系統(tǒng)工作原理

用戶打開全自動咖啡機開關時，全自動咖啡機程序初始化，準備開始工作。此時，用戶根據(jù)自己的喜好設置咖啡濃度、大杯、中杯、小杯、保溫時間等參數(shù)。用戶選擇設置好后，按啟動按鈕，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給研磨系統(tǒng)，研磨系統(tǒng)開始工作，萃取倉門打開?？Х榷惯M入磨盤磨成咖啡粉，咖啡粉經過出粉通道進入萃取倉內，由時間常數(shù)控制出粉量（濃、中、淡）。研磨好咖啡粉后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給單向電磁閥，單向電磁閥打開，開始注水。當水位高于位水位傳感器時，水位傳感器發(fā)出信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給單向電磁閥，單向電磁閥關閉，停止注水。與此同時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給鍋爐，鍋爐開始工作并產生蒸汽＋熱水輸送到萃取系統(tǒng)，蒸汽＋熱水通過花灑噴灑到咖啡粉盒的咖啡粉而萃取出咖啡，萃取好的咖啡通過萃取倉底孔流入咖啡壺內。當水位低于水位傳感器時，水位傳感器發(fā)出信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給鍋爐，鍋爐停止工作。與此同時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給蜂鳴器和保溫系統(tǒng)，蜂鳴器鳴叫，提醒用戶萃取咖啡工作已經完成，保溫系統(tǒng)開始工作，對萃取好的咖啡進行自動保溫。

3 結束語

本文在對傳統(tǒng)咖啡機進行分析研究的基礎上，全面考慮了咖啡機操作性能和價格偏高的問題，并在此基礎上開發(fā)設計了一種新型的全自動咖啡機?？Х葯C的機構由研磨系統(tǒng)、水箱供水系統(tǒng)、鍋爐加熱和保溫系統(tǒng)，以及萃取系統(tǒng)4部分組成?？刂撇糠钟葾BOV現(xiàn)代MC80F7708Q八位單片機作為主控部件，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動磨豆、自動上水、自動萃取、自動保溫等功能，并設計了操作面板進行人機交互，實現(xiàn)了咖啡濃度控制、咖啡流量控制（大杯咖啡、中杯咖啡、小杯咖啡）、自動保溫控制3 大功能。本產品成本低廉，容易操做、實用性強，為其他咖啡機設計提供了具有一定價值的參考。