李林 陳益民 胡振旺

【摘 要】隨著國內(nèi)外的經(jīng)濟(jì)和文化的迅速發(fā)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(yōu)勢，開始快速的滲入到市場中。設(shè)計(jì)出一款多功能膠囊式咖啡機(jī)控制系統(tǒng)成為了必要。整個系統(tǒng)由功能控制模塊、顯示模塊、無線通信模塊組成?？刂破鞑捎肧TC12C5A60S2芯片進(jìn)行開發(fā)。采用按鍵配合顯示屏進(jìn)行操作和顯示。通過GSM模塊進(jìn)行監(jiān)控，維修和管理等。彌補(bǔ)膠囊式咖啡機(jī)在商業(yè)機(jī)部分的空缺，加快膠囊式咖啡機(jī)智能化和商業(yè)化的步伐。

【關(guān)鍵詞】膠囊咖啡機(jī) 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(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)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(kuò)大， 近年我國咖啡機(jī)行業(yè)也迅速發(fā)展， 咖啡機(jī)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(fā)展 ， 咖啡機(jī)的設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)技術(shù)不斷得到提高。但由于價格高，操作復(fù)雜，等原因，使得咖啡機(jī)行業(yè)的擴(kuò)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(yīng)的膠囊式咖啡機(jī)迅速的進(jìn)入市場，并有望成為家庭甚至商業(yè)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(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)組成

整個膠囊式咖啡機(jī)系統(tǒng)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?；赟TC12C5A60S2膠囊式咖啡機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖[2]如圖1所示。

1.2系統(tǒng)工作原理

膠囊式咖啡機(jī)上電后，先自動給水箱打水，當(dāng)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(nèi)的水加熱到設(shè)定的壓力值；之后系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備做咖啡的狀態(tài)；將膠囊咖啡放入導(dǎo)入口后，按下做咖啡鍵，咖啡膠囊將會被壓緊刺穿，水泵將預(yù)設(shè)量的冷水通過鍋爐的內(nèi)腔間接加熱[3]后送至咖啡沖泡系統(tǒng)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(tǒng)中的數(shù)據(jù)可通過GSM通信模塊[4]發(fā)送至控制終端和移動終端，并可通過控制終端對機(jī)器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而有效的對線下咖啡機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

圖1 全自動膠囊式咖啡機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 電路設(shè)計(jì)

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(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。

2.2 電機(jī)控制電路

膠囊式咖啡機(jī)由兩個獨(dú)立的咖啡系統(tǒng)組成，分別為小包系統(tǒng)和大包系統(tǒng)，且兩系統(tǒng)的控制方式一樣，以下以小包系統(tǒng)為例進(jìn)行闡述?；钊那斑M(jìn)與后退是通過電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來控制，而電機(jī)的控制電路中主要是由4個MOS管（Q209～Q212）和一個轉(zhuǎn)動電機(jī)組成H橋電路。通過28引腳（LE5）選中U8后，通過D4和D5發(fā)出的信號來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)D4=1，D5=0時，Q209與Q212導(dǎo)通，在24V直流作用下，電流流經(jīng)Q209到達(dá)電機(jī)再從Q212流出，此時電機(jī)正向轉(zhuǎn)動；當(dāng)D4=0，D5=1時，Q210與Q211導(dǎo)通，電機(jī)則反向轉(zhuǎn)動。

2.3鍋爐加熱系統(tǒng)

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

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

根據(jù)采購廠商供應(yīng)的水位傳感器和氣壓傳感器的規(guī)格設(shè)計(jì)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(jìn)行相關(guān)的處理。

圖3 鍋爐結(jié)構(gòu)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(tǒng)1，咖啡系統(tǒng)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(jìn)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(tǒng)1，咖啡系統(tǒng)2以及熱水供應(yīng)是通過各自對應(yīng)的水泵直接從水箱抽水，當(dāng)通過鍋爐內(nèi)的高溫?zé)崴o各自流經(jīng)內(nèi)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(dāng)咖啡機(jī)進(jìn)入等待做咖啡狀態(tài)后，將準(zhǔn)備的咖啡膠囊從導(dǎo)入口放入。此時紅外線發(fā)射端與接收端會被擋住，根據(jù)主芯片24引腳（IR_SW）接收到的信號可對做咖啡進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)按下對應(yīng)的做咖啡鍵時，水泵先進(jìn)行2S排冷水和空氣操作后停止打水，然后電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動活塞向前運(yùn)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(guān)SW2被壓下，活塞到達(dá)了閉合的位置，電機(jī)停止工作，活塞被鎖死。此時咖啡系統(tǒng)對應(yīng)的水泵開始抽水，通過流量計(jì)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(jīng)過鍋爐內(nèi)腔加熱到90攝氏度左右的高壓熱水對膠囊內(nèi)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(yù)熱的咖啡杯中。當(dāng)流量計(jì)檢測達(dá)到預(yù)設(shè)的流量后，水泵停止工作，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，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(jī)進(jìn)入等待做咖啡的狀態(tài)。

