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1、目录目录全自动咖啡机的设计全自动咖啡机的设计.1摘要摘要.11 1 绪论绪论.21.1 咖啡机的历史.2 1.2 国内咖啡机发展现状.3 1.3 课题的意义及目的.42 2 总体方案设计总体方案设计.42.1 咖啡机的工作原理.4 2.2 研磨机构设计.5 2.2.1 方案设计及原理.5 2.2.2 磨盘的选择与计算.7 2.2.3 磨豆电机的计算与选择.7 2.2.4 电机输出轴的强度校核.8 2.2.5 键的选用与校核.8 2.2.6 送粉电机与送粉螺旋轴.8 2.2.7 联轴器.9 2.2.8 调节齿轮与调节齿.9 2.2.9 螺钉与螺纹的选用.10 2.2.10 调节齿轮的精度.12
2、2.3 液压系统的设计.13 2.3.1 液压系统原理.13 2.3.2 泵的选择与计算.14 2.3.3 其他液压元件的选择.14 2.4 酿造器的设计.153 3 控制部分方案的设计控制部分方案的设计.163.1 全自动咖啡机控制系统方案基本原理.16 3.2 电源.17 3.2.1 电源的作用与组成.18 3.2.2 电源工作原理.18 3.2.3 稳压器的选用与介绍.19 3.3 控制系统硬件的选择与简介.20 3.3.1 硬件的选择.20 3.4 霍尔流量传感器.22 3.5 驱动芯片 ULN2003.23 3.6 温度传感器.24 3.7 各部分电路说明.253.7.1 单片机控制
3、部分.25 3.7.2 传感器数据采集电路.26 3.7.3 流量计数据采集控制电路.27 3.7.4 拨码开关电路图.28 3.7.5 电机控制电路图.29 3.7.6 电磁换向阀控制电路.30 3.7.7 整个主板电路接线图.33 3.8 咖啡机工作流程图.344 4 结论与感悟结论与感悟.364.1 毕业设计总结.36 4.2 毕业设计感想.365 5 致谢致谢.37参考文献.38附录附录 1 1 控制主板接线图控制主板接线图.39附录附录 2 2 自动咖啡机程序自动咖啡机程序.40附录附录 3 3.45外文翻译.45 中文翻译：.53 全自动咖啡机的设计摘要本论文主要是设计一种全自动咖
4、啡机。目前，全自动的咖啡机非常流行，尤其是在 大城市的写字楼、大公司的办公室里应用广泛，一些家庭也都逐渐将它作为必需的家庭 生活用品。只要启动咖啡机，按下电源，短短几分钟内，磨豆、烧水、酿造萃取完全自 动化，既安全可靠又快捷方便。 本文主要是设计一种全自动咖啡机的整体工作方式，包括磨豆装置，加水烧水系统， 酿造装置。它的控制系统以 89C51 单片机为核心，附有温度传感器，流量计，按键系统， 加热电路，各种开关以及液压装置来完成整个系统的控制。 对于机器里的核心部件，本设计给出机械 CAD 图，如研磨机构，酿造室，以及液压 原理图。对于整个机器的控制部分，本设计从硬件软件两方面利用 prote
5、l 给出了电路接 线图以及 C 语言程序。 关键词：研磨机构、液压系统、89C51 单片机、C 语言程序AbstractThis 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
6、 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. It
7、s 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 mecha
