咖啡机原理

目录

全自动咖啡机的设计....................................................1

摘要..................................................................1

1绪论................................................................2

1.1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.................................................4

2总体方案设计.........................................................4

2.1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...........................................11

2.3液压系统的设计..................................................12

2.3.1液压系统原理...............................................12

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....................................................15

3控制部分方案的设计..................................................16

3.1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..................................................25

3.7.1单片机控制部分............................................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...............................................34

4结论与感悟.........................................................36

4.1毕业设计总结....................................................36

4.2毕业设计感想...................................................36

5致谢................................................................37

参考文献...........................................................38

附录1控制主板接线图...............................................39

附录2自动咖啡机程序.................................................40

附录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protel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

Abstract

ent,theautomaticCoffee

machineisverypopular,especiallyudinthebigcityofficebuilding,office,somefamiliesare

asthestartingCoffeemachine,press

thepower,justafewminutes,grinding,boilingwater,brewingextractionfullyautomated,safe

andconvenient.

ingthebean

grindingdevice,addboilingwater,trolsystemuss89C51

microcontrollerasthecore,withthetemperaturensor,flowmeter,keysystem,heatingcircuit,

corecomponentsof

themachine,designofmechanicalCADdiagramisgiven,suchasgrindingmechanism,a

brewingchamber,trolpartofthemachine,the

designfromtwoaspectsofhardwareandsoftwareisgivenbyProtelcircuitdiagramandC

languageprogram.

Keywords:grindingmechanism,hydraulicsystem,89C51SCM,Clanguageprogram

1绪论

1.1咖啡机的历史

二十世纪初，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underpressure。

以上叙述说的“二十世纪初的急性子工程师”，指的很可能是LuigiBezzera。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，DesiderioPavoni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，TeresioArduino

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AchilleGaggia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（LaPavoni）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RottaScorza。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

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、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

2.2.1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。

2.2.2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”。

2.2.3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=0.1N·m

考虑到过载，为了有足够的工作能力，代入负载扭矩为1N·m。

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N·m；

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10N·m，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，额定转速为760r/min,额定转矩为10N·m，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。

2.2.4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1N·m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=5MPa<[]=20Mpa。

所以轴的扭转强度是足够的。

2.2.5键的选用与校核

考虑到咖啡机内部的空间结构以及强度满足的问题，我们直接在电机输出轴上开键

槽，利用键与转动磨盘架直接相连。

对于10mm的轴，查手册GB/T1096-2003此处可以选用B型平键。

键宽b=3mm键高h=3mm键公称长度l=12mm

键的两侧面是工作面，工作时通过键与侧面的挤压来传递转矩，受到挤压和剪切力。

实践证明，键连接的主要失效形式是它工作侧面被压溃。所以我们校核时按挤压应力

进行校核。

==0.024MPa<[]=110MPa。

所以，挤压应力远远满足要求。

2.2.6送粉电机与送粉螺旋轴

对于送粉电机，由于没有特别的负载要求，我们选择一款产品型号为JGB37-520的直

流电机即可，电压为12V，转速为600r/min，额定功率3W。输出轴的直径为7mm。

对于送粉螺旋轴，已知输送机的功率为P=0.003Kw,工作转速为n=600r/min。

对只受转矩或以承受转矩为主的传动轴,应按扭转强度条件计算轴的直径。若有弯矩

作用,可用降低许用应力的方法来考虑影响。

按扭转强度条件计算：

33

3

3

][2.0

955010

n

p

A

n

p

d







式中：d—计算剖面处轴的直径mm；

T—轴传递的额定扭矩N·m,T=9550000N·m；

N—轴传递的额定功率0.003kw；

n—轴的转速600r/min；

[]—轴的许用应力

MPa

；

A—按[]所定的系数查表得A=130。

代入上述公式得，d>2.2mm。

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。

2.2.7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6.5N·m最大扭矩13N·m

最高转速4000r/min径向偏差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。

2.2.8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，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1：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h

a

h

a

=h*

a

m1.51.5

齿根高h

f

h

f

=(h

a

*+c*)m1.8751.875

齿全高hh=h

a

+h

f

3.3753.375

齿顶圆直径d

a

d

a

=d+2h

a

31.567.5

续表1：调节齿轮与连接件上齿的基本参数

齿根圆直径d

f

d

f

=d-2h

f

24.7560.75

基圆直径d

b

d

b

=dcos2026.7860.61

中心距aa=m(z

1

+z

2

)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*m0.3750.375

2.2.9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GB/T70.1-2001,选择规格d为M1.6，螺距P为0.35，s

