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中國礦業(yè)大學(xué)2014屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第2頁
目錄
全自動咖啡機(jī)的設(shè)計 1
摘要 1
1 緒論 2
1.1 咖啡機(jī)的歷史 2
1.2 國內(nèi)咖啡機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.3 課題的意義及目的 4
2 總體方案設(shè)計 4
2.1 咖啡機(jī)的工作原理 4
2.2研磨機(jī)構(gòu)設(shè)計 5
2.2.1方案設(shè)計及原理 5
2.2.2 磨盤的選擇與計算 7
2.2.3 磨豆電機(jī)的計算與選擇 7
2.2.4 電機(jī)輸出軸的強(qiáng)度校核 8
2.2.5 鍵的選用與校核 8
2.2.6 送粉電機(jī)與送粉螺旋軸 8
2.2.7 聯(lián)軸器 9
2.2.8調(diào)節(jié)齒輪與調(diào)節(jié)齒 9
2.2.9 螺釘與螺紋的選用 10
2.2.10 調(diào)節(jié)齒輪的精度 12
2.3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計 13
2.3.1液壓系統(tǒng)原理 13
2.3.2 泵的選擇與計算 14
2.3.3 其他液壓元件的選擇 14
2.4釀造器的設(shè)計 15
3 控制部分方案的設(shè)計 16
3.1 全自動咖啡機(jī)控制系統(tǒng)方案基本原理 16
3.2電源 17
3.2.1電源的作用與組成 18
3.2.2 電源工作原理 18
3.2.3穩(wěn)壓器的選用與介紹 19
3.3 控制系統(tǒng)硬件的選擇與簡介 20
3.3.1 硬件的選擇 20
3.4 霍爾流量傳感器 22
3.5 驅(qū)動芯片ULN2003 23
3.6溫度傳感器 24
3.7各部分電路說明 25
3.7.1單片機(jī)控制部分 25
3.7.2傳感器數(shù)據(jù)采集電路 26
3.7.3 流量計數(shù)據(jù)采集控制電路 27
3.7.4 撥碼開關(guān)電路圖 28
3.7.5 電機(jī)控制電路圖 29
3.7.6 電磁換向閥控制電路 30
3.7.7 整個主板電路接線圖 33
3.8 咖啡機(jī)工作流程圖 34
4 結(jié)論與感悟 36
4.1畢業(yè)設(shè)計總結(jié) 36
4.2 畢業(yè)設(shè)計感想 36
5致謝 37
參考文獻(xiàn) 38
附錄1 控制主板接線圖 39
附錄2 自動咖啡機(jī)程序 40
附錄3 45
外文翻譯 45
中文翻譯： 53
中國礦業(yè)大學(xué)2014屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第60頁
全自動咖啡機(jī)的設(shè)計
摘要
本論文主要是設(shè)計一種全自動咖啡機(jī)。目前，全自動的咖啡機(jī)非常流行，尤其是在大城市的寫字樓、大公司的辦公室里應(yīng)用廣泛，一些家庭也都逐漸將它作為必需的家庭生活用品。只要啟動咖啡機(jī)，按下電源，短短幾分鐘內(nèi)，磨豆、燒水、釀造萃取完全自動化，既安全可靠又快捷方便。
本文主要是設(shè)計一種全自動咖啡機(jī)的整體工作方式，包括磨豆裝置，加水燒水系統(tǒng)，釀造裝置。它的控制系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為核心，附有溫度傳感器，流量計，按鍵系統(tǒng)，加熱電路，各種開關(guān)以及液壓裝置來完成整個系統(tǒng)的控制。
對于機(jī)器里的核心部件，本設(shè)計給出機(jī)械CAD圖，如研磨機(jī)構(gòu)，釀造室，以及液壓原理圖。對于整個機(jī)器的控制部分，本設(shè)計從硬件軟件兩方面利用protel給出了電路接線圖以及C語言程序。
關(guān)鍵詞：研磨機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、89C51單片機(jī)、C語言程序
Abstract
This thesis is to design an automatic Coffee machine. At present, the automatic Coffee machine is very popular, especially used in the big city office building, office, some families are gradually put it as the essential household items. As long as the starting Coffee machine, press the power, just a few minutes, grinding, boiling water, brewing extraction fully automated, safe and convenient.
This paper is the overall work to design an automatic Coffee machine. Including the bean grinding device, add boiling water, brewing device. Its control system usses 89C51 microcontroller as the core, with the temperature sensor, flowmeter, key system, heating circuit, control switch and a hydraulic device to complete the whole system. For the core components of the machine, design of mechanical CAD diagram is given, such as grinding mechanism, a brewing chamber, and the hydraulic principle diagram. The control part of the machine, the design from two aspects of hardware and software is given by Protel circuit diagram and C language program.
Keywords: grinding mechanism, hydraulic system, 89C51 SCM, C language program