8、nism, 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 绪论1.1 咖啡机的历史二
9、十世纪初，在意大利拿坡里附近有一位“急性子工程师” ，由于他对滴漏煮咖啡 所花费的时间太长感到不耐烦，所以在等待时间想出一个方法，以高温，高压的方式泡 咖啡缩短时间，于是发明了世界上独一无二的意大利咖啡快速调理，Espresso 也开始风 行。这位工程师的意大利快速调理方式，一来可以缩短煮咖啡的时间，而且煮出的咖啡香醇浓郁，被意大利人称为 Espresso。人们通过这样的方式来纪念这位工程师的发现。 Espresso 读起来很有意大利艺术气质，不过在意大利文中所代表的意思很简单就是 “压力之下” ，相当于英文的 under pressure。 以上叙述说的“二十世纪初的急性子工程师” ，指的很
10、可能是 Luigi Bezzera。他在 1901 年制造出的以蒸气压力咖啡机，应该绝不只仅仅因为“对滴漏煮咖啡的时间过长感 到不耐烦” ，更重要的是，他明白冲煮时间太长会直接关系到咖啡的品质。 由于酿造时间过久，咖啡粉末不太可能研磨得太细，一般来说粗糙的研磨萃取出的 芳香成分也比细致粉末要少。快速只是显而易见的理由，对更高品质的追求才是 Espresso 发展的最大动力。 如果说 Bezzera 一个人“发明”了 Espresso，大概也无法被认同，即便他首个尝试 以蒸气为压力去制造商用咖啡机，还创造了在吧中现做，而且直接将咖啡注入客人杯中 的 Espresso 文化特质。可是这种咖啡机泡制
11、出来的咖啡，仍不具 Espresso 的美味及充 满 Crema 的表征。这主要是源于，Bezzera 的咖啡机是运用水沸腾时产生的水蒸气，蒸气 在密闭的锅炉产生压力，压力将热水推至莲蓬头里的咖啡粉末。要制造蒸气，整个锅炉 一般必须加热到沸腾，使得逼近沸点的热水灼伤咖啡粉，提取深藏在咖啡粉内部的芳香 鲜美油脂，萃取出加倍苦的咖啡。而由 Bezzera 的机器上煮出来的咖啡无法形 Crema ， 主要有两个原因： 第一，冲煮咖啡的热水温度过高，使油质丧失； 第二，蒸气锅炉无法提供足够的压力。 即便这样，施加额外的压力使酿造咖啡的时间缩短的研制方向仍然值得探索。只是 如果不用蒸气，还可以用什么作为
12、压力来源？更深层的问题是：到底要施加多大压力， 才可能获得最佳萃取率？20 世纪初，Desiderio Pavoni 获得了 Bezzera 的设计专利。他是 1905 年开始制造 这种咖啡机的。后来，Teresio Arduino 也跟着生产类似的咖啡机，其他的厂商相继跟 进。二十年代，在意大利的咖啡店，这种咖啡机随处可见。但意大利人似乎对蒸气压力 咖啡机的成果不甚满意。通过蒸气应该达到把压力增加的目的，可是加强热度也会使粉 在调煮过程中灼伤，这样会失去藏在咖啡粉内部的芳香油脂。因此，便有人想到：能不 能直接加压于热水，取代将水煮沸，以蒸气作为压力的方式？二次大战的时候，人们利用水龙头流出的
13、本身压力来提高煮咖啡的压力。咖啡机利 用电可以迅速将一小壶的水加热至所需要调煮的温度。每一壶水设计煮一份咖啡，并且 每一小壶都连接到水龙头上。操作人员只需轻按小壶上的杆子，来自水龙头的压力便可将小壶里的热水推到咖啡粉。根据各地区水压的不同，一般而言，由此类咖啡机产生的压力比蒸气压力咖啡机产生的还要大 1.5 个大气压。其实这种咖啡机和蒸气压力咖啡机 的高度相差并不大，但整体体积较小。在外观上更符合当时二十年代晚期的流行趋势 以几何图形和直线条代替蒸汽压力咖啡机的弧形。 另一种产生比 1.5 个大气压更大压力的方式是压缩空气。当把咖啡机上的横向杆提起时，把水注入被活塞占据的空间，此时压下横杆，水
