咖啡机的结构单元和保温控制
——工作过程所需数据传感单元设计
1摘要：
咖啡是世界上最流行的饮料，他能提高我们的工作效率，它能给我们带来愉悦和兴奋。随着我国的经济发展和改革与开放，目前世界上最为流行的意大利特浓咖啡（Espresso）、卡布其诺(Cappuccino)以及拿铁牛奶咖啡(Latte)等也进入我们的生活中，而且被越来越多的人们所接受。随着咖啡机的出现喝上咖啡也就十分方便，不用花费功夫去冲泡了。所以本次设计紧紧抓住这一点，设计了适合普通用户的咖啡机，具有两小时自动关机和预约功能，满足大多数普通用户的需求。酿制一杯完美的意大利特浓（Espresso）或卡布其诺(Cappuccino)咖啡，都需要借助专门的咖啡机来完成。咖啡机用10个左右的大气压力，迫使90℃左右的热水穿过10克左右的幼细的经过挤压的咖啡粉，汲取咖啡粉中的咖啡脂等芳香物质，并与热水达到充分溶合后流入杯中，整个过程是一个物理化学变化的综合过程，而且要在18-28秒的时间内完成，以便有效地避免过度提取所造成的不良味道。用咖啡机产生的高压蒸汽把牛奶乳化后制造出芳香的奶沫，在意大利特浓咖啡上面加上一层厚厚的奶沫就成了一杯美味的卡布其诺咖啡。显然一杯高品质的意大利特浓或卡布其诺咖啡的生成，咖啡机起的作用是决定性的。 关键词：智能咖啡机 恒定温度设定
2 正文：
一、咖啡机工作流程
随着越来越多的人注重生活的质量，咖啡机的应用也越来越普遍。咖啡机有手动咖啡机，半自动咖啡机，全自动咖啡机等多种款式，适合于不同的消费群体。比如说半自动咖啡机适合于普通群体，运用简单，操作方便，但口感相对较差，不适合于一些咖啡馆，酒吧等专业的场合。全自动咖啡机操作较复杂，需培训后才能完全掌握操作，但咖啡口感纯正，适合一些专业场合。本次设计是利用单片机HT48R06A-1组装成智能咖啡机，结构为：
硬件部分主要包括电源部分，按键部分，过零检测部分，数码管驱动部分，数码管显示部分，继电器部分和单片机部分。咖啡机的工作从按键或者在过零检测部分开始。 如果按下开始按钮，或者在过零检测中定时系统条件成立，再由温度控制传感器的温度控制方案条件成立，咖啡机交由单片机控制，用户选择咖啡的温度，口味，电源接通锅炉，锅炉开始工作温度传感器感应到水到达指定温度，锅炉断电，水与咖啡粉混合搅拌，由单片机控制冲泡成由用户选择的口味。并数码管显示咖啡冲泡完成。精确恒温控制系统开始工作。保证用户能喝到热气腾腾的咖啡。
二、对咖啡机智能恒定温度的传感单元设计方案：对市面上多款咖啡机，要求中国事宜的饮用温度，恒定在50~70℃的任意设定值。无论咖啡机储存锅炉中还有多少咖啡，要求在过零设定的定时值之内的咖啡温度都必须维持在改恒定值，容许波动不超过1℃。
（一）总体方案设计。
温度系数设定：由于咖啡是液体，咖啡锅炉可以看作是一个液体的压力容器。3传感器应装在咖啡锅炉的外壁。咖啡的温度通过集成型温度传感器AD590感知，液位由杯外安装的3个静电电容式接近开关组合测得。设测得该点的温度为理论温度T，而咖啡实际温度为咖啡中间的温度T′。所以首先必须在某一固定液位下测得T与T′的关系曲线，这样保证AD590测得的外壁温度稳定，也就能去的实际咖啡的温度。当液位发生了变化时，要保持液位中心的温度T′不变，外壁的温度则需要发生微小的变化λ，这时要根据测得的液位加上一个相应的补偿值λ，从而使液体中心的温度维持在T不变，即咖啡温度不受到液位变化的影响。就这样，锅炉中咖啡中心点温度中心点的恒温问题就转化为杯子外壁测温点的恒温问题了。
总体方案设计图：
（二）液位检测方案。
为了判断杯中液体的量在，杯外不同高度设置若干个静电电容式接近开关，数量以咖啡锅炉容量而定，（以设置3个为例）。静电电容式接近开关时一种具有开关量输出的位置传感器。因为不同的材料具有不同的介电常数，所以这种传感器可以检测物体的有、无，也可以检验咖啡的浓度。并以开关量的二进制数输出。
在咖啡锅炉的某一水平面上，有、无液体的时候呈现出不同的相对介电常数，所以可以用差异，检5出某一水平位置是否有液体，从而做到液位的判断，如上表所示。液位信号只是一种补偿，所以简单地把它分为咖啡量1、2、3三个等级，用以给原误差信号加上不同的微小补偿值，从而得到修正后的误差信号E，来驱动PWM对锅炉的工作。
控制原理
由上图控制原理结构图所示。设定了咖啡温度后，系统按照事先确定的咖啡温度与瓶壁测温点的对应函数关系，以及当前的液位补偿，得到了等效测温点设定温度。通过实时与AD590测出的温度做比较，得到误差信号。载波为周期2.5秒的锯齿波，PWM输出为同样周期的脉冲方波，其占空比由误差信号E决定。当检测值低于设定很多，即E6负大时，输出比占据空间99％，锅炉持续加热，随着温度上升，占空比保持一个较小数字5％～15％，保持短暂加热，从而实现恒温。
结论：
本次针对咖啡机控制板的设计，主要是对咖啡加热、保温、自动关机和预约等功能的实现。
为了使结构更加简单，单片机部分用专门为多输入/输出的产品而设计的HT48R06对其进行设计。并且使温度控制更人性化，更简洁方便。在实际的设计中，不仅要使你的设计很好地实现功能，误差小，精确度高，还有一个至关重要的方面就是对产品性价比的估量。因为，在这日益激烈的市场竞争中，性价比是一个永远的制胜法宝，在相同的质量下，谁都想要物美价廉的东西。除此之外，若要大批量生产，还应该考虑到设计结构性问题和工程排版问题。