1 緒論
1.1 咖啡機(jī)的歷史
二十世紀(jì)初，在意大利拿坡里附近有一位“急性子工程師”，由于他對滴漏煮咖啡所花費(fèi)的時間太長感到不耐煩，所以在等待時間想出一個方法，以高溫，高壓的方式泡咖啡縮短時間，于是發(fā)明了世界上獨(dú)一無二的意大利咖啡快速調(diào)理，Espresso也開始風(fēng)行。
這位工程師的意大利快速調(diào)理方式，一來可以縮短煮咖啡的時間，而且煮出的咖啡香醇濃郁，被意大利人稱為Espresso。人們通過這樣的方式來紀(jì)念這位工程師的發(fā)現(xiàn)。Espresso 讀起來很有意大利藝術(shù)氣質(zhì)，不過在意大利文中所代表的意思很簡單—就是“壓力之下”，相當(dāng)于英文的under pressure。
以上敘述說的“二十世紀(jì)初的急性子工程師”，指的很可能是Luigi Bezzera。他在1901年制造出的以蒸氣壓力咖啡機(jī)，應(yīng)該絕不只僅僅因?yàn)椤皩Φ温┲罂Х鹊臅r間過長感到不耐煩”，更重要的是，他明白沖煮時間太長會直接關(guān)系到咖啡的品質(zhì)。
由于釀造時間過久，咖啡粉末不太可能研磨得太細(xì)，一般來說粗糙的研磨萃取出的芳香成分也比細(xì)致粉末要少?？焖僦皇秋@而易見的理由，對更高品質(zhì)的追求才是Espresso發(fā)展的最大動力。
如果說Bezzera一個人“發(fā)明”了Espresso，大概也無法被認(rèn)同，即便他首個嘗試以蒸氣為壓力去制造商用咖啡機(jī)，還創(chuàng)造了在吧中現(xiàn)做，而且直接將咖啡注入客人杯中的Espresso文化特質(zhì)。可是這種咖啡機(jī)泡制出來的咖啡，仍不具Espresso的美味及充滿Crema的表征。這主要是源于，Bezzera的咖啡機(jī)是運(yùn)用水沸騰時產(chǎn)生的水蒸氣，蒸氣在密閉的鍋爐產(chǎn)生壓力，壓力將熱水推至蓮蓬頭里的咖啡粉末。要制造蒸氣，整個鍋爐一般必須加熱到沸騰，使得逼近沸點(diǎn)的熱水灼傷咖啡粉，提取深藏在咖啡粉內(nèi)部的芳香鮮美油脂，萃取出加倍苦的咖啡。而由Bezzera的機(jī)器上煮出來的咖啡無法形Crema ，主要有兩個原因：
第一，沖煮咖啡的熱水溫度過高，使油質(zhì)喪失；
第二，蒸氣鍋爐無法提供足夠的壓力。
即便這樣，施加額外的壓力使釀造咖啡的時間縮短的研制方向仍然值得探索。只是如果不用蒸氣，還可以用什么作為壓力來源？更深層的問題是：到底要施加多大壓力，才可能獲得最佳萃取率？
20世紀(jì)初，Desiderio Pavoni 獲得了Bezzera 的設(shè)計專利。他是1905年開始制造這種咖啡機(jī)的。后來，Teresio Arduino 也跟著生產(chǎn)類似的咖啡機(jī)，其他的廠商相繼跟進(jìn)。二十年代，在意大利的咖啡店，這種咖啡機(jī)隨處可見。但意大利人似乎對蒸氣壓力咖啡機(jī)的成果不甚滿意。通過蒸氣應(yīng)該達(dá)到把壓力增加的目的，可是加強(qiáng)熱度也會使粉在調(diào)煮過程中灼傷，這樣會失去藏在咖啡粉內(nèi)部的芳香油脂。因此，便有人想到：能不能直接加壓于熱水，取代將水煮沸，以蒸氣作為壓力的方式？
二次大戰(zhàn)的時候，人們利用水龍頭流出的本身壓力來提高煮咖啡的壓力。咖啡機(jī)利用電可以迅速將一小壺的水加熱至所需要調(diào)煮的溫度。每一壺水設(shè)計煮一份咖啡，并且每一小壺都連接到水龍頭上。操作人員只需輕按小壺上的桿子，來自水龍頭的壓力便可將小壺里的熱水推到咖啡粉。根據(jù)各地區(qū)水壓的不同，一般而言，由此類咖啡機(jī)產(chǎn)生的壓力比蒸氣壓力咖啡機(jī)產(chǎn)生的還要大1.5 個大氣壓。其實(shí)這種咖啡機(jī)和蒸氣壓力咖啡機(jī)的高度相差并不大，但整體體積較小。在外觀上更符合當(dāng)時二十年代晚期的流行趨勢—以幾何圖形和直線條代替蒸汽壓力咖啡機(jī)的弧形。
另一種產(chǎn)生比1.5 個大氣壓更大壓力的方式是壓縮空氣。當(dāng)把咖啡機(jī)上的橫向桿提起時，把水注入被活塞占據(jù)的空間，此時壓下橫桿，水會被活塞上的壓力平均注入到濾器里的咖啡粉，這表示了熱水也可以在未沸騰時就泡咖啡，從而不致燙壞咖啡粉。
幾乎同一時間，一家米蘭咖啡館的老板Achille Gaggia 也運(yùn)用了相似的手段釀造咖啡。這方法逐漸被其他生產(chǎn)廠商采用。逐漸的，這種新式咖啡機(jī)取代了蒸氣壓力咖啡機(jī)。甚至在現(xiàn)今，也可以在家用機(jī)器—帕凡尼（La Pavoni）上發(fā)現(xiàn)這種原理的應(yīng)用。
二次世界大戰(zhàn)前，雖然人們改進(jìn)了利用蒸氣為壓力來源可能將咖啡粉燙壞的缺點(diǎn)，但是由于壓力是通過活塞傳導(dǎo)手臂來推壓熱水，這不但需要一根強(qiáng)壯的臂膀，而且產(chǎn)生的壓力也不易持續(xù)穩(wěn)定。
第二次世界大戰(zhàn)暫時中斷了Cremonesi 和Gaggia 對咖啡機(jī)的改良工作。戰(zhàn)爭期間Cremonesi 去世，他把咖啡機(jī)的專利傳給了他的遺孀Rosetta Scorza 。1947 年Gaggia 將原本的活塞原理加以改良，改由彈簧控制活塞。操縱者只需壓下桿子，控制彈簧就會壓縮，這樣熱水就會被注進(jìn)咖啡粉與活塞之間的空間。待活塞上面的彈簧膨脹時，活塞被往下壓，熱水流至咖啡處，上面的桿子又回到原來的位置。
1948年，Gaggia 運(yùn)用了這個理論完成了他的咖啡機(jī)，因?yàn)樗褵崴浦亮吮认惹案用軐?shí)的咖啡粉中，如此的來的壓力也比以往更加大而穩(wěn)定。所以在咖啡上生成了一層克麗瑪。這是克麗瑪?shù)谝淮卧跉v史上出現(xiàn)。至此，克麗瑪成了意大利咖啡的象征。與先前的土耳其咖啡一般，克麗瑪同樣是判別咖啡優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。Gaggia發(fā)明的咖啡機(jī)也使得咖啡的泡制過程更加戲劇有趣。以臂膀操作橫桿繼而橫桿逐漸回到先前位置的動作便稱為了眾多Espresso 吧臺的例行表演。
在這將近一百年的咖啡機(jī)器進(jìn)化史中，人們還發(fā)現(xiàn)，如果利用額外的8-9bar加壓，強(qiáng)制性地讓水迅速地穿過咖啡粉，咖啡粉與飽含壓力的水間產(chǎn)生的抗力，會讓每杯咖啡的萃取釀造時時長縮小到25 秒，還使得咖啡粉末搗碎研磨到面粉般柔細(xì)，提高了萃取率。
得益于Espresso 這種咖啡沖泡法，不但可以加快沖煮速度，也提升了咖啡品質(zhì)。一方面它使得咖啡館經(jīng)營者節(jié)省了成本和時間，每日沖煮量增加了數(shù)倍，另一方面也吸引了更加廣泛的咖啡人口，如今早已風(fēng)靡了世界的咖啡市場，變?yōu)槭袌錾系闹髁鳌?
