目錄 全自動咖啡機的設(shè)計 1 摘要 1 1 緒論 2 1 1 咖啡機的歷史 2 1 2 國內(nèi)咖啡機發(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 咖啡機的工作原理 4 2 2 研磨機構(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 磨豆電機的計算與選擇 7 2 2 4 電機輸出軸的強度校核 8 2 2 5 鍵的選用與校核 8 2 2 6 送粉電機與送粉螺旋軸 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 38 附錄 1 控制主板接線圖 39 附錄 2 自動咖啡機程序 40 附錄 3 45 外文翻譯 45 中文翻譯 53 全自動咖啡機的設(shè)計 摘要 本論文主要是設(shè)計一種全自動咖啡機 目前 全自動的咖啡機非常流行 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 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 對于機器里的核心部件 本設(shè)計給出機械 CAD 圖 如研磨機構(gòu) 釀造室 以及液壓 原理圖 對于整個機器的控制部分 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 研磨機構(gòu) 液壓系統(tǒng) 89C51 單片機 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 咖啡機的歷史 二十世紀初 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 相當于英文的 under pressure 以上敘述說的 二十世紀初的急性子工程師 指的很可能是 Luigi Bezzera 他在 1901 年制造出的以蒸氣壓力咖啡機 應(yīng)該絕不只僅僅因為 對滴漏煮咖啡的時間過長感 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 一般來說粗糙的研磨萃取出的 芳香成分也比細致粉末要少 快速只是顯而易見的理由 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 大概也無法被認同 即便他首個嘗試 以蒸氣為壓力去制造商用咖啡機 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 的咖啡機是運用水沸騰時產(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 這種咖啡機的 后來 Teresio Arduino 也跟著生產(chǎn)類似的咖啡機 其他的廠商相繼跟 進 二十年代 在意大利的咖啡店 這種咖啡機隨處可見 但意大利人似乎對蒸氣壓力 咖啡機的成果不甚滿意 通過蒸氣應(yīng)該達到把壓力增加的目的 可是加強熱度也會使粉 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 由此類咖啡機產(chǎn)生的 壓力比蒸氣壓力咖啡機產(chǎn)生的還要大 1 5 個大氣壓 其實這種咖啡機和蒸氣壓力咖啡機 的高度相差并不大 但整體體積較小 在外觀上更符合當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 當把咖啡機上的橫向桿提 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 這種新式咖啡機取代了蒸氣壓力咖啡機 甚至在現(xiàn)今 也可以在家用機器 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 雖然人們改進了利用蒸氣為壓力來源可能將咖啡粉燙壞的缺點 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 對咖啡機的改良工作 戰(zhàn)爭期間 Cremonesi 去世 他把咖啡機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 運用了這個理論完成了他的咖啡機 因為他把熱水推至了比先前更 加密實的咖啡粉中 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)劣的標準 Gaggia 發(fā)明的咖啡機也使得 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器進化史中 人們還發(fā)現(xiàn) 如果利用額外的 8 9bar 加壓 強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 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?1 2 國內(nèi)咖啡機發(fā)展現(xiàn)狀 隨著中國家電業(yè)的不斷進展 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雖然大多數(shù)人并不十分熟悉 但其在西方發(fā)達國家已 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觀念正 影響著全球 國內(nèi)的越來越多的消費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 發(fā)展為歐美市場貼牌制造咖啡機電器的中堅力量 但到了后期 受制于單機 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)逐漸實現(xiàn)本土化 國內(nèi)技術(shù)人員參加了策劃 研發(fā) 認證到生 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 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行間歇式工作 泡制前的準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口的外國全自動咖啡機 這些全自動咖啡機不但可以對溫度 濃度甚至咖啡粉的粗細度實現(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 進口咖啡機一般價格較高 性價比低 經(jīng)濟上比較難以承受 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 本文主要是設(shè)計一種全自動咖啡機的整體工作方式 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)咖啡粉粗細度的機構(gòu) 可以人工實現(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 咖啡機的工作原理 現(xiàn)磨的咖啡粉的粗細度 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 首先對咖啡豆進行搗碎研磨到適宜的粗細度 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?有用物質(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 咖啡機的重要設(shè)計參數(shù)要以此為基準 從結(jié)構(gòu)上來看 咖啡機可以分為粉碎研磨機構(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 首先以研磨機構(gòu)搗碎研磨烘焙好的咖啡豆 獲得一定粗細度的 咖啡粉 咖啡粉由送粉電機輸送至釀造器中 在水路方面 純凈水由泵加壓對水路系統(tǒng) 進行供水 然后一定壓力的水先進入加熱器加熱到設(shè)定的溫度 之后熱水或熱蒸汽進入 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)進行自動與人工相結(jié)合的方式進行除渣清洗 工作 整個工作循環(huán)由控制電路控制 咖啡機的工作流程如圖 1 所示 圖 1 全自動咖啡機的工作流程圖 從這個流程圖中可以看出 全自動咖啡機研發(fā)重點部分在于研磨粉碎機構(gòu) 加熱供 水系統(tǒng) 釀造器 控制電氣系統(tǒng) 2 2 研磨機構(gòu)設(shè)計 2 2 1 方案設(shè)計及原理 咖啡機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構(gòu)中咖啡粉殘留物并且能夠調(diào)節(jié)咖啡粉粗細的研磨機構(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 研磨機構(gòu)電機的轉(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)點是 因為靜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 便可進行磨豆操作 整個研磨示意圖如 圖 2 所示 圖 2 研磨機構(gòu)示意圖 