2.5 顯示模塊

這款咖啡機(jī)選用的是240*160藍(lán)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(shù)據(jù)傳送至顯示屏進(jìn)行控制，顯示基本無延時。顯示屏可配合按鍵對咖啡機(jī)的出咖啡量，鍋爐氣壓力和時鐘等進(jìn)行設(shè)置和查詢，也可通過顯示屏顯示咖啡機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)和故障提示。

2.6 GSM通信模塊

研制的第一代咖啡機(jī)商業(yè)機(jī)已小批量生產(chǎn)，第二代咖啡機(jī)已添加GSM通信功能，目前，咖啡機(jī)已通過聯(lián)合意大利供應(yīng)商提供的GSM和固定終端順利的進(jìn)行數(shù)據(jù)間的傳輸，終端能接收到咖啡機(jī)的工作狀態(tài)和已做咖啡包的數(shù)量，現(xiàn)繼續(xù)完成進(jìn)行深層次的相互間的通信。

2.7 其他

該膠囊式咖啡機(jī)除了兩個做咖啡的系統(tǒng)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(zhuǎn)手柄出蒸汽的蒸汽嘴，可用來打奶泡；咖啡機(jī)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(shè)計(jì)

主程序先進(jìn)行初始化，然后依次對鍋爐水位、壓力和水箱水位進(jìn)行檢測，若正常則給鍋爐進(jìn)行供水或加熱操作，然后對電機(jī)和水泵進(jìn)行檢測，若期間存在故障，則會通過顯示屏進(jìn)行對應(yīng)顯示；當(dāng)加熱到預(yù)設(shè)的壓力值后，按鍵開始有效，程序?qū)Π存I進(jìn)行檢測，根據(jù)按下的鍵進(jìn)行相應(yīng)的動作。

4 技術(shù)參數(shù)

（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(jié)語

傳統(tǒng)膠囊式咖啡機(jī)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(fā)的基于STC12C5A60S2膠囊式咖啡機(jī)開拓了其應(yīng)用的新領(lǐng)域。根據(jù)本設(shè)計(jì)的成品測試表明，此款膠囊式咖啡機(jī)進(jìn)入等待做咖啡狀態(tài)后，每杯咖啡制作時間在20秒左右，且可以兩系統(tǒng)同時持續(xù)的做咖啡，做完后無需清理。根據(jù)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(hù)電路使機(jī)器能夠更加安全的運(yùn)行。本款膠囊式咖啡機(jī)具有控制精準(zhǔn)、操作簡單、工作穩(wěn)定、便于管理等特點(diǎn)，滿足了預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。其具備的先進(jìn)的通信和管理模式使其能適應(yīng)新型的商業(yè)領(lǐng)域，減少了初期成本的投入，符合市場需求，還有一定的技術(shù)前沿，將很快的在咖啡廳廣泛使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐曉雙，劉飛，汪才華等.膠囊式咖啡機(jī)概述及安全性分析[J].食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報(bào)，2013（3）：961-965.

[2]邵雯.基于EM78P510NK的全自動咖啡機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技通報(bào)，2012（2）：91-93.

[3]張志英，陳國巖.相變換熱熱水鍋爐[J].工業(yè)鍋爐，2003（5）：6-10.

[4]吳偉，戴雖愚，杜禮霞.基于GSM短信息的嵌入式智能家電系統(tǒng)[J].電工技術(shù)，2004（10）：37-38.

[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(xiàng)目：廣東省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目

作者簡介：李林（1988—），男，漢族，江西萍鄉(xiāng)人，碩士研究生，就讀于廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代檢測及自動化裝置。