为1.5，规格长度为4的六角圆柱头螺栓8只。

下面我们分别来校核一下静止磨盘和转动磨盘所使用的螺钉的强度是否符合要求：

（1）静止磨盘螺钉校核

静止磨盘使用的螺钉主要承受由于摩擦产生的力矩T，由螺钉与垫片之间的摩擦转矩

抵消。受力图如下图4所示：

图4静止磨盘螺钉受力示意图

假设底板结合面上各螺钉连接处的摩擦力均相等且集中于螺钉中心，并垂直于螺钉中

心岛地板旋转中心的连线。这些摩擦力对地板旋转中心力矩的综合平衡旋转力矩T。

fFl1+fFl2+fFl3+fFl4=KfT

f为结合件之间的摩擦系数，此处取0.15；

l代表螺钉中心到磨盘中心的距离，此处为13.4mm，即0.0134m；

Kf为考虑摩擦传力的可靠性系数，一般取1.1-1.5，这里代入1.2；

T为旋转力矩，经过上面的计算可知T为0.1N·m，我们代入1N·m来校核。

这样代入数值算得=149N。

螺钉强度条件为==97MPa=400MPa。

d为螺钉的公称直径，单位：mm

因此螺钉的强度满足要求。

（2）转动磨盘螺钉的校核

与静止磨盘一样，转动磨盘使用的螺钉主要承受由于摩擦产生的力矩T，由螺钉与垫

片之间的摩擦转矩抵消。受力图如下图5所示：

图5转动磨盘螺钉受力示意图

假设底板结合面上各螺钉连接处的摩擦力均相等且集中于螺钉中心，并垂直于螺钉中

心岛地板旋转中心的连线。这些摩擦力对地板旋转中心力矩的综合平衡旋转力矩T。

fFl1+fFl2+fFl3+fFl4=KfT

f-结合件之间的摩擦系数，此处取0.15；

l代表螺钉中心到磨盘中心的距离，此处为21mm，即0.021m；

Kf为考虑摩擦传力的可靠性系数，一般取1.1-1.5，这里代入1.2；

T为旋转力矩，经过上面的计算可知T为0.1N·m，我们代入1N·m来校核。

这样代入数值算得=95.2N

螺钉强度条件为==61.6MPa=400MPa

因此螺钉的强度满足要求。

2）连接件与磨体之间螺纹连接，磨体上为内螺纹，连接件上为外螺纹。按照GB/T

192-2003,选择外螺纹公称直径为58mm，螺距为3mm，单程，旋合长度为S级，8mm。

3）连接件与静止磨盘架之间为螺纹连接，连接件上为内螺纹，静止磨盘架上为外螺

纹。按照GB/T192-2003，选择外螺纹公称直径为50mm，螺距为3mm，单程，旋和长度为

S级，10mm。

2.2.10调节齿轮的精度

由以上的调节齿轮与配合螺纹的选择，我们可以计算出来,当调节齿轮转一圈时，连

接件转动1/i=0.44圈，此时连接件与磨体之间的相对升降高度为：

H=0.44P=1.32mm

也就是说，调节齿轮顺时针旋转一圈静止磨盘与转动磨盘之间的相对距离增大

1.32mm，这对于调节咖啡粉的粗细度来说是个不小的数值。

调节数值见表2。

表2调节齿轮精度表

转过的齿数调节齿轮顺时针转调节齿轮逆时针转

1距离增大0.069mm距离缩小0.069mm

2距离增大0.138mm距离缩小0.138mm

3距离增大0.208mm距离缩小0.208mm

4距离增大0.276mm距离缩小0.276mm

5距离增大0.347mm距离缩小0.347mm

6距离增大0.417mm距离缩小0.417mm

7距离增大0.486mm距离缩小0.486mm

8距离增大0.556mm距离缩小0.556mm

9距离增大0.625mm距离缩小0.625mm

10距离增大0.695mm距离缩小0.695mm

11距离增大0.764mm距离缩小0.764mm

12距离增大0.834mm距离缩小0.834mm

13距离增大0.903mm距离缩小0.903mm

14距离增大0.972mm距离缩小0.972mm

15距离增大1.042mm距离缩小1.042mm

16距离增大1.116mm距离缩小1.116mm

17距离增大1.181mm距离缩小1.181mm

18距离增大1.251mm距离缩小1.251mm

19距离增大1.320mm距离缩小1.320mm

2.3液压系统的设计

2.3.1液压系统原理

1、水箱2、过滤器3、液压泵

4、溢流阀5、单向阀6、流量计

7、二位三通电磁换向阀D18、锅炉9、加热器

10、蒸汽安全阀11、过滤器12、温度传感器

13、待加热热水容器14、二位三通电磁换向阀D215、二位三通电磁换向阀D3

16、二位三通电磁换向阀D417、流量计18、酿造器

19、二位三通电磁换向阀D520、废液回收箱

工作过程：当按下电源键和“杯量键”后，泵3启动，开始工作。从水箱1中抽出纯

净水经过过滤器1过滤，分为两路，一路经过电磁换向阀1进入锅炉体内，作为加热水的

介质，其在锅炉内水达到一定量后自动断电停止继续抽入。另一路通过单向阀进入待加热

容器13，途中安插流量计6，此流量计的作用使控制进水量。进水400ml后，控制中心会

发出信号使泵停止抽水。待加热容器由两部分组成，一部分呈管状，一部分呈箱体型，它

们之间通过管路以及电磁换向阀14连接，可以自由进行热交换。为使水质更优质，内置

过滤器11。锅炉8内有加热装置9，实质是一加热电阻，管状外壁是热交换介质，可以充

分的与加热电阻和热水进行热量交换。锅炉上方置有蒸汽安全阀，防止锅炉内蒸汽压力过

大，损坏锅炉以致毁坏咖啡机，可以控制炉内压力基本恒定。待温度传感器给出热水温度

达到90℃

的信号时，电磁换向阀14得电，带有压力的热水和热蒸汽进入酿造器18中，中途安

插流量计17，此流量计控制进入热水的量，待流经热水的量达到设定值时，电磁换向阀

14失电，压力热水不再进入酿造器。待热水与咖啡粉在酿造器18充分萃取酿造8s后，电

磁换向阀19得电，泡制好的咖啡从下通道流出。这时，用户还可以按清洗键，锅炉内和

容器内的水通过电磁换向阀流出来处理掉。

2.3.2泵的选择与计算

液压泵在液压传动系统中的作用是依靠电机把原动机输出的机械能转换为液体介质

的压力能，是液压系统的动力源。

一般来说根据原理不同分为齿轮式、叶片式、螺杆式和柱塞式等结构形式。考虑到使

用在咖啡机中，质量要轻，还要经济，在这里我们选择齿轮泵。

齿轮泵的特点：齿轮泵具有体积小、结构简单、重量轻、价格低、维修方便、耐污染

等特点。

我们对咖啡机内部液压泵的基本要求是：

泵的出口压力最大为15个大气压，扬程不小于1m。

根据液压手册，选择一种型号为CB-B2.5的外啮合齿轮泵。

排量：2.5ml/r额定压力：2.5MPa

额定转速1450r/min容积效率为70%

驱动功率为0.13Kw质量2.5kg

则理论流量Qt=nv/60=14502.5/60=60.4/s

n-液压泵的额定转速（r/min）；

v-液压泵的排量（ml/r）；

Qt-液压泵的理论流量（/s）；

故实际流量Q=Qt=60.40.7=42.3/s

-容积效率

则输出功率P=Qp=42.31.5=63.45w

再T·w=P，代入w=2得扭矩T=0.86N·m

对于要配合功率为130w，额定转速为1450r/min,扭矩为0.86N·m的齿轮泵，我们选

择一款型号为ZYTD-38SRZ-R的直流电机。其电压为24V，功率为150W,额定转速1450r/min,

扭矩10N·m。

2.3.3其他液压元件的选择

1）蒸汽安全阀：

安全阀是一种自动阀门，它不需要借助任何外力而时利用介质本身的力来排出一定数

量的流体，以避免压力超过额定的安全值。当压力回到正常后，阀门再行关闭并阻止流体

继续流出。安全阀作为压力容器、锅炉、压力管道的超压保护装置，对它的要求是比较全

面的。对于蒸汽压力阀来说，适时全开和准确开启是必不可少的的条件。根据《蒸汽锅炉

安全技术监察规程》第143条额定蒸汽压力小于等于0.8MPa的安全阀+0.03MPa

+0.05MPa注：①任何锅炉上都必须有一个安全阀。对有过热器的锅炉装置，接较低的压

力进行调整的安全阀，须为过热器上的安全阀，用以保证过热器的安全阀先行开启。②

表中的工作压力，对于脉冲式安全阀系指冲量接出地点的工作压力，对其他类型的安全阀

系指安全阀装置地点的工作压力。第144条安全阀启闭压差一般应为整定压力4%～7%，