1 電源箱 2 送粉電機 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 29 密集濾網(wǎng) 本次設(shè)計的搗碎研磨機構(gòu)設(shè)置有簡單的咖啡粉末粗細調(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 當需要調(diào)整粉末粗 細的時候 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 我們在出粉通道中設(shè)有螺旋軸 送粉電機與螺旋軸相連 研磨電機開啟后 送粉電 機也相應(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 粉末粗細調(diào)整機構(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 2 通過聯(lián) 軸器 3 相連 在電機轉(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 機械強度高 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 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)試驗和經(jīng)驗數(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 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 g 重力加速度 磨盤對緣速度 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 可 得 得出 D0 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 fdx 0 1N m 考慮到過載 為了有足夠的工作能力 代入負載扭矩為 1N m 根據(jù)直流電機的功率計算公式 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 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 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 93mm56mm 2 2 4 電機輸出軸的強度校核 由于電機輸出軸主要受到的是不超過 1N m 負載扭矩的作用 對于實心軸來說 由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力計算公式 5000000Pa 5MPa 20Mpa 所以軸的扭轉(zhuǎn)強度是足夠的 2 2 5 鍵的選用與校核 考慮到咖啡機內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)以及強度滿足的問題 我們直接在電機輸出軸上開鍵 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 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) 力進行校核 0 024MPa2 2mm 為了保持與電機輸出軸保持一致 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 m 4 71 4 71 齒厚 s S m 2 2 36 2 36 齒槽寬 e e m 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 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)膹姸仁欠穹弦?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 149N 螺釘強度條件為 97MPa 400MPa d 為螺釘?shù)墓Q直徑 單位 mm 因此螺釘?shù)膹姸葷M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 95 2N 螺釘強度條件為 61 6MPa 400MPa 因此螺釘?shù)膹姸葷M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 進入鍋爐體內(nèi) 作為加熱 水的介質(zhì) 其在鍋爐內(nèi)水達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水量 進水 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 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 入釀造器 18 中 中途安插流量計 17 此流量計控制進入熱水的量 待流經(jīng)熱水的量達到 設(shè)定值時 電磁換向閥 14 失電 壓力熱水不再進入釀造器 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把原動機輸出的機械能轉(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 考慮到 使用在咖啡機中 質(zhì)量要輕 還要經(jīng)濟 在這里我們選擇齒輪泵 齒輪泵的特點 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 我們對咖啡機內(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 14502 5 60 60 4 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 s 故 實際流量 Q Qt 60 40 7 42 3 s 容積效率 則 輸出功率 P Qp 42 31 5 63 45w 再 T w P 代入 w 2 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 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 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 表中的工作壓力 對于脈沖式安全閥系指沖量接出地點的工作壓力 對其他 類型的安全閥系指安全閥裝置地點的工作壓力 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 可保護壓縮機 泵 儀表和其他設(shè) 備的正常工作 當液體進入置有一定規(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 法蘭等的標準 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 標準代碼 H 接管尺寸采用 GB 標準 法蘭采用 HG 標準 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)計中運用到的電磁換向閥較多 其開啟大都由單片機控制電路來控制 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 開啟壓力為 0 015MPa 反向逆壓為 Pa 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水口沖進來與濾紙上的咖啡粉進行充分的萃取 混合 8s 后單片機控制電磁換向閥得電 釀造好的咖啡從下出水口流出 詳細構(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 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 M1 傳粉電機 M2 泵 用電機 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 基本原理圖如下圖 7 所示 圖 7 自動咖啡機控制系統(tǒng)原理圖 全自動咖啡機控制裝置是在單片機的程序控制下進行工作的 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 咖啡機開始工作 磨豆電機 磨粉電機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 后控制水進入鍋爐的電磁換向閥 1 失電 待流 量計 1 檢測到進入容器的水量達到 400ml 時 將泵停止 開機 15s 后 磨豆電機和磨粉 電機停止 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 當溫 度傳感器檢測到水溫達到 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 當流量計 2 檢測到流過的熱水到達所設(shè)定的水量時 電磁換向閥 2 得電 熱水不再 進入釀造器 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 進而關(guān)系到電子設(shè)備能否安全有效的工作 