1.2 國內(nèi)咖啡機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀
隨著中國家電業(yè)的不斷進(jìn)展，世界家電制造基地往中國遷徙的趨勢越來越明顯。作為小家電家族中的重要成員咖啡機(jī)雖然大多數(shù)人并不十分熟悉，但其在西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)十分流行普及，咖啡文化早已在歐美經(jīng)久不衰。這個時代歐美文化尤其是消費(fèi)觀念正影響著全球，國內(nèi)的越來越多的消費(fèi)者尤其是普通大眾喜歡上了這個洋玩意，讓它變得家庭化。
咖啡機(jī)行業(yè)的發(fā)展歷程可以劃分為幾個階段，最開始的虹吸式、滴落機(jī)械式、電子編程控制式，發(fā)展到現(xiàn)在主流的高壓蒸汽式，今后發(fā)展的趨勢勢必是全自動組合式。
二十世紀(jì)八十年代末到九十年代初，國內(nèi)港資、臺資廠利用世界制造產(chǎn)業(yè)往中國轉(zhuǎn)移的契機(jī)，發(fā)展為歐美市場貼牌制造咖啡機(jī)電器的中堅力量。但到了后期，受制于單機(jī)利潤逐年的下滑，管理成本與材料成本持續(xù)居高等眾多不好因素的影響，咖啡機(jī)產(chǎn)業(yè)又逐漸青睞于迅速發(fā)展起來的更具競爭力和活力的民營企業(yè)。隨著全球化的不斷加劇，目前大部分研發(fā)性任務(wù)已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)本土化，國內(nèi)技術(shù)人員參加了策劃、研發(fā)、認(rèn)證到生產(chǎn)的全過程。
1.3 課題的意義及目的
國內(nèi)生產(chǎn)的咖啡機(jī)，大多是半自動的，溫度控制精度不高，且操作較為不方便，更多的是以手工輔助進(jìn)行間歇式工作，泡制前的準(zhǔn)備工作以及清洗既繁瑣又不方便。因此，不少公司使用的大多是進(jìn)口的外國全自動咖啡機(jī)，這些全自動咖啡機(jī)不但可以對溫度、濃度甚至咖啡粉的粗細(xì)度實(shí)現(xiàn)操縱控制，以滿足用戶更優(yōu)質(zhì)的使用需求；但對于大多數(shù)家庭用戶來說，進(jìn)口咖啡機(jī)一般價格較高，性價比低，經(jīng)濟(jì)上比較難以承受。所以很有必要設(shè)計開發(fā)一款功能相對齊全高效而且低價的咖啡機(jī)。
本文主要是設(shè)計一種全自動咖啡機(jī)的整體工作方式，包括磨豆裝置，加水燒水系統(tǒng)，釀造裝置。
在磨豆裝置中設(shè)置有調(diào)節(jié)咖啡粉粗細(xì)度的機(jī)構(gòu)，可以人工實(shí)現(xiàn)研磨咖啡粉的粒度。
加水燒水系統(tǒng)中，設(shè)計了一套液壓系統(tǒng)裝置，可以實(shí)現(xiàn)對水的安全快速加熱，又控制了加熱的水量、沖泡的水量，有利于節(jié)約用水。我們通過控制中心以及撥碼開關(guān)，用戶可以自行控制泡制的水量。沖泡完畢后用完的熱水可以自行流出到廢水槽外。
在釀造器的設(shè)計中，我們考慮到了殘渣的清除，設(shè)計了一扇彈簧控制的拉門，可以在釀造完畢后打開，露出濾網(wǎng)以待清洗，方便簡單有效。
控制系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為核心，附有溫度傳感器，流量計，按鍵系統(tǒng)，加熱電路，各種開關(guān)以及液壓裝置來完成整個系統(tǒng)的控制。
2 總體方案設(shè)計
2.1 咖啡機(jī)的工作原理
現(xiàn)磨的咖啡粉的粗細(xì)度、釀造咖啡時的水溫包括水與咖啡粉的混合比例即咖啡液的濃度等都會關(guān)系到咖啡的口味。全自動咖啡機(jī)的研發(fā)中都要囊括到這些因素。
一般來說，咖啡的泡制釀造方法是：首先對咖啡豆進(jìn)行搗碎研磨到適宜的粗細(xì)度，將清水的溫度燒到指定溫度（一般90℃），在釀造器中對咖啡粉進(jìn)行萃取、釀造。高溫高壓的熱水通過液壓管道在釀造器中與咖啡粉保持8S左右的接觸時間，以確?？Х确壑械挠杏梦镔|(zhì)最大化地溶解在熱水中并隨熱水流出，流入指定位置的咖啡杯中。
所以，咖啡機(jī)的重要設(shè)計參數(shù)要以此為基準(zhǔn)。
從結(jié)構(gòu)上來看，咖啡機(jī)可以分為粉碎研磨機(jī)構(gòu)、加熱并供水系統(tǒng)、萃取釀造室、控制中心幾個系統(tǒng)。
從工藝流程上來看，首先以研磨機(jī)構(gòu)搗碎研磨烘焙好的咖啡豆，獲得一定粗細(xì)度的咖啡粉；咖啡粉由送粉電機(jī)輸送至釀造器中。在水路方面，純凈水由泵加壓對水路系統(tǒng)進(jìn)行供水，然后一定壓力的水先進(jìn)入加熱器加熱到設(shè)定的溫度，之后熱水或熱蒸汽進(jìn)入釀造室，與之前輸送來的咖啡粉接觸、萃取，泡成濃度適宜的咖啡液，從咖啡口流出滴入指定位置的容器中。釀造完畢之后，系統(tǒng)進(jìn)行自動與人工相結(jié)合的方式進(jìn)行除渣清洗工作。整個工作循環(huán)由控制電路控制。
咖啡機(jī)的工作流程如圖1所示：
圖1 全自動咖啡機(jī)的工作流程圖
從這個流程圖中可以看出，全自動咖啡機(jī)研發(fā)重點(diǎn)部分在于研磨粉碎機(jī)構(gòu)，加熱供水系統(tǒng)、釀造器、控制電氣系統(tǒng)。
2.2研磨機(jī)構(gòu)設(shè)計
2.2.1方案設(shè)計及原理
咖啡機(jī)一般通過兩研磨磨盤將咖啡豆磨成咖啡粉。在本次設(shè)計中，我們采用以下方案思路設(shè)計一種可以清除研磨機(jī)構(gòu)中咖啡粉殘留物并且能夠調(diào)節(jié)咖啡粉粗細(xì)的研磨機(jī)構(gòu)：研磨裝置上方設(shè)一個盛豆倉，盛豆倉下方設(shè)有磨體，磨體里面有兩個磨盤，一個轉(zhuǎn)動磨盤，一個靜止磨盤，兩個磨盤具有一定的形狀和厚度，研磨機(jī)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸間接與轉(zhuǎn)動磨盤相連，磨出的咖啡粉直接掉入下方的送粉螺桿里，或者通過不斷轉(zhuǎn)動的小刷子掃入螺桿里。所述的靜止磨盤通過螺釘固定在靜止磨盤架上，靜止磨盤架利用螺紋固定于外緣帶螺紋的連接件上，連接件利用螺紋旋接于磨體上，轉(zhuǎn)動磨盤通過螺釘與轉(zhuǎn)動磨盤架相連，轉(zhuǎn)動磨盤架通過鍵槽與轉(zhuǎn)軸相連。
我們采用這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：因?yàn)殪o止磨盤固定于靜止磨盤架上，靜止磨盤架又與外緣帶螺紋的連接件固定相連，連接件與磨體相連；其可將盛豆倉、靜止磨盤、靜止磨盤架從磨體上拆下來，如此一來定期清洗研磨裝置中殘留的咖啡粉就十分方便。使用時，將靜止磨盤、靜止磨盤架、盛豆倉旋入磨體中，便可進(jìn)行磨豆操作。整個研磨示意圖如圖2所示：
圖2 研磨機(jī)構(gòu)示意圖
1-電源箱 2-送粉電機(jī) 3-聯(lián)軸器 4-磨體 5-鍵
6-轉(zhuǎn)動磨盤架 7-螺栓 8-墊圈 9-轉(zhuǎn)動磨盤 10-連接件
11-豆倉 12-調(diào)節(jié)桿 13-調(diào)節(jié)齒 14-連接件 15-調(diào)節(jié)齒輪
16-靜止磨盤架 19-靜止磨盤 20-小毛刷 21-螺旋送粉軸 22-釀造室
23-彈簧 24-除渣銷 25-密封墊片 26-磨豆電機(jī) 29-密集濾網(wǎng)