最大不超过10%。当整定压力小于0.3MPa时，最大启闭压差为0.03MPa。

在此处，我们选择主流的A48Y25型号的蒸汽安全阀，开启压力定为0.88Mpa，采用

BS6759代号的安全规范，启闭压差0.03Mpa。

2）过滤器的选用：

过滤器是除去液体中少量固体颗粒的小型设备，可保护压缩机、泵、仪表和其他设备

的正常工作，当液体进入置有一定规格滤网的滤筒后，其杂质被阻挡，而清洁的滤液则由

过滤器出口排出，当需要清洗时，只要将可拆卸的滤筒取出，处理后重新装入即可，维护

十分方便。

过滤器的型号由过滤器结构形式，连接形式，材料类别，接管、法兰等的标准，压力

等级5部分组成。

在结构形式上，我们选择ST3（直流式T型过滤器），连接形式代码采用1（内螺纹连

接），材料类别代码采用L（铝合金），标准代码H（接管尺寸采用GB标准，法兰采用HG

标准），压力等级代码。综合来看，我们选择型号ST3LH的T型过滤器。

3）电磁换向阀的选择

本设计中运用到的电磁换向阀较多，其开启大都由单片机控制电路来控制。我们选择

型号为3V210-08二位三通电磁阀，工作电压为24V，重量0.3kg，使用压力0.17-0.79MPa，

连接形式为内螺纹，工作温度为5-50度。

4）溢流阀的选择

本设计中溢流阀旁接于泵的出口，保证回路压力不会过大。选择一款型号为Y-10B的

溢流阀，公称流量为10L/min，最大流量为6.3L/min,最小流量为0.5L/min,卸荷压力为

1.5MPa，阀径为12mm。连接方式为螺纹连接。

5）单向阀的选择

本设计中选择一款型号为AQTDXF4的单向阀，阀门结构形式为直通式，材质是塑胶。

连接方式为快装，口径８ｍｍ，开启压力为0.015MPa，反向逆压为１.０ＭPa。

2.4酿造器的设计

本设计中酿造器的功能一方面要接收来自螺旋轴传送过来的咖啡粉，把它盛放在滤网

上方的滤纸上，另一方面热水从上方进水口冲进来与滤纸上的咖啡粉进行充分的萃取混

合。8s后单片机控制电磁换向阀得电，酿造好的咖啡从下出水口流出。详细构造如下图6

所示：

图6酿造器构造图

1-酿造器壳体2-弹簧

3-滤网及滤纸4-除渣销

5-密封垫片

考虑到盛水容量，此酿造器宽b=80mm长l=80mm高h=100mm，壁厚3mm。因此成水

量在600ml以上。

酿造器的左上方入口为送粉入口，右上方和右下方口分别为进水口和出咖啡溶液口。

酿造完毕后，可以拔出“清洗按钮”，右端可滑动箱体由于受到弹簧拉力的作用被拉到上

方，露出滤纸和滤渣，滤网绑在箱体四个角落上，滤纸覆盖在滤网上，可以直接拿出滤纸，

换上一张新的滤纸即可下次冲泡。方便快捷，安全卫生。换好后拉下箱体，插上“清洗按

钮”即可。清洗按钮实质上是我们自行设计的一个可以卡住两个箱体的小零件。两个箱体

的末端凸出一部分圆弧，有利于保持容器的密闭性。

3控制部分方案的设计

3.1全自动咖啡机控制系统方案基本原理

控制系统首先通过电源电路对系统供电，其中温度传感器、时钟电路、复位电路、拨

码开关、流量计均属于电路的输入部分，继电器控制的磨豆电机M1，传粉电机M2，泵用

电机M3以及电磁换向阀和控制加热电阻的继电器均为输出部分。基本原理图如下图7所

示：

图7自动咖啡机控制系统原理图

全自动咖啡机控制装置是在单片机的程序控制下进行工作的。首先，操作者需要

人工调节调节齿轮，取得相应的期待效果的咖啡粉粗细度。打开豆仓盖，放入适量的烘焙

好的咖啡豆。然后，根据需要泡制的咖啡溶液的多少，接通电源，选择拨码开关相应的组

合。按下启动键，咖啡机开始工作。磨豆电机、磨粉电机以及泵同时开始工作。为了避免

加热电阻的干烧，设定2s后清水进入锅炉和容器再接通加热电阻。为避免锅炉内抽入的

水过多，蒸汽压力太大，设置8s后控制水进入锅炉的电磁换向阀1失电，待流量计1检

测到进入容器的水量达到400ml时，将泵停止。开机15s后，磨豆电机和磨粉电机停止，

此时磨好的一定粒度的咖啡粉已经被送入到酿造器的滤纸上等待酿造。当温度传感器检测

到水温达到90摄氏度后，电磁换向阀2得电，热水由于高压被压入酿造器中。当流量计2

检测到流过的热水到达所设定的水量时，电磁换向阀2得电，热水不再进入酿造器。设置

时间8s后，电磁换向阀3得电，酿造好的咖啡溶液由下端流出。5s后，电磁换向阀4和

5得电，废弃的水流出来。给咖啡机断电即完成此次冲泡。

3.2电源

电源是所有的电子设备不可缺少的组成部分，它的性能的好坏直接影响到电子设备的

各项技术指标，进而关系到电子设备能否安全有效的工作。现在流行的是开关电源与直流

稳压电源两大类。近年来，集成电路快速发展，相应地-稳压电路也飞速实现了集成化。

与分立晶体管电路相比较，它的优点主要表现在占用空间小、质量轻盈、省电量、工作可

靠度高、运作时间大大缩短，而且调试起来快捷、应用灵敏，容易实施大量自动化生产。

在本次设计中，我们需要有稳定的直流5V，直流12V，直流24V的电源电压。5V的元

器件有：单片机、流量计、温度传感器等。12V的元器件是送粉电机。24V的元器件是磨

粉电机及泵电机。

3.2.1电源的作用与组成

各种电子电路都要求用稳定的直流电源供电，由整流滤波电路可输出较为平滑的直流

电压，但当电网电压波动或负载改变时，将会引起输出电压改变而不稳定。为了获得稳定

的输出电压。滤波电路的输出电压还应该经稳压电路进行稳压。

因此电源的组成为：电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。

电源变压器可以将将电网提供的220V交流电降低到与所需目标电压相近的电。

整流电路：利用四只二极管将交流电转换成仍然是脉动形式的直流电压。

滤波电路：利用储能元件电容器把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。

稳压电路：利用稳压器调整使得输出电压稳定。

3.2.2电源工作原理

（1）5V电源

图8直流5V降压整流滤波电路

整个电路电路如图8所示，控制电路采用变压器降压、晶体二极管整流等方法获得工

作电源。当电源接入220V交流电，线圈对220V交流电进行降压，从次级输出8V左右的

低压交流电，从而适应电路的使用要求。线圈的匝数比为i1=220/8=27.5.整流硅对次级输

出地交流电进行桥式整流，再由电容器对其滤波，形成较平滑的直流电，送给三端集成正

输出稳压器W7805进行稳压调整。经W7805稳压作用后输出+5V的直流电压，再经电容器

滤波后输出波纹很低的+5V电压，作为单片机、温度传感器、流量计等的的工作电源。对

于电路里的元器件，选择推荐使用的1000uF和470uF的电容，滤波电容选择0.33uF和1uF

的电容。二极管选择4只1N4402。

（2）12V与24V电源

与获取5V的电源电压方法原理类似，获得12V与24V的直流电源同样是降压、整流、

滤波、稳压的过程。

不同的是，获得12V的电压时，首先降压得到15V的交流电，此时降压比（即线圈匝

数比）i2=220/15=14.67。稳压器选择W7812，将15V的波动电压稳定在12V。供给磨粉电

机以及电磁换向阀用。原理图如图9所示：

图9直流12V降压整流滤波电路图

获得24V的电压时，首先降压得到30V的交流电，此时降压比（即线圈匝数比）

i2=220/30=29.3。稳压器选择W7824，将30V的波动电压稳定在24V。供给磨豆电机和泵

电机使用。电路原理图如图10所示：

图10直流24V降压整流滤波电路图

3.2.3稳压器的选用与介绍

集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。78XX系列集成

稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压有5V、6V、9V、12V、18V、24V

等规格，最大输出电流为1.5A。它的工作原理：取样电路将输出电压按比例取出，送入比

