全自動膠囊式咖啡機控制系統的設計

李林 陳益民 胡振旺

【摘 要】隨著國內外的經濟和文化的迅速發展，咖啡飲品的需求在快速增長。最新的膠囊式咖啡由于其方便，快捷等諸多優勢，開始快速的滲入到市場中。設計出一款多功能膠囊式咖啡機控制系統成為了必要。整個系統由功能控制模塊、顯示模塊、無線通信模塊組成。控制器采用STC12C5A60S2芯片進行開發。采用按鍵配合顯示屏進行操作和顯示。通過GSM模塊進行監控，維修和管理等。彌補膠囊式咖啡機在商業機部分的空缺，加快膠囊式咖啡機智能化和商業化的步伐。

【關鍵詞】膠囊咖啡機 STC12C5A60S2 LCD GSM

【Abstract】With development of domestic and foreign economic and cultural development of the country. Coffee drinks grow quickly. The new capsule coffee due to its convenience. Shortcut and many other advantages quickly to seize the market. design a multifunctional coffee machine control system. The system is controlled by function of module， display module， wireless communication module. Controller using STC12C5A60S2 processor operating system. Using the key and screen for operation and display. Through the GSM module to monitor， maintenance and management and so on. Speed up the capsule coffee machine intelligence and commercialization.

【Keywords】capsule coffee machine；STC12C5A60S2； LCD； GSM；

隨著中國經濟的迅猛發展，咖啡也融入了人們的日常生活，中國有望成為世界最大咖啡市場之一。 伴隨著咖啡市場的擴大， 近年我國咖啡機行業也迅速發展， 咖啡機的種類也不斷地由低端的半自動向全自動 ， 由單功能向多功能發展 ， 咖啡機的設計、 生產技術不斷得到提高。但由于價格高，操作復雜，等原因，使得咖啡機行業的擴展受到了限制；半成品的膠囊式咖啡[1]孕育而生，從而使得對應的膠囊式咖啡機迅速的進入市場，并有望成為家庭甚至商業的新生寵兒。本文主要研制一款新式的多功能膠囊式咖啡機的控制系統的設計。

1系統的整體設計方案

1.1系統組成

整個膠囊式咖啡機系統主要以STC12C5A60S2處理器為中心，由鍋爐加熱模塊，壓包模塊，供水模塊、顯示模塊，GSM通信模塊等組成。基于STC12C5A60S2膠囊式咖啡機系統的結構框圖[2]如圖1所示。

1.2系統工作原理

膠囊式咖啡機上電后，先自動給水箱打水，當檢測到水箱水滿后給鍋爐打水；鍋爐水滿后停止打水并給鍋爐內的水加熱到設定的壓力值；之后系統進入準備做咖啡的狀態；將膠囊咖啡放入導入口后，按下做咖啡鍵，咖啡膠囊將會被壓緊刺穿，水泵將預設量的冷水通過鍋爐的內腔間接加熱[3]后送至咖啡沖泡系統中釀造咖啡，沖泡完后咖啡膠囊自動脫落至回收盒中；而系統中的數據可通過GSM通信模塊[4]發送至控制終端和移動終端，并可通過控制終端對機器的參數進行調整，從而有效的對線下咖啡機進行監控。

圖1 全自動膠囊式咖啡機系統的結構框圖

2 電路設計

部分電路圖如圖2所示。

圖2 部分電路原理圖

2.1處理器STC12C5A60S2

STC12C5A60S2[5]是一款高速的8位處理器，集成了EEPROM，看門狗，10位ADC，多個定時器，針對電機控制，強干擾場合。

2.2 電機控制電路

膠囊式咖啡機由兩個獨立的咖啡系統組成，分別為小包系統和大包系統，且兩系統的控制方式一樣，以下以小包系統為例進行闡述。活塞的前進與后退是通過電機的正轉與反轉來控制，而電機的控制電路中主要是由4個MOS管（Q209～Q212）和一個轉動電機組成H橋電路。通過28引腳（LE5）選中U8后，通過D4和D5發出的信號來控制電機的正反轉，當D4=1，D5=0時，Q209與Q212導通，在24V直流作用下，電流流經Q209到達電機再從Q212流出，此時電機正向轉動；當D4=0，D5=1時，Q210與Q211導通，電機則反向轉動。

2.3鍋爐加熱系統

鍋爐為橫放置的圓柱體形，上側依次分布著泄壓閥，水位測量計，氣壓計，止氣閥以及蒸汽出口。而鍋爐俯視結構簡圖如圖3。

鍋爐內有兩根平行放置的發熱管給鍋爐內的水加熱，水溫較低時雙管快速加熱，接近預設壓力值時單管輪流間斷加熱，使鍋爐內的氣壓維持在預設壓力值附近。發熱管分別由主芯片10引腳（HT_1），11引腳（HT_2）進行控制，10引腳的控制信號使得Q205導通，電流經過光電耦合器[6]U14后將信號傳遞到雙向可控硅T205，使其導通，加熱管工作。

