新型家用全自動咖啡機研究與實現*

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在已越來越多地進入普通百姓家庭[1－3]。現在國內市場上咖啡機主要分為美式（傳統滴濾式）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]對環保咖啡機進行了研究，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別在于結構簡單、操作方便，能根據用戶的喜好萃取出不同口味的咖啡，并能實現自動萃取、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、水箱供水系統、鍋爐加熱和保溫系統，以及萃取系統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

研磨系統主要包括咖啡豆倉、研磨機構、調節出粉量電機、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電機相連，根據用戶需求，通過調節電機調節咖啡粉粗細。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

水箱供水系統由進水口，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，傳感器發出信號給控制系統，控制系統發出指令，單向電磁閥關閉，停止進水。當水箱水位低于傳感器時，傳感器發出信號給控制系統，控制系統收到信號后，發出指令給鍋爐，鍋爐停止工作。

1.3 加熱系統

加熱系統由蒸汽鍋爐和保溫裝置組成。鍋爐參數為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。保溫裝置主要由發熱盤和熱敏電阻組成，發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，系統控制發出指令，發熱盤繼續加熱。鍋爐如圖4所示。

圖4 蒸汽鍋爐

1.4 萃取系統

萃取系統由咖啡粉盒（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。咖啡豆進入研磨系統，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，控制系統發出指令，將倉門關閉，水箱供水系統及蒸汽鍋爐工作，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。萃取系統內部結構如圖5所示。

圖5 萃取系統內部結構

2 全自動咖啡機控制系統組成及工作原理

2.1 控制系統組成

控制系統主要由水位控制、時鐘控制、萃取艙蓋控制、鍋爐控制、保溫控制等組成。控制系統選著ABOV 現代MC80F7708Q八位單片機作為控制系統的主控部件，該芯片功能強大，具有8k字節的FLASH ROM，256字節的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最優的控制器，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。保溫系統主要由發熱盤和熱敏電阻構成。萃取后的咖啡流入到咖啡壺時，發熱盤開始工作，溫度加熱到85 ℃，當溫度高于85 ℃時，熱敏電阻發出信號給控制系統，控制系統發出指令給加熱盤，加熱盤停止工作，當溫度低于80 ℃時，熱敏電子發出信號給控制系統，控制系統發出指令給加熱盤，加熱盤繼續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 控制系統工作原理

控制系統原理圖如圖8所示。

圖8 全自動咖啡機控制系統工作原理

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，用戶根據自己的喜好設置咖啡濃度、大杯、中杯、小杯、保溫時間等參數。用戶選擇設置好后，按啟動按鈕，控制系統發出指令給研磨系統，研磨系統開始工作，萃取倉門打開。咖啡豆進入磨盤磨成咖啡粉，咖啡粉經過出粉通道進入萃取倉內，由時間常數控制出粉量（濃、中、淡）。研磨好咖啡粉后，控制系統發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，水位傳感器發出信號給控制系統，控制系統發出指令給單向電磁閥，單向電磁閥關閉，停止注水。與此同時，控制系統發出指令給鍋爐，鍋爐開始工作并產生蒸汽＋熱水輸送到萃取系統，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，水位傳感器發出信號給控制系統，控制系統發出指令給鍋爐，鍋爐停止工作。與此同時，控制系統發出指令給蜂鳴器和保溫系統，蜂鳴器鳴叫，提醒用戶萃取咖啡工作已經完成，保溫系統開始工作，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，并在此基礎上開發設計了一種新型的全自動咖啡機。咖啡機的機構由研磨系統、水箱供水系統、鍋爐加熱和保溫系統，以及萃取系統4部分組成。控制部分由ABOV現代MC80F7708Q八位單片機作為主控部件，通過控制系統實現自動磨豆、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。