较放大器与基准电压进行比较，差值被放大后去控制调整管，以使输出电压保持稳定。它

的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度飘逸小的基准电压

源，工作稳定可靠。78XX系列集成稳压器为三端器件，一脚为输入端，一脚为接地端。一

脚为输出端，使用十分方便。

在此设计中我们选用是78XX系列中得W7805，W7812，W7824。

78XX系列典型线路如图11所示：

图1178XX系列典型线路图

使用时，需要在输入端和输出端并联两个电容，C1用以抵消输入端较长接线的电感效

应，防止产生自激振荡，一般选择0.1-1uF，此处选择0.33UF。C0是为了瞬时增减负载电

流时不致引起输出电压有较大的波动，可选用1uF。

输入电压和输出电压相差不得小于2V左右，一般在5V左右。因此我们在降压的时候，

分别一次降压为8V、15V、30V。

3.3控制系统硬件的选择与简介

3.3.1硬件的选择

一般来说要实现本设计的过程，PLC与单片机均可以实现。

单片机控制：优点是经济实惠，成本相对较低；缺点是用单片机制作的主控板受制版

工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环

境依赖性强,开发周期长。一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难

形成一个真正的产品。

PLC控制：优点是PLC是经过几十年实际应用中检验过的控制器，其抗干扰能力强，

故障率低，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短。缺点是成本相对较高。

PLC是工业控制领域的主力军，能够完成强电的逻辑控制盒运动控制及PID运算；单

片机适用于小型自动控制领域及无线控制领域；体积小价格便宜。单片机自身保护差，PLC

自身保护强。PLC控制抗干扰能力比单片机强，PLC适用于中、大型设备，单片机适用于

微、小型设备。总而言之，它们的区别是使用的领域不同，基本控制原理大体相同。

对于全自动咖啡机的控制系统设计，由于其占用空间要小，经济方面也要尽可能的实

惠，因此我们选择用单片机作为主要的硬件核心。在单片机的各种系列中，选择AT89C51

单片机。

AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含

4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器

（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令

系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片

机可适用于提高许多高性价比的应用场合，可灵活运用于各种控制领域。它的引脚如图12。

图12AT89C51单片机引脚图

3.4霍尔流量传感器

水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量。在霍尔元件的正极串入

负载电阻，同时通上5V的直流电压并使电流方向与磁场方向正交。当水通过涡轮开关壳

推动磁性转子转动时，产生不同磁极的旋转磁场，切割磁感应线，产生高低脉冲电平。由

于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比，转子的转速又与水流量成正

比，根据水流量的大小启动燃气热水器。其脉冲信号频率的经验公式为。

f=8．1q-3

式中：f—脉冲信号频率，H2

q—水流量，L／min

由水流量传感器的反馈信号通过控制器判断水流量的值。根据燃气热水器机型的不

同，选择最佳的启动流量，可实现超低压(0．02MPa以下)启动。

本设计选择霍尔式8030流量计。它的外观如图13所示。

图13霍尔式8030流量计

它的基本特性为：

1）环保型设计，食品级POM材质，小巧实用，可任意角调节；

2）双端为G1/4外牙式结构，连接更方便；

3）霍尔元件为日本进口，灵敏可靠；

4）流量范围：0.1-3L/min，工作电压：DC3-18V，额定电压DC5V；

5）输出电压(额定DC5V）：高电平4.5V以上，低电平0.5V以下；脉冲输出占空比

50±10%；

6）专为小流量和医药机械打造的小水流量传感器，同时也可用于电器和机械设备。

接口电路如图14所示：

图14流量计接口电路

如上图所示，霍尔式8030流量计有三个口，1口接电源，3口接地，2口接单片机计

数端口，向单片机单向输送信号。

3.5驱动芯片ULN2003

高耐压、大电流复合晶体管IC—ULN2003，ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵

列，由七个硅NPN复合晶体管组成。ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪

表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。

由于单片机本身输出地信号太微弱，此电路中需要用ULN2003芯片驱动继电器开闭和

电磁线圈通电。

引脚如图15所示。

图15ULN2003驱动芯片引脚图

封装外形图ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。

它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压为5V,适用

于TTLCOMS,由达林顿管组成驱动电路。ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线

圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压

BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输

出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动

ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时COM引脚应该悬空或接电源。

3.6温度传感器

89C51单片机内部没有数模转换器，如果选用一般的模拟量温度传感器还需要添加A/D

转换器把传感器的模拟量信号转换为数字量给单片机识别并处理。因此，本设计选择简单

方便的数字型温度传感器DS18B20。

DS18B20温度传感器在美国DALLAS公司研制的DS18B20可组网数字温度传感器芯片

的基础上，经过焊接，外部加不锈钢的保护管封装而成，优点是耐磨耐碰，占用空间小，

使用起来方便，多样化的封装形式，在各种狭小空间设备数字控制和测温领域都十分试用。

它能依据实际的需求，利用简单的编程达到9～12位的数字值读数方式。

它的特点有如下几点：

1）接口方式为单线接口，DS1820在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处

理器与DS1820的双向通讯,在使用中不需要任何外围元件。

2）测温范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。-

3）支持多点组网功能，多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。

4）工作电源:3-5V的直流电源

5）测量结果以9位数字量方式串行传送。

DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图16所示。

图16DS18B20内部结构图

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

DS18B20的管脚排列如图17所示:

图17DS18B20的管脚排列

3.7各部分电路说明

3.7.1单片机控制部分

1）振荡器特性：

XTAL1和XTAL2是反向放大器的输入端和输出端。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时

钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此

对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2）单片机芯片的擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚

处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节

被重复编程以前，该操作必须被执行。

AT89C51的稳态逻辑可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电

模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工

作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下

一个硬件复位为止。

3）单片机的时钟电路

AT89C1单片机内部的振荡电路是一个高增益反向放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是

放大器的输入端和输出端。单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电

路。AT89C51的时钟产生方式有两种：内部时钟电方式和外部时钟方式。由于外部时钟方

式用于多片单片机组成的系统中，所以此处选用内部时钟方式。即利用其内部的振荡电路

在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路产生自激振荡。最常用的是在XTAL1

和XTAL2之间接晶体振荡器与电路构成稳定的自激振荡器，如图18电路所示为单片机最

常用的时钟振荡电路的接法，其中晶振可选用振荡频率为6MHz的石英晶体。两个电容均

选用30pF的电容器。

图18单片机时钟电路

4）单片机的复位电路

本设计中AT89C51是采用上电自动复位方式。最简单的复位电路如图19所示。上电

瞬间，RC电路充电，RST引线端出现正脉冲，只要RST端保持10ms以上的高电平，就能

使单片机有效地复位。电阻选择1KΩ的电阻，电容器一般选择22μF。

图19单片机复位电路

3.7.2传感器数据采集电路

传感器数据采集电路主要指DS18B20温度传感器与单片机的接口电。DS18B20可以采

用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，

3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20

时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于

写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。

采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态

的。考虑到实际应用中寄生电源供电方式适应能力差且易损坏，此处采用电源供电方式，

I/O口接单片机的P1.0口。

工作时，温度传感器不断采集数据并且在内部转换成数字量传给单片机，单片机自动

处理为十进制的温度值，在程序中使用while语句与90摄氏度比较，当温度值超过90摄

氏度时，程序跳出while语句，单片机将P0.1口置0，驱动芯片将输出1，此时电磁换向

阀得电，热水进入酿造器；与此同时，P0.5置1，驱动芯片输出cal口为0，加热电阻断

开，不再加热。

温度传感器接线电路如图20所示。

图20温度传感器电路

3.7.3流量计数据采集控制电路

该霍尔流量计工作电压为5V。

我们把流量计1接单片机T1口，计时端口，此流量计用来控制进入加热锅炉加热水

的水量，每次我们让进入容器待加热的水为400ml，这样的话相当于计数1752个脉冲数，

等计数器到达1752数值后置F1为1，电磁换向阀断电，泵不再往锅炉内压水。

流量计2接单片机T0口，计数端口。流量计通过1L水时发出4380个脉冲。

一次推算，流量计通过60ml，100ml、200ml、300ml水时分别发出263、438、876、

1314个脉冲。用户首先通过拨码开关选择杯量，输入给P1.6和P1.7口，这时P1口得到

一个初始值，让其与16进制数C0进行按位与，得到用于判别的杯量数值。当计数器累计

到相应的脉冲数时，单片机置P0.1口为0，电磁换向阀2失电，热水不再继续进入酿造器。

其电路接线图如21所示。

图21流量计电路接线图

3.7.4拨码开关电路图

本设计对于咖啡溶液设置有四个杯量供操作者选择。杯量选择系统由两个拨码开关组

成，操作者在按下电源键前就应选择好杯量。

具体操作由表3说明。

表3：拨码开关组合表

拨码开关1置右端“4”拨码开关1置左端“1”