14、会被活塞上的压力平均注入到滤 器里的咖啡粉，这表示了热水也可以在未沸腾时就泡咖啡，从而不致烫坏咖啡粉。 几乎同一时间，一家米兰咖啡馆的老板 Achille Gaggia 也运用了相似的手段酿造咖啡。这方法逐渐被其他生产厂商采用。逐渐的，这种新式咖啡机取代了蒸气压力咖啡机。 甚至在现今，也可以在家用机器帕凡尼（La Pavoni）上发现这种原理的应用。 二次世界大战前，虽然人们改进了利用蒸气为压力来源可能将咖啡粉烫坏的缺点，但是由于压力是通过活塞传导手臂来推压热水，这不但需要一根强壮的臂膀，而且产生 的压力也不易持续稳定。 第二次世界大战暂时中断了 Cremonesi 和 Gaggia 对咖啡机
15、的改良工作。战争期间 Cremonesi 去世，他把咖啡机的专利传给了他的遗孀 Rosetta Scorza 。1947 年 Gaggia 将原本的活塞原理加以改良，改由弹簧控制活塞。操纵者只需压下杆子，控制弹簧就会 压缩，这样热水就会被注进咖啡粉与活塞之间的空间。待活塞上面的弹簧膨胀时，活塞 被往下压，热水流至咖啡处，上面的杆子又回到原来的位置。 1948 年，Gaggia 运用了这个理论完成了他的咖啡机，因为他把热水推至了比先前更 加密实的咖啡粉中，如此的来的压力也比以往更加大而稳定。所以在咖啡上生成了一层 克丽玛。这是克丽玛第一次在历史上出现。至此，克丽玛成了意大利咖啡的象征。与先 前的
16、土耳其咖啡一般，克丽玛同样是判别咖啡优劣的标准。Gaggia 发明的咖啡机也使得 咖啡的泡制过程更加戏剧有趣。以臂膀操作横杆继而横杆逐渐回到先前位置的动作便称 为了众多 Espresso 吧台的例行表演。 在这将近一百年的咖啡机器进化史中，人们还发现，如果利用额外的 8-9bar 加压，强制性地让水迅速地穿过咖啡粉，咖啡粉与饱含压力的水间产生的抗力，会让每杯咖啡 的萃取酿造时时长缩小到 25 秒，还使得咖啡粉末捣碎研磨到面粉般柔细，提高了萃取率。得益于 Espresso 这种咖啡冲泡法，不但可以加快冲煮速度，也提升了咖啡品质。一 方面它使得咖啡馆经营者节省了成本和时间，每日冲煮量增加了数倍，另
17、一方面也吸引 了更加广泛的咖啡人口，如今早已风靡了世界的咖啡市场，变为市场上的主流。1.2 国内咖啡机发展现状随着中国家电业的不断进展，世界家电制造基地往中国迁徙的趋势越来越明显。作 为小家电家族中的重要成员咖啡机虽然大多数人并不十分熟悉，但其在西方发达国家已 经十分流行普及，咖啡文化早已在欧美经久不衰。这个时代欧美文化尤其是消费观念正 影响着全球，国内的越来越多的消费者尤其是普通大众喜欢上了这个洋玩意，让它变得 家庭化。 咖啡机行业的发展历程可以划分为几个阶段，最开始的虹吸式、滴落机械式、电子 编程控制式，发展到现在主流的高压蒸汽式，今后发展的趋势势必是全自动组合式。二十世纪八十年代末到九十