本次設(shè)計的搗碎研磨機(jī)構(gòu)設(shè)置有簡單的咖啡粉末粗細(xì)調(diào)節(jié)裝置，包括：調(diào)節(jié)桿和設(shè)在桿上的調(diào)節(jié)齒輪，在連接件設(shè)上設(shè)有與調(diào)節(jié)齒輪相配合的調(diào)節(jié)齒。當(dāng)需要調(diào)整粉末粗細(xì)的時候，人工轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)齒輪，調(diào)節(jié)齒輪帶動配合在連接件上的調(diào)節(jié)齒，這樣連接件相對于磨體轉(zhuǎn)動，靜止磨盤和轉(zhuǎn)動磨盤間的間隙就可以被調(diào)整，以此來調(diào)節(jié)所磨咖啡粉末的粗細(xì)。
我們在出粉通道中設(shè)有螺旋軸，送粉電機(jī)與螺旋軸相連，研磨電機(jī)開啟后，送粉電機(jī)也相應(yīng)開啟，這樣可將咖啡粉送出的比較干凈，減少了咖啡粉在研磨裝置中得殘留，而且節(jié)省總體沖泡時間。
下面就上圖進(jìn)行一下簡單說明：19是靜止磨盤，固定于靜止磨盤架16上，16固定在外緣帶螺紋的連接件14上，14再旋接于磨體4上；9是轉(zhuǎn)動磨盤，通過轉(zhuǎn)動磨盤架6與轉(zhuǎn)軸相連。
粉末粗細(xì)調(diào)整機(jī)構(gòu)包括：調(diào)節(jié)桿12和設(shè)于調(diào)節(jié)桿上的調(diào)節(jié)齒輪15，連接件14上設(shè)有與調(diào)節(jié)齒輪相配合的調(diào)節(jié)齒13。出粉通道內(nèi)設(shè)有螺旋送粉軸21，與送粉電機(jī)2通過聯(lián)軸器3相連。
在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上套有一木制的小毛刷，隨轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)動磨盤一起轉(zhuǎn)動，可以把非螺旋軸的一側(cè)的咖啡粉掃進(jìn)螺旋軸中，更好的將磨成的咖啡粉輸送出去。
2.2.2 磨盤的選擇與計算
市面上的磨盤一般分為陶瓷制的磨盤和金屬材料的磨盤。
陶瓷磨盤的好處： 1、機(jī)械強(qiáng)度高；
2、耐磨性、耐腐蝕性好；
3、熱穩(wěn)定性好；
4、環(huán)保無污染等。
缺點(diǎn)是：1、脆性大，耐沖擊能力低、易碎；
2、產(chǎn)品不易回收利用，一次成型。
金屬磨盤由于具有，抗碰撞，輕盈，耐高溫等的優(yōu)點(diǎn)，因此本次設(shè)計選擇金屬制的磨盤。采用45鋼制作，外鍍合金鋼使其不生銹。如圖3所示為常見的不銹鋼磨盤。
圖3 不銹鋼磨盤
根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得，生產(chǎn)力Q和研磨直徑D基本滿足以下關(guān)系：
Q=450k-1vqDk2
k-生產(chǎn)系數(shù)1-1.5，本次計算取1.5；
v-磨盤對緣的線速度；
D-磨盤直徑；
q-比壓荷，咖啡豆加工時取2kg/m2；
g重力加速度；
磨盤對緣速度：
v=nDπ60
為了保證生產(chǎn)率，Q一般取10kg/h,結(jié)合上述兩公式，初步帶入轉(zhuǎn)速為700r/min?？傻?
10≤450×0.5×2×3.14×700×D21.5×1.5×60
得出，D≥0.035m。此設(shè)計中，選擇D=0.042m。其厚度定為15mm。具體結(jié)構(gòu)參見零件圖“轉(zhuǎn)動磨盤零件圖”和“靜止磨盤零件圖”。
2.2.3 磨豆電機(jī)的計算與選擇
一般來說，兩磨盤與咖啡豆之間擠壓的正壓力不會超過2000N，摩擦系數(shù)經(jīng)過查表取0.5，根據(jù)材料力學(xué)的公式得出工作時所需要的扭矩
M=f×00.021xdx=0.1N·m
考慮到過載，為了有足夠的工作能力，代入負(fù)載扭矩為1N·m。
根據(jù)直流電機(jī)的功率計算公式
P=T·n9550
其中： P的單位為kw；
T為扭矩，單位N·m；
n為轉(zhuǎn)速，取700r/min.
得出P=73w。
綜上所述，本設(shè)計選擇功率為100w，額定轉(zhuǎn)矩為10N·m，額定轉(zhuǎn)速為700r/min的小型直流電機(jī)。經(jīng)過查找手冊和網(wǎng)絡(luò)，選出一款型號為LR775的有刷直流磨豆電機(jī)，額定電壓為24v，額定電流為0.1A，額定轉(zhuǎn)速為760r/min,額定轉(zhuǎn)矩為10N·m，效率為80%。其輸出軸直徑為10mm。輸出軸的長度為60mm。外形尺寸為93mm×56mm。
2.2.4 電機(jī)輸出軸的強(qiáng)度校核
由于電機(jī)輸出軸主要受到的是不超過1N·m負(fù)載扭矩的作用，對于實(shí)心軸來說，
由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力計算公式：
τ=T0.2d3 =10.2×0.013 =5000000Pa =5MPa<[τ]=20Mpa。
所以軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度是足夠的。
2.2.5 鍵的選用與校核
考慮到咖啡機(jī)內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度滿足的問題，我們直接在電機(jī)輸出軸上開鍵槽，利用鍵與轉(zhuǎn)動磨盤架直接相連。
對于10mm的軸，查手冊GB/T1096-2003此處可以選用B型平鍵。
鍵寬b=3mm 鍵高h(yuǎn)=3mm 鍵公稱長度l=12mm
鍵的兩側(cè)面是工作面，工作時通過鍵與側(cè)面的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩，受到擠壓和剪切力。
實(shí)踐證明，鍵連接的主要失效形式是它工作側(cè)面被壓潰。所以我們校核時按擠壓應(yīng)力進(jìn)行校核。
σp=4Tdhl =x=4×110×3×12 =0.024MPa<[σp]=110MPa。
所以，擠壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求。
2.2.6 送粉電機(jī)與送粉螺旋軸
對于送粉電機(jī)，由于沒有特別的負(fù)載要求，我們選擇一款產(chǎn)品型號為JGB37-520的直流電機(jī)即可，電壓為12V，轉(zhuǎn)速為600r/min，額定功率3W。輸出軸的直徑為7mm。
對于送粉螺旋軸，已知輸送機(jī)的功率為 P=0.003Kw,工作轉(zhuǎn)速為 n=600r/min。
對只受轉(zhuǎn)矩或以承受轉(zhuǎn)矩為主的傳動軸,應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計算軸的直徑。若有彎矩作用,可用降低許用應(yīng)力的方法來考慮影響。
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計算：
式中： d—計算剖面處軸的直徑mm；
T—軸傳遞的額定扭矩N·m, T=9550000N·m ；
N —軸傳遞的額定功率 0.003kw；
n—軸的轉(zhuǎn)速600r/min；
[]—軸的許用應(yīng)力；
A—按[]所定的系數(shù)查表得A=130。
代入上述公式得，d>2.2mm。
為了保持與電機(jī)輸出軸保持一致，也選擇直徑為7mm的送粉螺桿。