拨码开关2置右端“3”00（60ml）01（100ml）

拨码开关2置左端“2”10（200ml）11（300ml）

为防止电流过大，串联一只保护电阻R2、R3。拨码开关电路接线如图22：

图22拨码开关接线图

操作者在启动开始之前就选择好拨码开关的数值，相当于给P1口置了初值。这个初

值用于后面流量计判别流经的水量，控制电磁换向阀的闭合时刻。

3.7.5电机控制电路图

本次设计中一共包含三个电机，分别是用于磨豆的电机B1，额定电压为24V，电路如

图23。用于传粉的电机B2，额定电压为12V，电路如图24。驱动液压泵的电机B3，额定

电压为24V，电路如图25。

图23磨豆电机电路图

图24传粉电机电路图

如图25泵电机电路图

电机电路通过继电器控制通断，继电器由单片机连接ULN2003L驱动芯片控制开合。

电路及接线如图26。

图26驱动芯片接线图

LN2003是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平，当

输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平，继电器得电吸合。

启动后置M1、M2、M3为0，开启三个电机工作。根据经验，15s后，置M1、M2为1，

让磨豆电机和传粉电机停止。当流量计1输出1752个脉冲数，即流经400ml水后，置M3

为1，让泵停止工作。

3.7.6电磁换向阀控制电路

本设计需要用到5个电磁换向阀，由于电磁换向阀的工作为5V，控制电磁换向阀线圈

的得失电也需要在单片机之间连接驱动芯片ULN2003L，P0.5口控制加热电阻的通断。当

单片机的接口置1时，线圈失电，继电器断开。

电磁换向阀电路如图27所示。

图27电磁换向阀电路图

加热电阻电路如图28所示。

图28加热电阻电路图

程序开始时，全部置P0口为1，即F1、F2、F3、F4、F5和cal的输出为0。电磁换

向阀起初全部不得电，电阻没有开启加热。

设置2s后，将cal置0，即输出为1，加热电阻启动。

8s后，将F1置0，电磁换向阀1得电，水不再进入锅炉。

电磁换向阀与加热电阻继电器的接线如图29所示。

图29电磁换向阀接线图

3.7.7整个主板电路接线图

图30单片机主板电路接线图

如图所示，单片机P1.0口接数字温度传感器DS18B20，双向单根线交换数据。P1.6

和P1.7口连接两个拨码开关，拨右端为置1。P3.3与P3.2口分别连接流量计1和流量计

2。P3.0-P3.6接驱动芯片七个口，控制五个电磁换向阀与一个加热电阻。P2.0-P2.7接另

一驱动芯片控制三个继电器，控制三个电机的启动和停止。

3.8咖啡机工作流程图

图31咖啡机工作流程图

全自动咖啡机控制系统的流程如图31所示。先启动电源初始化，操作者根据需要的

水量调节拨码开关，按下启动键程序正式开始运行。磨豆电机、传粉电机、泵电机开始运

行。加满水后，泵停止，待到水的温度达到90摄氏度时，加热停止，高压热水进入到酿

造器中与已经被传粉电机送来的一定粒度的咖啡粉混合萃取形成一定浓度的咖啡液流出。

最后单片机控制电磁换向阀闭合流出残留在系统的水。酿造完毕。

通电

初始化

操作拨码开

关选择杯量

按启动键，启动咖啡机工作

程序

磨豆电机B1和传粉

电机B2启动

启动泵抽水，电磁换向阀1得电，锅炉

内与加热容器内同时进水

2S后，加热电阻通电

开始加热

15S后磨豆电机和传

粉电机停止工作，一

定量的咖啡粉在酿

造器中等待酿造

5s后，电磁换向阀1失电，

泵不再给锅炉内送水

待流量计1检测到通过

400ml水时，泵停止工作

当温度传感器检测到水温到达

90℃，电磁换向阀2得电，热水被

压入酿造器中，同时加热电阻断电

当流量计2检测到流经的热水

达到拨码开关设置的水量时，

电磁换向阀2失电，热水不再

进入酿造器

充分萃取酿造8s钟，电

磁换向阀5得电，咖啡液

流出

5s后，电磁换向

阀3、4得电，锅

炉内和加热容器

内的废水排出咖

啡机

第一步为通电初始化以及选择杯量程序。接通电源以后，单片机得到+5V的工作电压，

首先通过初始化按键使单片机硬件复位，完成复位后单片机进入初始化状态。操作者调节

拨码开关，选择杯量大小。按下启动键，单片机开始控制系统工作，按照程序运行。

第二步为磨豆送粉及加水程序。程序开始时，单片机的P0口与P2口全被置1，这样

输出为0。待单片机处理了拨码开关输送来的杯量信息后，将M1、M2、M3置0，即单片机

的P2.0、P2.1、P2.2口置0.此时经驱动芯片处理后，M1、M2、M3的输出为1，程序启动

磨豆和传粉电机，咖啡机一边捣碎研磨咖啡豆，一边将磨好的咖啡粉传经螺杆传送到酿造

器里的滤网滤纸上。与此同时，电机M3被启动，泵开始工作，P0.0口置0，即F1口置1，

电磁换向阀1得电，清水被抽入锅炉和待加热容器中。

第三步为加热程序。第一步启动电机后，同时开启定时程序。为避免加热电阻干烧，

泵工作2s后，单片机程序置cal为0，驱动芯片输出cal为1，加热电阻的继电器闭合，

加热电阻接通220V交流电源开始加热工作。待清水进入锅炉8s后，为了避免锅炉内的加

热加水过多，造成蒸汽压力过大，单片机置P0.0口为1，F1输出0，电磁换向阀1失电，

清水不再进入锅炉内，但进入待加热容器的水继续加。当流量计1计数到1752个脉冲，

即流过400ml水后，单片机程序置P2.2口为1，即M3的输出为0，泵被停止。此时水一

直在被加热。

第四步为酿造程序。磨粉电机和传粉电机工作15s后，单片机程序置P2.0、P2.1口

为1，M1、M2输出为0，磨粉电机和传粉电机停止工作。此时温度传感器不断地由P1.0口

向单片机输入9位的温度数据，单片机内部处理后与90摄氏度比较。当水的采集温度达

到90摄氏度后，单片机置P0.5为1，cal口输出为0，加热电阻电路中断，水不再被加热。

同时单片机程序置P0.1为0，F2输出为1，电磁换向阀2得电，高温高压的热水夹杂水蒸

气被压入到酿造器。流量计2对流经的热水进行脉冲计数，并与拨码开关置的初值进行比

较。假设拨码开关当初选择的200ml，即输入P1.7，P1.6口的是10。单片机处理数据与

计数器的数值比较，如果达到拨码开关置的初值，单片机置P0.1口为1，F2输出0，电磁

换向阀2断电，热水不再进入酿造器。此时定时程序启动，允许系统有8s萃取酿造的时

间，8s后，单片机程序置P0.4口为0，F5输出口为1，电磁换向阀5得电，泡制好的咖

啡溶液从下端口流出。

第五步为废水排出程序。等待咖啡溶液流出后5s，单片机程序置P0.2和P0.3口为0，

输出F3和F4为1，电磁换向阀3、4得电，锅炉内与加热容器内的残留少许水被排出处理

掉。一次酿造过程完毕。

以上便是全自动咖啡机的一次完整工作过程。

4结论与感悟

4.1毕业设计总结

此次的毕业设计主要分为咖啡机机械实现部分以及控制系统部分。

机械实现部分主要包含磨豆机构的设计、酿造器的设计以及液压系统的设计。

在磨豆机构的设计部分中，我阅读了一些国内外的相关的咖啡机专利以及论文，又借

鉴了一些豆浆机磨豆装置的构想，加入了现今市场上较为缺乏的可以实现的咖啡粉粗细调

节功能，有利于更好的满足客户的需求；并且改进了常用的磨盘，有利于研磨效率的提高。

在如何把磨好的咖啡粉更完全的送入传粉螺杆中的问题上，巧妙的加入了一把小刷子，这

大大简化了结构上的设计，降低了设计成本，也很好的实现了所需要的功能。

在酿造器的设计部分中，充分考虑了清除滤渣这一功能的实现。采用滤网、滤纸、弹

簧相结合的方式，提高了清除残渣的方便度，并且安全卫生。

在液压系统实现的设计中，为了获得更优质的水质，对水质进行了前后两次过滤。为

了更安全的对水进行加热，采取了加热电阻与热水同时传热给容器中水的加热方式，并且

在锅炉上安置了蒸汽安全阀，有效地控制住锅炉内的压力。对于酿造完毕后残余的水，也

进行了处理。

在控制部分的设计中，选择了现今更为方便快用的数字型温度传感器和流量计，在实

现所需的功能时也大大简化了我的设计和程序的编写。对于水量的控制给出了四个量级，

很好的满足了各种层次的用户的需求。

但是由于能力水平有限，这份设计成果还存在有明显的缺陷以及与市场上一些主流高

品质咖啡机的差距。比如虽然很好的控制了杯量的大小，但是并没有使得水的利用率最大

化，造成了一定程度的能量浪费和资源浪费。对于市场上主流的制作牛奶泡沫这一功能也

没有能够实现。在除渣清洗上，没有实现酿造器能够拿出咖啡机体外的最初设想。对于最

初策划的智能调节咖啡粉粗细度也改成了人工泡制前调节。

以上是我自己总结的本次设计的亮点与不足，希望读者和老师帮我指点，更好的改进

这份设计。

4.2毕业设计感想

