全自动胶囊式咖啡机控制系统的设计

李林 陈益民 胡振旺

(广东工业大学信息工程学院,广东广州 510006)

全自动胶囊式咖啡机控制系统的设计

李林 陈益民 胡振旺

(广东工业大学信息工程学院,广东广州 510006)

随着国内外的经济和文化的迅速发展,咖啡饮品的需求在快速增长。最新的胶囊式咖啡由于其方便,快捷等诸多优势,开始快速的渗入到市场中。设计出一款多功能胶囊式咖啡机控制系统成为了必要。整个系统由功能控制模块、显示模块、无线通信模块组成。控制器采用STC12C5A6OS2芯片进行开发。采用按键配合显示屏进行操作和显示。通过GSM模块进行监控,维修和管理等。弥补胶囊式咖啡机在商业机部分的空缺,加快胶囊式咖啡机智能化和商业化的步伐。

胶囊咖啡机 STC12C5A6OS2 LCD GSM

随着中国经济的迅猛发展，咖啡也融入了人们的日常生活，中国有望成为世界最大咖啡市场之一。 伴随着咖啡市场的扩大， 近年我国咖啡机行业也迅速发展， 咖啡机的种类也不断地由低端的半自动向全自动 ， 由单功能向多功能发展 ， 咖啡机的设计、 生产技术不断得到提高。但由于价格高，操作复杂，等原因，使得咖啡机行业的扩展受到了限制;半成品的胶囊式咖啡[1]孕育而生，从而使得对应的胶囊式咖啡机迅速的进入市场，并有望成为家庭甚至商业的新生宠儿。本文主要研制一款新式的多功能胶囊式咖啡机的控制系统的设计。

1　系统的整体设计方案

图1　全自动胶囊式咖啡机系统的结构框图

图2　部分电路原理图

1.1系统组成

整个胶囊式咖啡机系统主要以STC12C5A60S2处理器为中心，由锅炉加热模块，压包模块，供水模块、显示模块，GSM通信模块等组成。基于STC12C5A60S2胶囊式咖啡机系统的结构框图[2]如图1所示。

1.2系统工作原理

胶囊式咖啡机上电后，先自动给水箱打水，当检测到水箱水满后给锅炉打水;锅炉水满后停止打水并给锅炉内的水加热到设定的压力值;之后系统进入准备做咖啡的状态;将胶囊咖啡放入导入口后，按下做咖啡键，咖啡胶囊将会被压紧刺穿，水泵将预设量的冷水通过锅炉的内腔间接加热[3]后送至咖啡冲泡系统中酿造咖啡，冲泡完后咖啡胶囊自动脱落至回收盒中;而系统中的数据可通过GSM通信模块[4]发送至控制终端和移动终端，并可通过控制终端对机器的参数进行调整，从而有效的对线下咖啡机进行监控。

图3　锅炉结构简图

2　电路设计

部分电路图如图2所示。

2.1处理器STC12C5A6OS2

STC12C5A60S2[5]是一款高速的8位处理器，集成了EEPROM，看门狗，10位ADC，多个定时器，针对电机控制，强干扰场合。

2.2电机控制电路

胶囊式咖啡机由两个独立的咖啡系统组成，分别为小包系统和大包系统，且两系统的控制方式一样，以下以小包系统为例进行阐述。活塞的前进与后退是通过电机的正转与反转来控制，而电机的控制电路中主要是由4个MOS管(Q209～Q212)和一个转动电机组成H桥电路。通过28引脚(LE5)选中U8后，通过D4和D5发出的信号来控制电机的正反转，当D4=1，D5=0时，Q209与Q212导通，在24V直流作用下，电流流经Q209到达电机再从Q212流出，此时电机正向转动;当D4=0，D5=1时，Q210与Q211导通，电机则反向转动。

2.3锅炉加热系统

锅炉为横放置的圆柱体形，上侧依次分布着泄压阀，水位测量计，气压计，止气阀以及蒸汽出口。而锅炉俯视结构简图如图3。

锅炉内有两根平行放置的发热管给锅炉内的水加热，水温较低时双管快速加热，接近预设压力值时单管轮流间断加热，使锅炉内的气压维持在预设压力值附近。发热管分别由主芯片1 0引脚(HT_1)，11引脚(HT_2)进行控制，10引脚的控制信号使得Q205导通，电流经过光电耦合器[6]U14后将信号传递到双向可控硅T205，使其导通，加热管工作。

根据采购厂商供应的水位传感器和气压传感器的规格设计简单的电路，将获取的信号分别传递给42引脚(AD_WL_HT)和44引脚(AD_P_HT)，并进行相关的处理。

2.4咖啡制作电路

2.4.1供水模块

由图3可所示，可知水箱主要去向是锅炉，咖啡系统1，咖啡系统2以及热水出口。主芯片通过28引脚(LE5)选中U8芯片后，通过D0～D3分别进行控制。其控制电路与加热管电路基本一样。水箱可以通过手动加水或接自来水管自动上水。其中，咖啡系统1，咖啡系统2以及热水供应是通过各自对应的水泵直接从水箱抽水，当通过锅炉内的高温热水给各自流经内腔中的水加热，从而提供了洁净的水用来冲泡咖啡和茶水。