根據采購廠商供應的水位傳感器和氣壓傳感器的規格設計簡單的電路，將獲取的信號分別傳遞給42引腳（AD_WL_HT）和44引腳（AD_P_HT），并進行相關的處理。

圖3 鍋爐結構簡圖

2.4 咖啡制作電路

2.4.1 供水模塊

由圖3可所示，可知水箱主要去向是鍋爐，咖啡系統1，咖啡系統2以及熱水出口。主芯片通過28引腳（LE5）選中U8芯片后，通過D0～D3分別進行控制。其控制電路與加熱管電路基本一樣。水箱可以通過手動加水或接自來水管自動上水。其中，咖啡系統1，咖啡系統2以及熱水供應是通過各自對應的水泵直接從水箱抽水，當通過鍋爐內的高溫熱水給各自流經內腔中的水加熱，從而提供了潔凈的水用來沖泡咖啡和茶水。

2.4.2 沖泡模塊

當咖啡機進入等待做咖啡狀態后，將準備的咖啡膠囊從導入口放入。此時紅外線發射端與接收端會被擋住，根據主芯片24引腳（IR_SW）接收到的信號可對做咖啡進行計數。當按下對應的做咖啡鍵時，水泵先進行2S排冷水和空氣操作后停止打水，然后電機正轉帶動活塞向前運動，將咖啡膠囊推向釀造室并刺破。主芯片的29引腳（LE4）有效使U7選中，檢測到微動開關SW2被壓下，活塞到達了閉合的位置，電機停止工作，活塞被鎖死。此時咖啡系統對應的水泵開始抽水，通過流量計檢測的水流量的信號傳遞給主芯片的第8引腳（PUL_W1），9引腳（PUL_W2）。經過鍋爐內腔加熱到90攝氏度左右的高壓熱水對膠囊內的咖啡粉充分泡制后從尾部流出，最后從咖啡嘴流入已充分預熱的咖啡杯中。當流量計檢測達到預設的流量后，水泵停止工作，電機開始反轉，檢測SW1被壓下后，活塞到回到打開的位置，此時沖泡完的咖啡膠囊自動脫落至回收盒中。咖啡機進入等待做咖啡的狀態。

2.5 顯示模塊

這款咖啡機選用的是240*160藍色背光的單色顯示屏，是通過主芯片的2引腳（LE2），3引腳（LE1）使能兩片74HC373（U5，U6），分時將D0～D7的數據傳送至顯示屏進行控制，顯示基本無延時。顯示屏可配合按鍵對咖啡機的出咖啡量，鍋爐氣壓力和時鐘等進行設置和查詢，也可通過顯示屏顯示咖啡機當前的工作狀態和故障提示。

2.6 GSM通信模塊

研制的第一代咖啡機商業機已小批量生產，第二代咖啡機已添加GSM通信功能，目前，咖啡機已通過聯合意大利供應商提供的GSM和固定終端順利的進行數據間的傳輸，終端能接收到咖啡機的工作狀態和已做咖啡包的數量，現繼續完成進行深層次的相互間的通信。

2.7 其他

該膠囊式咖啡機除了兩個做咖啡的系統外，還有一個熱水出口，以便用來沖泡其他熱飲；一個可通過旋轉手柄出蒸汽的蒸汽嘴，可用來打奶泡；咖啡機上層有溫杯盤，使杯子的溫度保持在50攝氏度左右，使剛沖泡出來的咖啡能長時間保持咖啡香濃口味；

3軟件設計

主程序先進行初始化，然后依次對鍋爐水位、壓力和水箱水位進行檢測，若正常則給鍋爐進行供水或加熱操作，然后對電機和水泵進行檢測，若期間存在故障，則會通過顯示屏進行對應顯示；當加熱到預設的壓力值后，按鍵開始有效，程序將會對按鍵進行檢測，根據按下的鍵進行相應的動作。

4 技術參數

（1）電壓：230V/50Hz

（2）額定功率：3000W

（3）鍋爐容量：4L

（4）水箱容量：4L

（5）泵壓力：15bar

（6）凈重量：30kg

（7）尺寸：650mm×500mm×500mm

5 結語

傳統膠囊式咖啡機過于簡單，使用僅僅局限于小家庭中的使用，只能滿足于小部分人的需求，開發的基于STC12C5A60S2膠囊式咖啡機開拓了其應用的新領域。根據本設計的成品測試表明，此款膠囊式咖啡機進入等待做咖啡狀態后，每杯咖啡制作時間在20秒左右，且可以兩系統同時持續的做咖啡，做完后無需清理。根據顯示屏的顯示完成各種操作，各種警告也均可通過顯示屏獲知，具有多級保護電路使機器能夠更加安全的運行。本款膠囊式咖啡機具有控制精準、操作簡單、工作穩定、便于管理等特點，滿足了預計的設計要求。其具備的先進的通信和管理模式使其能適應新型的商業領域，減少了初期成本的投入，符合市場需求，還有一定的技術前沿，將很快的在咖啡廳廣泛使用。

參考文獻：

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[2]邵雯.基于EM78P510NK的全自動咖啡機控制系統的設計[J].科技通報，2012（2）：91-93.

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[5] STC12C5A60S2 series MCU Data Sheet[Z].2011：8-9.

[6]李丹榮，王新第，杜維.光電耦合器的使用技巧[J].自動化儀表，2003（6）：58-61.

基金項目：廣東省產學研項目

作者簡介：李林（1988—），男，漢族，江西萍鄉人，碩士研究生，就讀于廣東工業大學信息工程學院，儀器科學與技術專業，研究方向為現代檢測及自動化裝置。