2.2.7 聯(lián)軸器
在電機(jī)輸出軸與螺桿軸之間選擇彈性柱銷聯(lián)軸器FCL80。它的參數(shù)為：
額定扭矩 6.5N·m 最大扭矩13N·m
最高轉(zhuǎn)速4000r/min 徑向偏差0.02mm
角向偏差1.0 軸向偏差+0.06mm
重量420g
彈性柱銷聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)相對簡單，正常條件可連續(xù)長期運(yùn)行。承載能力大，使用壽命長，可靠安全。工作穩(wěn)定可靠，擁有優(yōu)良的減振、電氣絕緣和緩沖性能。具有較大的和角向和軸向、徑向補(bǔ)償能力。結(jié)構(gòu)簡單，徑向尺寸較小，重量輕，轉(zhuǎn)動慣量小，適用于中高速場合。在網(wǎng)上，目前有很多孔徑的柱銷聯(lián)軸器可以供選擇，對于咖啡機(jī)內(nèi)部來說，空間小、質(zhì)量輕的聯(lián)軸器是我們需要的產(chǎn)品。
2.2.8調(diào)節(jié)齒輪與調(diào)節(jié)齒
在調(diào)節(jié)齒輪方面，由于是人工手動調(diào)速，轉(zhuǎn)速不高，頻率不高，沒有大的沖擊載荷和負(fù)載。
因此我們直接加工模數(shù)m=1.5mm，齒數(shù)為19的調(diào)節(jié)齒輪，在連接件上做出相應(yīng)的一段齒即可。硬度為400HBsE，材料選擇鑄鋼。
在連接件上鑄上模數(shù)為1.5mm，齒數(shù)為43的齒。
兩個配合齒輪基本參數(shù)整理見表1。
表1：調(diào)節(jié)齒輪與連接件上齒的基本參數(shù)
名稱
符號
公式
調(diào)節(jié)齒輪
調(diào)節(jié)齒（所在齒輪）
齒數(shù)
z
z
19
43
模數(shù)
m
m
1.5
1.5
傳動比
i
i
2.26
2.26
分度圓直徑
d
d=mz
28.5
64.5
齒頂高
ha
ha =h*a m
1.5
1.5
齒根高
hf
hf=(ha*+c*)m
1.875
1.875
齒全高
h
h=ha+hf
3.375
3.375
齒頂圓直徑
da
da =d +2ha
31.5
67.5
續(xù)表1：調(diào)節(jié)齒輪與連接件上齒的基本參數(shù)
齒根圓直徑
df
df =d-2hf
24.75
60.75
基圓直徑
db
db =d cos20°
26.78
60.61
中心距
a
a=m(z1+z2)
93
93
齒距
p
P=πm
4.71
4.71
齒厚
s
S=πm/2
2.36
2.36
齒槽寬
e
e =πm/2
2.36
2.36
頂隙
c
c=c*m
0.375
0.375
2.2.9 螺釘與螺紋的選用
1）螺釘?shù)倪x用:由于磨盤較厚，并且考慮到不阻擋咖啡豆和磨好的咖啡粉的路徑，在靜止磨盤與靜止磨盤架、轉(zhuǎn)動磨盤與轉(zhuǎn)動磨盤架的連接固定問題上，選擇不貫穿的螺釘連接，結(jié)構(gòu)也更簡單緊湊。查國標(biāo)GB/T70.1-2001,選擇規(guī)格d為M1.6，螺距P為0.35，s為1.5，規(guī)格長度為4的六角圓柱頭螺栓8只。
下面我們分別來校核一下靜止磨盤和轉(zhuǎn)動磨盤所使用的螺釘?shù)膹?qiáng)度是否符合要求：
（1）靜止磨盤螺釘校核
靜止磨盤使用的螺釘主要承受由于摩擦產(chǎn)生的力矩T，由螺釘與墊片之間的摩擦轉(zhuǎn)矩抵消。受力圖如下圖4所示：
圖4 靜止磨盤螺釘受力示意圖
假設(shè)底板結(jié)合面上各螺釘連接處的摩擦力均相等且集中于螺釘中心，并垂直于螺釘中心島地板旋轉(zhuǎn)中心的連線。這些摩擦力對地板旋轉(zhuǎn)中心力矩的綜合平衡旋轉(zhuǎn)力矩T。
fFl1+ fFl2+ fFl3+ fFl4=KfT
f為結(jié)合件之間的摩擦系數(shù)，此處取0.15；
l代表螺釘中心到磨盤中心的距離，此處為13.4mm，即0.0134m；
Kf為考慮摩擦傳力的可靠性系數(shù)，一般取1.1-1.5，這里代入1.2；
T為旋轉(zhuǎn)力矩，經(jīng)過上面的計算可知T為0.1N·m，我們代入1N·m來校核。
這樣代入數(shù)值算得F=1.2×10.15×4×0.0134=149N。
螺釘強(qiáng)度條件為σ=4×1.3Fπd2=97MPa≤[σ]=400MPa。
d為螺釘?shù)墓Q直徑，單位：mm
因此螺釘?shù)膹?qiáng)度滿足要求。
（2）轉(zhuǎn)動磨盤螺釘?shù)男：?
與靜止磨盤一樣，轉(zhuǎn)動磨盤使用的螺釘主要承受由于摩擦產(chǎn)生的力矩T，由螺釘與墊片之間的摩擦轉(zhuǎn)矩抵消。受力圖如下圖5所示：
圖5 轉(zhuǎn)動磨盤螺釘受力示意圖
假設(shè)底板結(jié)合面上各螺釘連接處的摩擦力均相等且集中于螺釘中心，并垂直于螺釘中心島地板旋轉(zhuǎn)中心的連線。這些摩擦力對地板旋轉(zhuǎn)中心力矩的綜合平衡旋轉(zhuǎn)力矩T。
fFl1+ fFl2+ fFl3+ fFl4=KfT
f-結(jié)合件之間的摩擦系數(shù)，此處取0.15；
l代表螺釘中心到磨盤中心的距離，此處為21mm，即0.021m；
Kf為考慮摩擦傳力的可靠性系數(shù)，一般取1.1-1.5，這里代入1.2；
T為旋轉(zhuǎn)力矩，經(jīng)過上面的計算可知T為0.1N·m，我們代入1N·m來校核。
這樣代入數(shù)值算得F=1.2×10.15×4×0.021=95.2N
螺釘強(qiáng)度條件為σ=4×1.3Fπd2=61.6MPa≤[σ]=400MPa
因此螺釘?shù)膹?qiáng)度滿足要求。
2）連接件與磨體之間螺紋連接，磨體上為內(nèi)螺紋，連接件上為外螺紋。按照GB/T 192-2003,選擇外螺紋公稱直徑為58mm，螺距為3mm，單程，旋合長度為S級，8mm。
3）連接件與靜止磨盤架之間為螺紋連接，連接件上為內(nèi)螺紋，靜止磨盤架上為外螺紋。按照GB/T 192-2003，選擇外螺紋公稱直徑為50mm，螺距為3mm，單程，旋和長度為S級，10mm。
2.2.10 調(diào)節(jié)齒輪的精度
由以上的調(diào)節(jié)齒輪與配合螺紋的選擇，我們可以計算出來,當(dāng)調(diào)節(jié)齒輪轉(zhuǎn)一圈時，連接件轉(zhuǎn)動1/i=0.44圈，此時連接件與磨體之間的相對升降高度為：
H=0.44P=1.32mm
也就是說，調(diào)節(jié)齒輪順時針旋轉(zhuǎn)一圈靜止磨盤與轉(zhuǎn)動磨盤之間的相對距離增大1.32mm，這對于調(diào)節(jié)咖啡粉的粗細(xì)度來說是個不小的數(shù)值。
調(diào)節(jié)數(shù)值見表2。
表2 調(diào)節(jié)齒輪精度表
轉(zhuǎn)過的齒數(shù)
調(diào)節(jié)齒輪順時針轉(zhuǎn)
調(diào)節(jié)齒輪逆時針轉(zhuǎn)
1
距離增大0.069mm
距離縮小0.069mm
2
距離增大0.138mm
距離縮小0.138mm
3
距離增大0.208mm
距離縮小0.208mm
4
距離增大0.276mm
距離縮小0.276mm
5
距離增大0.347mm
距離縮小0.347mm
6
距離增大0.417mm
距離縮小0.417mm
7
距離增大0.486mm
距離縮小0.486mm
8
距離增大0.556mm
距離縮小0.556mm
9
距離增大0.625mm
距離縮小0.625mm
10
距離增大0.695mm
距離縮小0.695mm
11
距離增大0.764mm
距離縮小0.764mm