18、年代初，国内港资、台资厂利用世界制造产业往中国转移的契机，发展为欧美市场贴牌制造咖啡机电器的中坚力量。但到了后期，受制于单机 利润逐年的下滑，管理成本与材料成本持续居高等众多不好因素的影响，咖啡机产业又 逐渐青睐于迅速发展起来的更具竞争力和活力的民营企业。随着全球化的不断加剧，目 前大部分研发性任务已经逐渐实现本土化，国内技术人员参加了策划、研发、认证到生 产的全过程。1.3 课题的意义及目的国内生产的咖啡机，大多是半自动的，温度控制精度不高，且操作较为不方便，更多的是以手工辅助进行间歇式工作，泡制前的准备工作以及清洗既繁琐又不方便。因此， 不少公司使用的大多是进口的外国全自动咖啡机，这些全自
19、动咖啡机不但可以对温度、 浓度甚至咖啡粉的粗细度实现操纵控制，以满足用户更优质的使用需求；但对于大多数 家庭用户来说，进口咖啡机一般价格较高，性价比低，经济上比较难以承受。所以很有 必要设计开发一款功能相对齐全高效而且低价的咖啡机。 本文主要是设计一种全自动咖啡机的整体工作方式，包括磨豆装置，加水烧水系统， 酿造装置。 在磨豆装置中设置有调节咖啡粉粗细度的机构，可以人工实现研磨咖啡粉的粒度。 加水烧水系统中，设计了一套液压系统装置，可以实现对水的安全快速加热，又控 制了加热的水量、冲泡的水量，有利于节约用水。我们通过控制中心以及拨码开关，用 户可以自行控制泡制的水量。冲泡完毕后用完的热水可以自
20、行流出到废水槽外。 在酿造器的设计中，我们考虑到了残渣的清除，设计了一扇弹簧控制的拉门，可以 在酿造完毕后打开，露出滤网以待清洗，方便简单有效。 控制系统以 89C51 单片机为核心，附有温度传感器，流量计，按键系统，加热电路， 各种开关以及液压装置来完成整个系统的控制。2 总体方案设计2.1 咖啡机的工作原理现磨的咖啡粉的粗细度、酿造咖啡时的水温包括水与咖啡粉的混合比例即咖啡液的 浓度等都会关系到咖啡的口味。全自动咖啡机的研发中都要囊括到这些因素。 一般来说，咖啡的泡制酿造方法是：首先对咖啡豆进行捣碎研磨到适宜的粗细度， 将清水的温度烧到指定温度（一般 90） ，在酿造器中对咖啡粉进行萃取、
21、酿造。高温高 压的热水通过液压管道在酿造器中与咖啡粉保持 8S 左右的接触时间，以确保咖啡粉中的 有用物质最大化地溶解在热水中并随热水流出，流入指定位置的咖啡杯中。 所以，咖啡机的重要设计参数要以此为基准。 从结构上来看，咖啡机可以分为粉碎研磨机构、加热并供水系统、萃取酿造室、控 制中心几个系统。 从工艺流程上来看，首先以研磨机构捣碎研磨烘焙好的咖啡豆，获得一定粗细度的 咖啡粉；咖啡粉由送粉电机输送至酿造器中。在水路方面，纯净水由泵加压对水路系统 进行供水，然后一定压力的水先进入加热器加热到设定的温度，之后热水或热蒸汽进入酿造室，与之前输送来的咖啡粉接触、萃取，泡成浓度适宜的咖啡液，从咖啡口流
22、出滴入指定位置的容器中。酿造完毕之后，系统进行自动与人工相结合的方式进行除渣清洗 工作。整个工作循环由控制电路控制。 咖啡机的工作流程如图 1 所示：图 1 全自动咖啡机的工作流程图从这个流程图中可以看出，全自动咖啡机研发重点部分在于研磨粉碎机构，加热供 水系统、酿造器、控制电气系统。2.2 研磨机构设计2.2.12.2.1 方案设计及原理方案设计及原理咖啡机一般通过两研磨磨盘将咖啡豆磨成咖啡粉。在本次设计中，我们采用以下方 案思路设计一种可以清除研磨机构中咖啡粉残留物并且能够调节咖啡粉粗细的研磨机构： 研磨装置上方设一个盛豆仓，盛豆仓下方设有磨体，磨体里面有两个磨盘，一个转动磨 盘，一个静止