此次毕业设计要求我在冯老师的指导下独立进行查阅资料，设计方案，编写程序，连

接电路等工作，最后写出报告。

当初选择这个题目，更多来自兴趣。做完设计发现，任何一个成品都不是简简单单就

能完成的。从选题，到查阅资料，到确定设计方案，到计算尺寸，到校核，到各个元器件

的选型等等，需要考虑的问题很多，也需要有整体的思想和大局观。原本对单片机并不十

分擅长的我，通过做电路部分的设计，不断的熟悉单片机的原理构造，与同学老师进行多

次的交流。通过使用CAD进行绘图，使我的绘图和读图能力也大大提高。尽管最终的成果

可能不尽完美，但这个设计的过程却是让我受益匪浅。

5致谢

终于我的四年大学学习生活就要结束了。在即将毕业的这些日子中，我的内心五味杂

全。曾经一个年少青涩的少年，如今已经成长为即将独挡一面的青年。在这份有可能是人

生最重要的蜕变中，我要感谢很多的人，他们帮助我走到了现在。

首先，我要着重感谢我大四指导我的毕业设计老师冯雪君老师。冯老师平时和蔼可亲，

对我们关怀备至。她每次开会都会详尽地询问我们毕业设计的进度，纠正我们近阶段的问

题，并且与我们讨论下一个阶段要完成的任务。我还记得，我由于一些事情耽误了毕业设

计前期的一些工作，加之所做的课题资料较少，导致我直到四月的时候还在阅读一些论文

和专利，忙着制定出我的设计方案，图纸和程序迟迟没有开始，在中期检查的时候收到了

警告通知。那个时候我很焦急，方案有几个细节还是不能确定，在短短的两天内，冯老师

约见我三次，与我商讨方案设计里的一些问题，并且不断地给我鼓励，告诉我大胆的去做，

但也别因为太多的细节止步不前。有了冯老师的指导，我很快就完善好了方案，顺利的进

行下面的设计工作。我真心的感谢冯老师，感谢她对我的毕业设计的耐心指导，感谢她给

我的信心。同时也感谢中期答辩给我指出问题的那些老师，是他们帮我更好的完成了我的

毕业设计。

其次，我要感谢大学里教过我的任课老师以及辅导员。他们传授给我科学文化知识，

给了我做人做事的理论，引导我树立健康合理的价值观和人生观。我知道，这些东西会在

我以后的继续求学中，甚至是整个人生中发挥着越来越不可代替的作用。

再者，我要感谢陪我一起度过四年大学时光的同学们，舍友们。大家在一起，荣辱与

共，患难同当，互帮互助，结下了深厚的情谊，这一定也是人生宝贵的一笔财富。

最后，我要感谢两位母亲。一位是生我养我的妈妈，辛苦抚养我长大，给我念书，教

我做人，有了她我才能拿到这沉甸甸的学位证书，才能不断地修炼自己。另一位是我们矿

大母亲，它以无比宽广的胸襟包容着我在大学的一切，耐心地用自己105年的积淀默默的

熏陶着我，感染者我，感动着我。在我毕业以后，矿大母亲依然是我在社会上打拼奋斗的

坚强后盾。我的骨子里已经浸入了矿大人的血液。无论我走多远，飞多高，我永远也不会

忘了这两位母亲，忘了妈妈，忘了矿大！

参考文献

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[29]v,ationsofinitialestimateofparametricalidentificationfor

mathematicalmodelsofstaticregimesofcomplicatedtechnologicalsystems.[J]..

.10,(1A),58-69(2004).,2004.

附录1控制主板接线图

附录2自动咖啡机程序

#include

#include"DS18B20.h"

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar

uchari,flag;

uchart;

uchardat,water;

sbitM1=P2^0;

sbitM2=P2^1;

sbitM3=P2^2;

sbitF1=P0^0;

sbitF2=P0^1;

sbitF3=P0^2;

sbitF4=P0^3;

sbitF5=P0^4;

sbitcal=P0^5;

voidtime();

voidmain()

{

P0=0xff;

P2=0xff;

time();

dat=0Xc0&P1;

switch(dat)

{

ca0x00:water=263;

ca0x40:water=438;

ca0x80:water=876;

ca0xc0:water=1314;

}

M1=0;

M2=0;

M3=0;

F1=0；

TR1=1;

TR0=1;

while(!(flag==2));

cal=1;

while(!(flag==10));

F1=0;

while(!(flag==15));

M1=0;

M2=0;

TR1=0;

t=tmp();

while(!(t>=90));

F2=1;

cal=0;

TR0=1;

while(!((TH0*256+TL0)>=water))

F2=0;

TR1=1;

while(!(flag==8));

F5=1;

while(!(flag==15));

F3=1;

F4=1;

}

voidtime()

{

EA=1;

ET0=1;

ET1=1;

TMOD=0x15;//T0为计数器，T1为定时器

TH1=(65536-50000)/256;

TL1=(65536-50000)%256;

TH0=(65536-2320)/256;

TL0=(65536-2320)%256;

}

voidtime1()interrupt3

{

TH1=(65536-50000)/256;

TL1=(65536-50000)%256;

if(i==20)

{

flag++;

i=0;

}

i++;

}

voidtime0()interrupt3

{

M3=0;

TR0=0;

}

下面是温度传感器工作子程序：

#include

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar

uinttemp,x;

sbitDQ=P1^0;

voiddelay_ms(ucharm)//((999*m)+3)/1000ms

{

uchari,j,k;

for(i=m;i>0;i--)

for(j=4;j>0;j--)

for(k=123;k>0;k--);

}

voiddelay(void)//空5个指令

{

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

}

voiddelay_5us(ucharm)//（m*5+3）us

{

uchari,k;

for(i=m;i>0;i--)

for(k=1;k>0;k--);

}

voidinitialize()

{

uinti;

DQ=0;

i=103;

while(i>0)i--;

DQ=1;

i=4;

while(i>0)i--;

}

voidwrite_bit(charbitval)

{

DQ=0;//pullDQlowtostarttimeslot

delay_5us(1);

if(bitval==1)DQ=1;//returnDQhighifwrite1

delay_5us(19);//holdvalueforremainderoftimeslot

DQ=1;

}

voidwrite_byte(uchardat)

{//写一个字节到DQ18B20里

uinti;

ucharj;

bittestb;

for(j=1;j<=8;j++)

{

testb=dat&0x01;

dat=dat>>1;

if(testb)//写1部分

{

DQ=0;

i++;i++;

DQ=1;

i=8;while(i>0)i--;

}

el

{

DQ=0;//写0部分

i=8;while(i>0)i--;

DQ=1;

i++;i++;

}

}

}

unsignedcharread_bit(void)

{bitdat;

unsignedchari;

DQ=0;i++;//pullDQlowtostarttimeslot

DQ=1;i++;i++;//thenreturnhigh

dat=DQ;

i=8;while(i--);//delay15μsfromstartoftimeslot

return(dat);//returnvalueofDQline

}

unsignedcharread_byte(void)

{

unsignedchari,j;

unsignedcharvalue=0;

for(i=0;i<8;i++)

{j=read_bit();

value=(value>>1)|(j<<7);

}

return(value);