12
距離增大0.834mm
距離縮小0.834mm
13
距離增大0.903mm
距離縮小0.903mm
14
距離增大0.972mm
距離縮小0.972mm
15
距離增大1.042mm
距離縮小1.042mm
16
距離增大1.116mm
距離縮小1.116mm
17
距離增大1.181mm
距離縮小1.181mm
18
距離增大1.251mm
距離縮小1.251mm
19
距離增大1.320mm
距離縮小1.320mm
2.3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計
2.3.1液壓系統(tǒng)原理
1、水箱 2、過濾器 3、液壓泵
4、溢流閥 5、單向閥 6、流量計
7、二位三通電磁換向閥D1 8、鍋爐 9、加熱器
10、蒸汽安全閥 11、過濾器 12、溫度傳感器
13、待加熱熱水容器 14、二位三通電磁換向閥D2 15、二位三通電磁換向閥D3
16、二位三通電磁換向閥D4 17、流量計 18、釀造器
19、二位三通電磁換向閥D5 20、廢液回收箱
工作過程：當(dāng)按下電源鍵和“杯量鍵”后，泵3啟動，開始工作。從水箱1中抽出純凈水經(jīng)過過濾器1過濾，分為兩路，一路經(jīng)過電磁換向閥1進(jìn)入鍋爐體內(nèi)，作為加熱水的介質(zhì)，其在鍋爐內(nèi)水達(dá)到一定量后自動斷電停止繼續(xù)抽入。另一路通過單向閥進(jìn)入待加熱容器13，途中安插流量計6，此流量計的作用使控制進(jìn)水量。進(jìn)水400ml后，控制中心會發(fā)出信號使泵停止抽水。待加熱容器由兩部分組成，一部分呈管狀，一部分呈箱體型，它們之間通過管路以及電磁換向閥14連接，可以自由進(jìn)行熱交換。為使水質(zhì)更優(yōu)質(zhì)，內(nèi)置過濾器11。鍋爐8內(nèi)有加熱裝置9，實(shí)質(zhì)是一加熱電阻，管狀外壁是熱交換介質(zhì)，可以充分的與加熱電阻和熱水進(jìn)行熱量交換。鍋爐上方置有蒸汽安全閥，防止鍋爐內(nèi)蒸汽壓力過大，損壞鍋爐以致毀壞咖啡機(jī)，可以控制爐內(nèi)壓力基本恒定。待溫度傳感器給出熱水溫度達(dá)到90℃的信號時，電磁換向閥14得電，帶有壓力的熱水和熱蒸汽進(jìn)入釀造器18中，中途安插流量計17，此流量計控制進(jìn)入熱水的量，待流經(jīng)熱水的量達(dá)到設(shè)定值時，電磁換向閥14失電，壓力熱水不再進(jìn)入釀造器。待熱水與咖啡粉在釀造器18充分萃取釀造8s后，電磁換向閥19得電，泡制好的咖啡從下通道流出。這時，用戶還可以按清洗鍵，鍋爐內(nèi)和容器內(nèi)的水通過電磁換向閥流出來處理掉。
2.3.2 泵的選擇與計算
液壓泵在液壓傳動系統(tǒng)中的作用是依靠電機(jī)把原動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體介質(zhì)的壓力能，是液壓系統(tǒng)的動力源。
一般來說根據(jù)原理不同分為齒輪式、葉片式、螺桿式和柱塞式等結(jié)構(gòu)形式?？紤]到使用在咖啡機(jī)中，質(zhì)量要輕，還要經(jīng)濟(jì)，在這里我們選擇齒輪泵。
齒輪泵的特點(diǎn)：齒輪泵具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、價格低、維修方便、耐污染等特點(diǎn)。
我們對咖啡機(jī)內(nèi)部液壓泵的基本要求是：
泵的出口壓力最大為15個大氣壓，揚(yáng)程不小于1m。
根據(jù)液壓手冊，選擇一種型號為CB-B2.5的外嚙合齒輪泵。
排量：2.5ml/r 額定壓力：2.5MPa
額定轉(zhuǎn)速1450r/min 容積效率為70%
驅(qū)動功率為0.13Kw 質(zhì)量2.5kg
則 理論流量Qt=nv/60×10-6=1450×2.5/60×10-6=60.4×10-6m3/s
n-液壓泵的額定轉(zhuǎn)速（r/min）；
v-液壓泵的排量（ml/r）；
Qt-液壓泵的理論流量（m3/s）；
故 實(shí)際流量Q=Qt×ρ=60.4×10-6×0.7=42.3×10-6m3/s
ρ-容積效率
則 輸出功率P=Q×p=42.3×10-6×1.5×10-6=63.45w
再 T·w=P，代入w=2πn 得扭矩T=0.86N·m
對于要配合功率為130w，額定轉(zhuǎn)速為1450r/min,扭矩為0.86N·m的齒輪泵，我們選擇一款型號為ZYTD-38SRZ-R的直流電機(jī)。其電壓為24V，功率為150W,額定轉(zhuǎn)速1450r/min,扭矩10N·m。
2.3.3 其他液壓元件的選擇
1）蒸汽安全閥：
安全閥是一種自動閥門，它不需要借助任何外力而時利用介質(zhì)本身的力來排出一定數(shù)量的流體，以避免壓力超過額定的安全值。當(dāng)壓力回到正常后，閥門再行關(guān)閉并阻止流體繼續(xù)流出。安全閥作為壓力容器、鍋爐、壓力管道的超壓保護(hù)裝置，對它的要求是比較全面的。對于蒸汽壓力閥來說，適時全開和準(zhǔn)確開啟是必不可少的的條件。根據(jù)《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第143條 額定蒸汽壓力小于等于0.8MPa 的安全閥+0.03MPa +0.05MPa 注：①任何鍋爐上都必須有一個安全閥。對有過熱器的鍋爐裝置，接較低的壓力進(jìn)行調(diào)整的安全閥，須為過熱器上的安全閥，用以保證過熱器的安全閥先行開啟。 ②表中的工作壓力，對于脈沖式安全閥系指沖量接出地點(diǎn)的工作壓力，對其他類型的安全閥系指安全閥裝置地點(diǎn)的工作壓力。 第144條 安全閥啟閉壓差一般應(yīng)為整定壓力4%～7%，最大不超過10%。當(dāng)整定壓力小于 0.3MPa時，最大啟閉壓差為0.03MPa。
在此處，我們選擇主流的A48Y25型號的蒸汽安全閥，開啟壓力定為0.88Mpa，采用BS6759代號的安全規(guī)范，啟閉壓差0.03Mpa。
2）過濾器的選用：
過濾器是除去液體中少量固體顆粒的小型設(shè)備，可保護(hù)壓縮機(jī)、泵、儀表和其他設(shè)備的正常工作，當(dāng)液體進(jìn)入置有一定規(guī)格濾網(wǎng)的濾筒后，其雜質(zhì)被阻擋，而清潔的濾液則由過濾器出口排出，當(dāng)需要清洗時，只要將可拆卸的濾筒取出，處理后重新裝入即可，維護(hù)十分方便。
過濾器的型號由過濾器結(jié)構(gòu)形式，連接形式，材料類別，接管、法蘭等的標(biāo)準(zhǔn)，壓力等級5部分組成。
在結(jié)構(gòu)形式上，我們選擇ST3（直流式T型過濾器），連接形式代碼采用1（內(nèi)螺紋連接），材料類別代碼采用L（鋁合金），標(biāo)準(zhǔn)代碼H（接管尺寸采用GB標(biāo)準(zhǔn)，法蘭采用HG標(biāo)準(zhǔn)），壓力等級代碼。綜合來看，我們選擇型號ST3LH的T型過濾器。
3）電磁換向閥的選擇
本設(shè)計中運(yùn)用到的電磁換向閥較多，其開啟大都由單片機(jī)控制電路來控制。我們選擇型號為3V210-08二位三通電磁閥，工作電壓為24V，重量0.3kg，使用壓力0.17-0.79MPa，連接形式為內(nèi)螺紋，工作溫度為5-50度。
4）溢流閥的選擇
本設(shè)計中溢流閥旁接于泵的出口，保證回路壓力不會過大。選擇一款型號為Y-10B的溢流閥，公稱流量為10L/min，最大流量為6.3L/min,最小流量為0.5L/min,卸荷壓力為1.5MPa，閥徑為12mm。連接方式為螺紋連接。
5）單向閥的選擇