23、磨盘，两个磨盘具有一定的形状和厚度，研磨机构电机的转轴间接与转动 磨盘相连，磨出的咖啡粉直接掉入下方的送粉螺杆里，或者通过不断转动的小刷子扫入 螺杆里。所述的静止磨盘通过螺钉固定在静止磨盘架上，静止磨盘架利用螺纹固定于外 缘带螺纹的连接件上，连接件利用螺纹旋接于磨体上，转动磨盘通过螺钉与转动磨盘架 相连，转动磨盘架通过键槽与转轴相连。我们采用这种方案的优点是：因为静止磨盘固定于静止磨盘架上，静止磨盘架又与 外缘带螺纹的连接件固定相连，连接件与磨体相连；其可将盛豆仓、静止磨盘、静止磨 盘架从磨体上拆下来，如此一来定期清洗研磨装置中残留的咖啡粉就十分方便。使用时， 将静止磨盘、静止磨盘架、盛豆仓旋
24、入磨体中，便可进行磨豆操作。整个研磨示意图如 图 2 所示：图 2 研磨机构示意图1-电源箱 2-送粉电机 3-联轴器 4-磨体 5-键 6-转动磨盘架 7-螺栓 8-垫圈 9-转动磨盘 10-连接件 11-豆仓 12-调节杆 13-调节齿 14-连接件 15-调节齿轮 16-静止磨盘架 19-静止磨盘 20-小毛刷 21-螺旋送粉轴 22-酿造室 23-弹簧 24-除渣销 25-密封垫片 26-磨豆电机 29-密集滤网 本次设计的捣碎研磨机构设置有简单的咖啡粉末粗细调节装置，包括：调节杆和设在杆上的调节齿轮，在连接件设上设有与调节齿轮相配合的调节齿。当需要调整粉末粗 细的时候，人工转动调节齿
25、轮，调节齿轮带动配合在连接件上的调节齿，这样连接件相 对于磨体转动，静止磨盘和转动磨盘间的间隙就可以被调整，以此来调节所磨咖啡粉末 的粗细。 我们在出粉通道中设有螺旋轴，送粉电机与螺旋轴相连，研磨电机开启后，送粉电 机也相应开启，这样可将咖啡粉送出的比较干净，减少了咖啡粉在研磨装置中得残留， 而且节省总体冲泡时间。 下面就上图进行一下简单说明：19 是静止磨盘，固定于静止磨盘架 16 上，16 固定 在外缘带螺纹的连接件 14 上，14 再旋接于磨体 4 上；9 是转动磨盘，通过转动磨盘架 6 与转轴相连。 粉末粗细调整机构包括：调节杆 12 和设于调节杆上的调节齿轮 15，连接件 14 上设
26、 有与调节齿轮相配合的调节齿 13。出粉通道内设有螺旋送粉轴 21，与送粉电机 2 通过联 轴器 3 相连。 在电机转轴上套有一木制的小毛刷，随转轴和转动磨盘一起转动，可以把非螺旋轴 的一侧的咖啡粉扫进螺旋轴中，更好的将磨成的咖啡粉输送出去。2.2.22.2.2 磨盘的选择与计算磨盘的选择与计算市面上的磨盘一般分为陶瓷制的磨盘和金属材料的磨盘。 陶瓷磨盘的好处： 1、机械强度高；2、耐磨性、耐腐蚀性好；3、热稳定性好；4、环保无污染等。 缺点是：1、脆性大，耐冲击能力低、易碎；2、产品不易回收利用，一次成型。 金属磨盘由于具有，抗碰撞，轻盈，耐高温等的优点，因此本次设计选择金属制的 磨盘。采用
27、 45 钢制作，外镀合金钢使其不生锈。如图 3 所示为常见的不锈钢磨盘。图 3 不锈钢磨盘 根据试验和经验数据所得，生产力 Q 和研磨直径 D 基本满足以下关系：k-生产系数 1-1.5，本次计算取 1.5； v-磨盘对缘的线速度； D-磨盘直径； q-比压荷，咖啡豆加工时取 2kg/； g 重力加速度； 磨盘对缘速度：为了保证生产率，Q 一般取 10kg/h,结合上述两公式，初步带入转速为 700r/min。可 得得出，D0.035m。此设计中，选择 D=0.042m。其厚度定为 15mm。具体结构参见零 件图“转动磨盘零件图”和“静止磨盘零件图” 。2.2.32.2.3 磨豆电机的计算与选