現(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)壓電路也飛速實現(xiàn)了集成 化 與分立晶體管電路相比較 它的優(yōu)點主要表現(xiàn)在占用空間小 質(zhì)量輕盈 省電量 工作可靠度高 運作時間大大縮短 而且調(diào)試起來快捷 應(yīng)用靈敏 容易實施大量自動 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 流量計 溫度傳感器等 12V 的元器件是送粉電機 24V 的元器件是 磨粉電機及泵電機 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 但當電網(wǎng)電壓波動或負載改變時 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 當電源接入 220V 交流電 線圈對 220V 交流電進行降壓 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 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 供給磨豆電機和泵 電機使用 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電壓進行比較 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 過熱保護和過壓保護電路 采 用了噪聲低 溫度飄逸小的基準電壓源 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 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 一般來說要實現(xiàn)本設(shè)計的過程 PLC 與單片機均可以實現(xiàn) 單片機控制 優(yōu)點是經(jīng)濟實惠 成本相對較低 缺點是用單片機制作的主控板受制 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 不易擴展 對環(huán)境依賴性強 開發(fā)周期長 一個采用單片機制作的主控板不經(jīng)過很長時間的實際驗證 很難形成一個真正的產(chǎn)品 PLC 控制 優(yōu)點是 PLC 是經(jīng)過幾十年實際應(yīng)用中檢驗過的控制器 其抗干擾能力強 故障率低 易于設(shè)備的擴展 便于維護 開發(fā)周期短 缺點是成本相對較高 PLC 是工業(yè)控制領(lǐng)域的主力軍 能夠完成強電的邏輯控制盒運動控制及 PID 運算 單 片機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 單片機自身保護差 PLC 自身保護強 PLC 控制抗干擾能力比單片機強 PLC 適用于中 大型設(shè)備 單片機適 用于微 小型設(shè)備 總而言之 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 對于全自動咖啡機的控制系統(tǒng)設(shè)計 由于其占用空間要小 經(jīng)濟方面也要盡可能的 實惠 因此我們選擇用單片機作為主要的硬件核心 在單片機的各種系列中 選擇 AT89C51 單片機 AT89C51 單片機是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓 高性能 CMOS8 位單片機 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) 兼容標準 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 功能強大的 AT89C51 單 片機可適用于提高許多高性價比的應(yīng)用場合 可靈活運用于各種控制領(lǐng)域 它的引腳如 圖 12 圖 12 AT89C51 單片機引腳圖 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氣熱水器 其脈沖信號頻率的經(jīng)驗公式為 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)燃氣熱水器機型的不 同 選擇最佳的啟動流量 可實現(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)藥機械打造的小水流量傳感器 同時也可用于電器和機械設(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 口接單片機計 數(shù)端口 向單片機單向輸送信號 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 智能儀 表 PLC 數(shù)字量輸出卡等控制電路中 可直接驅(qū)動繼電器等負載 由于單片機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 由達林頓管組成驅(qū)動電路 ULN 是集成達林頓管 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)動繼電器或固體繼電器 也可直接驅(qū)動低壓燈泡 通常單 片機驅(qū)動 ULN2003 時 上拉 2K 的電阻較為合適 同時 COM 引腳應(yīng)該懸空或接電源 3 6 溫度傳感器 89C51 單片機內(nèi)部沒有數(shù)模轉(zhuǎn)換器 如果選用一般的模擬量溫度傳感器還需要添加 A D 轉(zhuǎn)換器把傳感器的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量給單片機識別并處理 因此 本設(shè)計選擇 簡單方便的數(shù)字型溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 溫度傳感器在美國 DALLAS 公司研制的 DS18B20 可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片 的基礎(chǔ)上 經(jīng)過焊接 外部加不銹鋼的保護管封裝而成 優(yōu)點是耐磨耐碰 占用空間小 使用起來方便 多樣化的封裝形式 在各種狹小空間設(shè)備數(shù)字控制和測溫領(lǐng)域都十分試 用 它能依據(jù)實際的需求 利用簡單的編程達到 9 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式 它的特點有如下幾點 1 接口方式為單線接口 DS1820 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處 理器與 DS1820 的雙向通訊 在使用中不需要任何外圍元件 2 測溫范圍 55 125 固有測溫分辨率 0 5 3 支持多點組網(wǎng)功能 多個 DS1820 可以并聯(lián)在唯一的三線上 實現(xiàn)多點測溫 4 工作電源 3 5V 的直流電源 5 測量結(jié)果以 9 位數(shù)字量方式串行傳送 DS18B20 采用 3 腳 PR 35 封裝或 8 腳 SOIC 封裝 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 16 所示 圖 16 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成 64 位光刻 ROM 溫度傳感器 非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL 配置寄存器 DS18B20 的管腳排列如圖 17 所示 圖 17 DS18B20 的管腳排列 3 7 各部分電路說明 3 7 1 單片機控制部分 1 振蕩器特性 XTAL1 和 XTAL2 是反向放大器的輸入端和輸出端 該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器 石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用 如采用外部 時鐘源驅(qū)動器件 XTAL2 應(yīng)不接 有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器 因 此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求 但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度 2 單片機芯片的擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合 并保持 ALE 管 腳處于低電平 10ms 來完成 在芯片擦操作中 代碼陣列全被寫 1 且在任何非空存儲 字節(jié)被重復(fù)編程以前 該操作必須被執(zhí)行 AT89C51 的穩(wěn)態(tài)邏輯可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯 支持兩種軟件可選的掉電 模式 在閑置模式下 CPU 停止工作 但 RAM 定時器 計數(shù)器 串口和中斷系統(tǒng)仍在 工作 在掉電