2.4.2冲泡模块

当咖啡机进入等待做咖啡状态后，将准备的咖啡胶囊从导入口放入。此时红外线发射端与接收端会被挡住，根据主芯片24引脚(IR_SW)接收到的信号可对做咖啡进行计数。当按下对应的做咖啡键时，水泵先进行2S排冷水和空气操作后停止打水，然后电机正转带动活塞向前运动，将咖啡胶囊推向酿造室并刺破。主芯片的29引脚(LE4)有效使U7选中，检测到微动开关SW2被压下，活塞到达了闭合的位置，电机停止工作，活塞被锁死。此时咖啡系统对应的水泵开始抽水，通过流量计检测的水流量的信号传递给主芯片的第8引脚(PUL_W1)，9引脚(PUL_W2)。经过锅炉内腔加热到90摄氏度左右的高压热水对胶囊内的咖啡粉充分泡制后从尾部流出，最后从咖啡嘴流入已充分预热的咖啡杯中。当流量计检测达到预设的流量后，水泵停止工作，电机开始反转，检测SW1被压下后，活塞到回到打开的位置，此时冲泡完的咖啡胶囊自动脱落至回收盒中。咖啡机进入等待做咖啡的状态。

2.5显示模块

这款咖啡机选用的是240*160蓝色背光的单色显示屏，是通过主芯片的2引脚(LE2)，3引脚(LE1)使能两片74HC373(U5，U6)，分时将D0～D7的数据传送至显示屏进行控制，显示基本无延时。显示屏可配合按键对咖啡机的出咖啡量，锅炉气压力和时钟等进行设置和查询，也可通过显示屏显示咖啡机当前的工作状态和故障提示。

2.6GSM通信模块

研制的第一代咖啡机商业机已小批量生产，第二代咖啡机已添加GSM通信功能，目前，咖啡机已通过联合意大利供应商提供的GSM和固定终端顺利的进行数据间的传输，终端能接收到咖啡机的工作状态和已做咖啡包的数量，现继续完成进行深层次的相互间的通信。

2.7其他

该胶囊式咖啡机除了两个做咖啡的系统外，还有一个热水出口，以便用来冲泡其他热饮;一个可通过旋转手柄出蒸汽的蒸汽嘴，可用来打奶泡;咖啡机上层有温杯盘，使杯子的温度保持在50摄氏度左右，使刚冲泡出来的咖啡能长时间保持咖啡香浓口味。

3　软件设计

主程序先进行初始化，然后依次对锅炉水位、压力和水箱水位进行检测，若正常则给锅炉进行供水或加热操作，然后对电机和水泵进行检测，若期间存在故障，则会通过显示屏进行对应显示;当加热到预设的压力值后，按键开始有效，程序将会对按键进行检测，根据按下的键进行相应的动作。

4　技术参数

(1)电压:230V/50Hz

(2)额定功率:3000W

(3)锅炉容量:4L

(4)水箱容量:4L

(5)泵压力:15bar

(6)净重量:30kg

(7)尺寸:650mm×500mm×500mm

5　结语

传统胶囊式咖啡机过于简单，使用仅仅局限于小家庭中的使用，只能满足于小部分人的需求，开发的基于STC12C5A60S2胶囊式咖啡机开拓了其应用的新领域。根据本设计的成品测试表明，此款胶囊式咖啡机进入等待做咖啡状态后，每杯咖啡制作时间在20秒左右，且可以两系统同时持续的做咖啡，做完后无需清理。根据显示屏的显示完成各种操作，各种警告也均可通过显示屏获知，具有多级保护电路使机器能够更加安全的运行。本款胶囊式咖啡机具有控制精准、操作简单、工作稳定、便于管理等特点，满足了预计的设计要求。其具备的先进的通信和管理模式使其能适应新型的商业领域，减少了初期成本的投入，符合市场需求，还有一定的技术前沿，将很快的在咖啡厅广泛使用。

[1]唐晓双,刘飞,汪才华等.胶囊式咖啡机概述及安全性分析[J].食品安全质量检测学报,2013(3):961-965.

[2]邵雯.基于EM78P510NK的全自动咖啡机控制系统的设计[J].科技通报,2012(2):91-93.

[3]张志英,陈国岩.相变换热热水锅炉[J].工业锅炉,2003(5):6-10.

[4]吴伟,戴虽愚,杜礼霞.基于GSM短信息的嵌入式智能家电系统[J].电工技术,2004(10):37-38.

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

[6]李丹荣,王新第,杜维.光电耦合器的使用技巧[J].自动化仪表, 2003(6):58-61.

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 STC12C5A6OS2 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.

capsule coffee machine;STC12C5A6OS2; LCD; GSM;

广东省产学研项目

李林(1988—),男,汉族,江西萍乡人,硕士研究生,就读于广东工业大学信息工程学院,仪器科学与技术专业,研究方向为现代检测及自动化装置。