黄小娣

（广东理工学院，广东肇庆 526100）

0 引言

随着人们生活水平的日益提高，仅在酒吧和饭店中使用的咖啡机现在已越来越多地进入普通百姓家庭[1－3]。现在国内市场上咖啡机主要分为美式（传统滴滤式）咖啡机、意式（高压泵浦）咖啡机、胶囊咖啡机3种。伴随着咖啡消费市场的不断扩大，我国咖啡机的生产制造也得到了迅速发展，而咖啡机的级别也不断地由低端（半自动）向高端（全自动），由单功能向多功能发展，咖啡机的设计、制造技术不断得到提高[4]。

目前，中国高端全自动咖啡机市场大部分是国外品牌，如：西门子、飞利浦、Nespresso、DolceGusto、Jura 等欧美品牌。国内的小米、美侬、九阳等公司目前也在积极布局国内的高端全自动咖啡机。市场上滴漏式咖啡壶与胶囊咖啡机的价位普遍在千元左右，只有少数进口产品价格偏高；半自动咖啡机的价格主要集中在2 500元以下价位段；全自动咖啡机的价格则普遍高于2 500元，万元以上产品也为数不少，明显高于其他品类[5]。

国内学者针对全自动咖啡机做了很多研究工作，如：侯军刚等[6]对咖啡机的智能温控系统进行了研究，朱秀娟[7]对咖啡机刮平压实机构进行了研究，郭艳婕等[4]对基于单片机控制的全自动咖啡机咖啡机进行了研究，丘永亮等[8]对全自动胶囊咖啡机进行了研究。周恩雯等[9]对环保咖啡机进行了研究，侯军刚等[10]对咖啡机的精确恒温方案进行了研究。

对多款咖啡机的工作原理和结构进行分析后，本文开发设计了一种新型的全自动咖啡机。该全自动咖啡机与其他咖啡机最大区别在于结构简单、操作方便，能根据用户的喜好萃取出不同口味的咖啡，并能实现自动萃取、自动报警、自动保温等功能。

1 全自动咖啡机的机构设计

全自动咖啡机的整个机构主要由研磨系统、水箱供水系统、锅炉加热和保温系统，以及萃取系统4部分组成。全自动咖啡机机构的整体结构如图1所示。

图1 全自动咖啡机的机构部分结构

1.1 研磨系统

研磨系统主要包括咖啡豆仓、研磨机构、调节出粉量电机、出粉通道等组成。其中，研磨机构由动磨盘、固定磨盘、主电机等组成。磨盘选用不锈钢磨盘，如图2所示。动磨盘和固定磨盘均设有磨齿，动磨盘固定在动磨盘架上，主电机通过转轴与动磨盘架相连，固定磨盘固定在固定磨盘架上。固定磨盘架上有外齿，外齿与通过齿轮与调节电机相连，根据用户需求，通过调节电机调节咖啡粉粗细。出粉量由控制面板设定，由时钟电路的时间常数控制，分为浓、中、淡三挡。磨盘主电机选择型号为LR775 的有刷直流电机，额定电压为24 V，额定转矩为10 N·m，调节出粉电机选择型号为QY3225MG的舵机，工作电压为6 V，转矩为2.5 N·m，研磨系统如图3所示。

图2 不锈钢磨盘实物

图3 研磨机构

1.2 水箱供水系统

水箱供水系统由进水口，水箱，水位传感器等组成，其中，水箱由ABS塑料注塑而成，水箱内部分为3个小水箱：1个大杯咖啡水箱、1个中杯咖啡水箱、1个小杯咖啡水箱。每个小水箱装有1个传感器。用户根据自己的喜好，可以选择大杯咖啡或中杯咖啡或小杯咖啡。用户选择大杯（或中杯或小杯）咖啡时，大杯（或中杯或小杯）咖啡水箱进水，当水位高于传感器时，传感器发出信号给控制系统，控制系统发出指令，单向电磁阀关闭，停止进水。当水箱水位低于传感器时，传感器发出信号给控制系统，控制系统收到信号后，发出指令给锅炉，锅炉停止工作。

1.3 加热系统

加热系统由蒸汽锅炉和保温装置组成。锅炉参数为1 900 W，230 V，能将水迅速加热并产生蒸汽＋热水输送到萃取系统。保温装置主要由发热盘和热敏电阻组成，发热盘对咖啡壶内萃取好的咖啡进行保温，热敏电阻每隔0.5 min将咖啡的温度信号反馈到系统控制中，当咖啡壶的咖啡加热到预定温度后，加热盘停止工作，当咖啡壶内的咖啡温度降到预定温度，系统控制发出指令，发热盘继续加热。锅炉如图4所示。