28、择磨豆电机的计算与选择一般来说，两磨盘与咖啡豆之间挤压的正压力不会超过 2000N，摩擦系数经过查表取 0.5，根据材料力学的公式得出工作时所需要的扭矩 M=fdx=0.1Nm 考虑到过载，为了有足够的工作能力，代入负载扭矩为 1Nm。 根据直流电机的功率计算公式其中： P 的单位为 kw； T 为扭矩，单位 Nm； n 为转速，取 700r/min. 得出 P=73w。 综上所述，本设计选择功率为 100w，额定转矩为 10Nm，额定转速为 700r/min 的 小型直流电机。经过查找手册和网络，选出一款型号为 LR775 的有刷直流磨豆电机，额 定电压为 24v，额定电流为 0.1A，额定
29、转速为 760r/min,额定转矩为 10Nm，效率为 80%。其输出轴直径为 10mm。输出轴的长度为 60mm。外形尺寸为 93mm56mm。2.2.42.2.4 电机输出轴的强度校核电机输出轴的强度校核由于电机输出轴主要受到的是不超过 1Nm 负载扭矩的作用，对于实心轴来说， 由扭转剪应力计算公式：= =5000000Pa =5MPa2.2mm。为了保持与电机输出轴保持一致，也选择直径为 7mm 的送粉螺杆。2.2.72.2.7 联轴器联轴器在电机输出轴与螺杆轴之间选择弹性柱销联轴器 FCL80。它的参数为： 额定扭矩 6.5Nm 最大扭矩 13Nm 最高转速 4000r/min 径向偏
30、差 0.02mm 角向偏差 1.0 轴向偏差+0.06mm 重量 420g 弹性柱销联轴器结构相对简单，正常条件可连续长期运行。承载能力大，使用寿命长，可靠安全。工作稳定可靠，拥有优良的减振、电气绝缘和缓冲性能。具有较大的和 角向和轴向、径向补偿能力。结构简单，径向尺寸较小，重量轻，转动惯量小，适用于 中高速场合。在网上，目前有很多孔径的柱销联轴器可以供选择，对于咖啡机内部来说， 空间小、质量轻的联轴器是我们需要的产品。2.2.82.2.8 调节齿轮与调节齿调节齿轮与调节齿在调节齿轮方面，由于是人工手动调速，转速不高，频率不高，没有大的冲击载荷 和负载。 因此我们直接加工模数 m=1.5mm，
31、齿数为 19 的调节齿轮，在连接件上做出相应的一 段齿即可。硬度为 400HBsE，材料选择铸钢。 在连接件上铸上模数为 1.5mm，齿数为 43 的齿。 两个配合齿轮基本参数整理见表 1。表表 1 1：调节齿轮与连接件上齿的基本参数：调节齿轮与连接件上齿的基本参数 名称符号公式调节齿轮调节齿（所在齿轮）齿数zz1943模数mm1.51.5传动比ii2.262.26分度圆直径dd=mz28.564.5齿顶高haha =h*a m1.51.5齿根高hfhf=(ha*+c*)m1.8751.875齿全高hh=ha+hf3.3753.375齿顶圆直径dada =d +2ha31.567.5续表续表 1 1：调节齿轮与连接件上齿的基本参数：调节齿轮与连接件上齿的基本参数 齿根圆直径dfdf =d-2hf24.7560.75基圆直径dbdb =d cos2026.7860.61中心距aa=m(z1+z2)9393齿距pP=m4.714.71齿厚sS=m/22.362.36齿槽宽ee =m/22.362.36顶隙cc=c*m0.3750.3752.2.92.2.9 螺钉与螺纹的选用螺钉与螺纹的选用1）螺钉的选用:由于磨盘较厚，并且考虑到不阻挡咖啡豆和磨好的咖啡粉的路径，在静止磨盘与静止磨盘架、转动磨盘与转动磨盘架的连接固定问题上，选择不贯穿的螺 钉连接，结构也更简单紧凑。查国标 G