本設(shè)計中選擇一款型號為AQTDXF4的單向閥，閥門結(jié)構(gòu)形式為直通式，材質(zhì)是塑膠。連接方式為快裝，口徑８ｍｍ，開啟壓力為0.015MPa，反向逆壓為１.０ＭPa。
2.4釀造器的設(shè)計
本設(shè)計中釀造器的功能一方面要接收來自螺旋軸傳送過來的咖啡粉，把它盛放在濾網(wǎng)上方的濾紙上，另一方面熱水從上方進(jìn)水口沖進(jìn)來與濾紙上的咖啡粉進(jìn)行充分的萃取混合。8s后單片機(jī)控制電磁換向閥得電，釀造好的咖啡從下出水口流出。詳細(xì)構(gòu)造如下圖6所示：
圖6 釀造器構(gòu)造圖
1-釀造器殼體 2-彈簧
3-濾網(wǎng)及濾紙 4-除渣銷
5-密封墊片
考慮到盛水容量，此釀造器寬b=80mm 長l=80mm 高h(yuǎn)=100mm，壁厚3mm。因此成水量在600ml以上。
釀造器的左上方入口為送粉入口，右上方和右下方口分別為進(jìn)水口和出咖啡溶液口。釀造完畢后，可以拔出“清洗按鈕”，右端可滑動箱體由于受到彈簧拉力的作用被拉到上方，露出濾紙和濾渣，濾網(wǎng)綁在箱體四個角落上，濾紙覆蓋在濾網(wǎng)上，可以直接拿出濾紙，換上一張新的濾紙即可下次沖泡。方便快捷，安全衛(wèi)生。換好后拉下箱體，插上“清洗按鈕”即可。清洗按鈕實(shí)質(zhì)上是我們自行設(shè)計的一個可以卡住兩個箱體的小零件。兩個箱體的末端凸出一部分圓弧，有利于保持容器的密閉性。
3 控制部分方案的設(shè)計
3.1 全自動咖啡機(jī)控制系統(tǒng)方案基本原理
控制系統(tǒng)首先通過電源電路對系統(tǒng)供電，其中溫度傳感器、時鐘電路、復(fù)位電路、撥碼開關(guān)、流量計均屬于電路的輸入部分，繼電器控制的磨豆電機(jī)M1，傳粉電機(jī)M2，泵用電機(jī)M3以及電磁換向閥和控制加熱電阻的繼電器均為輸出部分?；驹韴D如下圖7所示：
圖7 自動咖啡機(jī)控制系統(tǒng)原理圖
全自動咖啡機(jī)控制裝置是在單片機(jī)的程序控制下進(jìn)行工作的。首先，操作者需要人工調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)齒輪，取得相應(yīng)的期待效果的咖啡粉粗細(xì)度。打開豆倉蓋，放入適量的烘焙好的咖啡豆。然后，根據(jù)需要泡制的咖啡溶液的多少，接通電源，選擇撥碼開關(guān)相應(yīng)的組合。按下啟動鍵，咖啡機(jī)開始工作。磨豆電機(jī)、磨粉電機(jī)以及泵同時開始工作。為了避免加熱電阻的干燒，設(shè)定2s后清水進(jìn)入鍋爐和容器再接通加熱電阻。為避免鍋爐內(nèi)抽入的水過多，蒸汽壓力太大，設(shè)置8s后控制水進(jìn)入鍋爐的電磁換向閥1失電，待流量計1檢測到進(jìn)入容器的水量達(dá)到400ml時，將泵停止。開機(jī)15s后，磨豆電機(jī)和磨粉電機(jī)停止，此時磨好的一定粒度的咖啡粉已經(jīng)被送入到釀造器的濾紙上等待釀造。當(dāng)溫度傳感器檢測到水溫達(dá)到90攝氏度后，電磁換向閥2得電，熱水由于高壓被壓入釀造器中。當(dāng)流量計2檢測到流過的熱水到達(dá)所設(shè)定的水量時，電磁換向閥2得電，熱水不再進(jìn)入釀造器。設(shè)置時間8s后，電磁換向閥3得電，釀造好的咖啡溶液由下端流出。5s后，電磁換向閥4和5得電，廢棄的水流出來。給咖啡機(jī)斷電即完成此次沖泡。
3.2電源
電源是所有的電子設(shè)備不可缺少的組成部分，它的性能的好壞直接影響到電子設(shè)備的各項技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)而關(guān)系到電子設(shè)備能否安全有效的工作?，F(xiàn)在流行的是開關(guān)電源與直流穩(wěn)壓電源兩大類。近年來，集成電路快速發(fā)展，相應(yīng)地-穩(wěn)壓電路也飛速實(shí)現(xiàn)了集成化。與分立晶體管電路相比較，它的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在占用空間小、質(zhì)量輕盈、省電量、工作可靠度高、運(yùn)作時間大大縮短，而且調(diào)試起來快捷、應(yīng)用靈敏，容易實(shí)施大量自動化生產(chǎn)。
在本次設(shè)計中，我們需要有穩(wěn)定的直流5V，直流12V，直流24V的電源電壓。5V的元器件有：單片機(jī)、流量計、溫度傳感器等。12V的元器件是送粉電機(jī)。24V的元器件是磨粉電機(jī)及泵電機(jī)。
3.2.1電源的作用與組成
各種電子電路都要求用穩(wěn)定的直流電源供電，由整流濾波電路可輸出較為平滑的直流電壓，但當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載改變時，將會引起輸出電壓改變而不穩(wěn)定。為了獲得穩(wěn)定的輸出電壓。濾波電路的輸出電壓還應(yīng)該經(jīng)穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。
因此電源的組成為：電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路。
電源變壓器可以將將電網(wǎng)提供的220V交流電降低到與所需目標(biāo)電壓相近的電。
整流電路：利用四只二極管將交流電轉(zhuǎn)換成仍然是脈動形式的直流電壓。
濾波電路：利用儲能元件電容器把脈動直流電轉(zhuǎn)換成比較平坦的直流電。
穩(wěn)壓電路：利用穩(wěn)壓器調(diào)整使得輸出電壓穩(wěn)定。
3.2.2 電源工作原理
（1）5V電源
圖8 直流5V降壓整流濾波電路
整個電路電路如圖8所示，控制電路采用變壓器降壓、晶體二極管整流等方法獲得工作電源。當(dāng)電源接入220V交流電，線圈對220V交流電進(jìn)行降壓，從次級輸出8V左右的低壓交流電，從而適應(yīng)電路的使用要求。線圈的匝數(shù)比為i1=220/8=27.5.整流硅對次級輸出地交流電進(jìn)行橋式整流，再由電容器對其濾波，形成較平滑的直流電，送給三端集成正輸出穩(wěn)壓器W7805進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)整。經(jīng)W7805穩(wěn)壓作用后輸出+5V的直流電壓，再經(jīng)電容器濾波后輸出波紋很低的+5V電壓，作為單片機(jī)、溫度傳感器、流量計等的的工作電源。對于電路里的元器件，選擇推薦使用的1000uF和470uF的電容，濾波電容選擇0.33uF和1uF的電容。二極管選擇4只1N4402。
（2）12V與24V電源
與獲取5V的電源電壓方法原理類似，獲得12V與24V的直流電源同樣是降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓的過程。
不同的是，獲得12V的電壓時，首先降壓得到15V的交流電，此時降壓比（即線圈匝數(shù)比）i2=220/15=14.67。穩(wěn)壓器選擇W7812，將15V的波動電壓穩(wěn)定在12V。供給磨粉電機(jī)以及電磁換向閥用。原理圖如圖9所示：
圖9 直流12V降壓整流濾波電路圖
獲得24V的電壓時，首先降壓得到30V的交流電，此時降壓比（即線圈匝數(shù)比）i2=220/30=29.3。穩(wěn)壓器選擇W7824，將30V的波動電壓穩(wěn)定在24V。供給磨豆電機(jī)和泵電機(jī)使用。電路原理圖如圖10所示：