图4 蒸汽锅炉

1.4 萃取系统

萃取系统由咖啡粉盒（内部有不锈钢金属网）、蒸汽花洒、萃取仓门等组成。萃取仓门的作用是防止水蒸气由咖啡粉出料口进入咖啡机内部，以免损坏电路板、电机等设备。当用户打开咖啡机时，萃取仓仓门自动打开。咖啡豆进入研磨系统，研磨好的咖啡粉经过出粉通道进入咖啡粉粉盒内，当全部咖啡粉完成研磨后，控制系统发出指令，将仓门关闭，水箱供水系统及蒸汽锅炉工作，锅炉产生水蒸气，水蒸气通过管道、花洒进入咖啡粉粉盒内，蒸汽＋热水喷洒在咖啡粉上，萃取出浓郁的咖啡。萃取好的咖啡经过咖啡粉盒底部的小孔，进入到咖啡壶内，完成萃取工作。萃取系统内部结构如图5所示。

图5 萃取系统内部结构

2 全自动咖啡机控制系统组成及工作原理

2.1 控制系统组成

控制系统主要由水位控制、时钟控制、萃取舱盖控制、锅炉控制、保温控制等组成。控制系统选着ABOV 现代MC80F7708Q八位单片机作为控制系统的主控部件，该芯片功能强大，具有8k字节的FLASH ROM，256字节的RAM，8/16位定时器/计算器，该芯片价格便宜，是使用全自动咖啡机控制系统最优的控制器，如图6所示。液位传感器选择FS－IR02型号的传感器，该传感器输出电压信号作为液位高度控制信号接入MCU（单片机）A/D（模数转换）端口，当液位超过临界液位而淹没传感器本身时，此时信号输出为低电平，当液位低于临界液位而显露传感器本体时，此时信号输出为高电平。保温系统主要由发热盘和热敏电阻构成。萃取后的咖啡流入到咖啡壶时，发热盘开始工作，温度加热到85 ℃，当温度高于85 ℃时，热敏电阻发出信号给控制系统，控制系统发出指令给加热盘，加热盘停止工作，当温度低于80 ℃时，热敏电子发出信号给控制系统，控制系统发出指令给加热盘，加热盘继续给咖啡壶内的咖啡加热。

图6 MC80F7708Q单片机

图7 FS－IR02 水位传感器

2.2 控制系统工作原理

控制系统原理图如图8所示。

图8 全自动咖啡机控制系统工作原理

用户打开全自动咖啡机开关时，全自动咖啡机程序初始化，准备开始工作。此时，用户根据自己的喜好设置咖啡浓度、大杯、中杯、小杯、保温时间等参数。用户选择设置好后，按启动按钮，控制系统发出指令给研磨系统，研磨系统开始工作，萃取仓门打开。咖啡豆进入磨盘磨成咖啡粉，咖啡粉经过出粉通道进入萃取仓内，由时间常数控制出粉量（浓、中、淡）。研磨好咖啡粉后，控制系统发出指令给单向电磁阀，单向电磁阀打开，开始注水。当水位高于位水位传感器时，水位传感器发出信号给控制系统，控制系统发出指令给单向电磁阀，单向电磁阀关闭，停止注水。与此同时，控制系统发出指令给锅炉，锅炉开始工作并产生蒸汽＋热水输送到萃取系统，蒸汽＋热水通过花洒喷洒到咖啡粉盒的咖啡粉而萃取出咖啡，萃取好的咖啡通过萃取仓底孔流入咖啡壶内。当水位低于水位传感器时，水位传感器发出信号给控制系统，控制系统发出指令给锅炉，锅炉停止工作。与此同时，控制系统发出指令给蜂鸣器和保温系统，蜂鸣器鸣叫，提醒用户萃取咖啡工作已经完成，保温系统开始工作，对萃取好的咖啡进行自动保温。

3 结束语

本文在对传统咖啡机进行分析研究的基础上，全面考虑了咖啡机操作性能和价格偏高的问题，并在此基础上开发设计了一种新型的全自动咖啡机。咖啡机的机构由研磨系统、水箱供水系统、锅炉加热和保温系统，以及萃取系统4部分组成。控制部分由ABOV现代MC80F7708Q八位单片机作为主控部件，通过控制系统实现自动磨豆、自动上水、自动萃取、自动保温等功能，并设计了操作面板进行人机交互，实现了咖啡浓度控制、咖啡流量控制（大杯咖啡、中杯咖啡、小杯咖啡）、自动保温控制3 大功能。本产品成本低廉，容易操做、实用性强，为其他咖啡机设计提供了具有一定价值的参考。