圖10 直流24V降壓整流濾波電路圖
3.2.3穩(wěn)壓器的選用與介紹
集成穩(wěn)壓器是指將不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓的集成電路。78XX系列集成穩(wěn)壓器是常用的固定正輸出電壓的集成穩(wěn)壓器，輸出電壓有5V、6V、9V、12V、18V、24V等規(guī)格，最大輸出電流為1.5A。它的工作原理：取樣電路將輸出電壓按比例取出，送入比較放大器與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，差值被放大后去控制調(diào)整管，以使輸出電壓保持穩(wěn)定。它的內(nèi)部含有限流保護(hù)、過熱保護(hù)和過壓保護(hù)電路，采用了噪聲低、溫度飄逸小的基準(zhǔn)電壓源，工作穩(wěn)定可靠。78XX系列集成穩(wěn)壓器為三端器件，一腳為輸入端，一腳為接地端。一腳為輸出端，使用十分方便。
在此設(shè)計中我們選用是78XX系列中得W7805，W7812，W7824。
78XX系列典型線路如圖11所示：
圖11 78XX系列典型線路圖
使用時，需要在輸入端和輸出端并聯(lián)兩個電容，C1用以抵消輸入端較長接線的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩，一般選擇0.1-1uF，此處選擇0.33UF。C0是為了瞬時增減負(fù)載電流時不致引起輸出電壓有較大的波動，可選用1uF。
輸入電壓和輸出電壓相差不得小于2V左右，一般在5V左右。因此我們在降壓的時候，分別一次降壓為8V、15V、30V。
3.3 控制系統(tǒng)硬件的選擇與簡介
3.3.1 硬件的選擇
一般來說要實(shí)現(xiàn)本設(shè)計的過程，PLC與單片機(jī)均可以實(shí)現(xiàn)。
單片機(jī)控制：優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，成本相對較低；缺點(diǎn)是用單片機(jī)制作的主控板受制版工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響導(dǎo)致抗干擾能力差，故障率高，不易擴(kuò)展，對環(huán)境依賴性強(qiáng),開發(fā)周期長。一個采用單片機(jī)制作的主控板不經(jīng)過很長時間的實(shí)際驗(yàn)證很難形成一個真正的產(chǎn)品。
PLC控制：優(yōu)點(diǎn)是PLC是經(jīng)過幾十年實(shí)際應(yīng)用中檢驗(yàn)過的控制器，其抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，易于設(shè)備的擴(kuò)展，便于維護(hù)，開發(fā)周期短。缺點(diǎn)是成本相對較高。
PLC是工業(yè)控制領(lǐng)域的主力軍，能夠完成強(qiáng)電的邏輯控制盒運(yùn)動控制及PID運(yùn)算；單片機(jī)適用于小型自動控制領(lǐng)域及無線控制領(lǐng)域；體積小價格便宜。單片機(jī)自身保護(hù)差，PLC自身保護(hù)強(qiáng)。PLC控制抗干擾能力比單片機(jī)強(qiáng)，PLC適用于中、大型設(shè)備，單片機(jī)適用于微、小型設(shè)備 ?？偠灾?，它們的區(qū)別是使用的領(lǐng)域不同，基本控制原理大體相同。
對于全自動咖啡機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計，由于其占用空間要小，經(jīng)濟(jì)方面也要盡可能的實(shí)惠，因此我們選擇用單片機(jī)作為主要的硬件核心。在單片機(jī)的各種系列中，選擇AT89C51單片機(jī)。
AT89C51單片機(jī)是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4Kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的AT89C51單片機(jī)可適用于提高許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活運(yùn)用于各種控制領(lǐng)域。它的引腳如圖12。
圖12 AT89C51單片機(jī)引腳圖
3.4 霍爾流量傳感器
水流量傳感器是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)來測量磁性物理量。在霍爾元件的正極串入負(fù)載電阻，同時通上5V的直流電壓并使電流方向與磁場方向正交。當(dāng)水通過渦輪開關(guān)殼推動磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，切割磁感應(yīng)線，產(chǎn)生高低脈沖電平。由于霍爾元件的輸出脈沖信號頻率與磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又與水流量成正比，根據(jù)水流量的大小啟動燃?xì)鉄崴?。其脈沖信號頻率的經(jīng)驗(yàn)公式為。
f=8．1q-3
式中：f—脈沖信號頻率，H2
q—水流量，L／min
由水流量傳感器的反饋信號通過控制器判斷水流量的值。根據(jù)燃?xì)鉄崴鳈C(jī)型的不同，選擇最佳的啟動流量，可實(shí)現(xiàn)超低壓(0．02MPa以下)啟動。
本設(shè)計選擇霍爾式8030流量計。它的外觀如圖13所示。
圖13 霍爾式8030流量計
它的基本特性為：
1）環(huán)保型設(shè)計，食品級POM材質(zhì)，小巧實(shí)用，可任意角調(diào)節(jié)；
2）雙端為G1/4外牙式結(jié)構(gòu)，連接更方便；
3）霍爾元件為日本進(jìn)口，靈敏可靠；
4）流量范圍：0.1-3L/min，工作電壓：DC3-18V，額定電壓DC5V；
5）輸出電壓(額定DC5V）：高電平4.5V以上，低電平0.5V以下；脈沖輸出占空比50±10%；
6）專為小流量和醫(yī)藥機(jī)械打造的小水流量傳感器，同時也可用于電器和機(jī)械設(shè)備。
接口電路如圖14所示：
圖14 流量計接口電路
如上圖所示，霍爾式8030流量計有三個口，1口接電源，3口接地，2口接單片機(jī)計數(shù)端口，向單片機(jī)單向輸送信號。
3.5 驅(qū)動芯片ULN2003
高耐壓、大電流復(fù)合晶體管IC—ULN2003，ULN2003是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個硅NPN 復(fù)合晶體管組成。ULN2003是大電流驅(qū)動陣列,多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負(fù)載。
由于單片機(jī)本身輸出地信號太微弱，此電路中需要用ULN2003芯片驅(qū)動繼電器開閉和電磁線圈通電。
引腳如圖15所示。
圖15 ULN2003驅(qū)動芯片引腳圖
封裝外形圖ULN2003內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓為5V,適用于TTL COMS,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動電路。 ULN是集成達(dá)林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動