}

voidtmpchange(void)//发送温度转换命令

{

initialize();//初始化DQ18B20

delay_5us(100);//延时

write_byte(0xcc);//跳过序列号命令

write_byte(0x44);//发送温度转换命令

}

inttmp()//获得温度

{

floattt;

uchara,b;

initialize();

delay_5us(100);

write_byte(0xcc);

write_byte(0xbe);//发送读取数据命令

a=read_byte();//连续读两个字节数据

b=read_byte();

temp=b;

temp<<=8;

temp=temp|a;//两字节合成一个整型变量。

tt=temp*0.0625;

x=tt;//得到真实十进制温度值，因为DQ18B20//可以精确到0.0625度，所以读回

数据的最低位代表的是//0.0625度。

temp=tt*10+0.5;//放大十倍，这样做的目的将小数点后第一位//也转换为可显示数字，

同时进行一个四舍五入操作。

returntemp;//返回温度值}

附录3

外文翻译

Failureevaluationofcoffeemaker

ABSTRACT:Thecoffeemakerwasdisasmbled,andthecharacteristics,workingprincipleand

ponofthesystem

failuremodes

ofeachunitfailinginthetestwereanalyzedbadonthecharacteristicsofmate-rial,structure

lureevaluationofthecoffeemakersystemwasmadeusingthe

reliabilityanalysismethodssuchasfailuremodeandeffectanalysis,

resultssr,

thehiddenhazardcaudbydesignexistsforthepressurereliefpipeline,whichneedsfurther

fldlyoccurtothecoffeemaker,butleakageof

steammaytakeplace,lityofsomeunitsinthecoffeemaker

arepoor,whichisdetrimentaltosafeuoflongterm,andimprovedprocessingareneeded.

uction

Themainobjectiveofthisstudyistoevaluatewhetherthedesignedfunctionofonekindof

coffeemakercanrealizedandissafeenoughornotintheworkprocesswhenitisabnormallyor

,thecomponentsandunitsofeverysubsystemweredisasmbled.

Thenpossiblefailuremodesofeachunitwereanalyzedbadonthecharacteristicsofmaterial,

siblefailuremodesofeachcomponentwereinferred

fromthecombina-tionoftheinfluenceofunitfailureoncomponentsandsimulationtest

y,curityandreliabilityofthewholesystemwereevaluatedbadonthe

resultsonthecomponents.

uralfeaturesandanalysisofsystemfunctions

ficationofsubsystems

Structuralfeaturesandanalysisofsystemfunctionsarefundamentaltobothfailureand

systemsafetyevaluation[1,2].Accordingtofunctioncharacteristic,thecoffeemakercanbe

paratedintothreerelativelyindependentsubsystems.(1)e

centerworkingsystemofthecoffeemakerwhichaccomplishedbysupply,drawing,heat-ingand

rculationsystemconsistsofthefollowingcomponents,waterrervoir,

flowmeter,pump,heater,trifurcatetubeconnector,brewbasket,podholder,reliefvalve,check

valveandtube.(2)ctriccontrolsystemactsasanervecenter

(cerebrum)ofthecoffeemaker,carryingoutautomationcontrolbyprogramincludingworking

ingtofunction,theelectriccontrol

systemiscompodofin-outcircuit,rtsofin-out

circuitincludenegativetemperaturecoefficient(NTC),thermostat,

processorreferstothemasterintegratecircuit(IC).Theelectricsupportcircuitincludes

capacitance,resistance,inductance,triode,tri-voltageregulator,transformer,wireandplug-in

board.(3)llstructuresystem,whichcompodoffrontshell,rear

shell,chassis,lidandskeleton,isinchargeofprotectingandsupportingthewholesystem.

isofworkingprocess

asistests,

wecantentativelyinfertheworkingprocessofwatercirculation,

example,whenthecoffermakermakecofferof7oz,atfirst,thecoffeemakerispoweredon,the

heaterwillpreheatitlfuptoabout65?C(149?F),thepumpthenstartspumpingwaterintothe

heaterthroughtheflowmeterandheatedwater(notboiled)flasthe

flowmeterreads7oz(7ozmode),erleftintheheaterwillbeboiledso

r,whenthesteampressureistoohigh,therelief

rast,whenthesteampressureis

lowerthan1atm,airoutsidewillbepresdintothewatercirculationsystemthroughthecheck

thepressurehazarddefensystem.

atinghazardprotectionprocess

Ov

overheatingprotectionisrealizedbythefollowingthreegrades,

hazardprotectionismadeupoftwoparallelconnectedthermalresistances;gradeIIisa

etemperatureoftheinnershellofthe

heaterorheaterspoutistoohigh,thethermalresistancegetstoworkandthesystemisprevented

eheatertubeis

over-heated,thethermostatworks,cuttingoffthepowersupplyoftheheaterandthepumpto

hetemperaturereturnstonormal,thethermostatwillre-connecttothe

efirsttwogrades

failtoworkandthetemperatureoftheheatertubeexceedscriticaltemperature,thethermalcut

offwillverthepowersupplyofthewholesystem.

evaluation

emodeandeffectanalysis(FMEA)

FMEAisaqualitativemethodtoanalyzethehazards,whichgraduallyanalyzesthe

influencesofthefailureofcomponentsandunitsonthepersonnel,operationandthewhole

systemanditspossiblecaus[3,4].Theanalysisresultsofsomeunitsofwatercirclesubsystem

wereonlygivenhere,asshowninTable1.

reeanalysis(FTA)

Faulttreeanalysisadoptslogicalmethodtoconductdangerousanalyzingwork

characterizedbyintuitiveness,straight-forwardness,antitative

andqualitativeanalysiscanbeconducted,whichreflectsthesys-tematically,accuracyand

predeofthemain

asisofFMEA,thefailuremodesthathave

themostpossibilitytooccurareleakageofhigh-temperatureandhigh-pressurewaterand

electricityleakage,theresultsareshowninFigs.3and4.

tiontestandanalysis

SimulationtestaimstofindouttheunknowndesignfaultandvalidateFMEAconclusions

estingwaythatisclosttothe

ortisconcernedmainlyoncomponentsinthewatercirculationsystem

fabricatedfailuresoftenhappeninactualrvice.

cloggingofcreamypodholder

eepowderiscarelesslyputintothe

creamypodholder,thewaterwillflowtothecupthroughthepressurereliefpipe,indicatingthat

r,thepodholderisfullofhotwater.

Underpressurethelidcannotbeopenedimmediatelysothaturswouldopenitforciblytobe

oggingexperimentalsoholdsfortheoutletclogging.

ngofwaterspoutofreliefvalve

Failureofthesimulationtestwouldoccurifthereliefpistonwascloggedasthescale

depositslieinthereliefdischargingoutletintheunderpinorthespringisrupturedbecauof

thetest,thesystemrannormallyandtheadhesiveplastercloggingthe

ore,onlyundergreatpressurewouldthereliefpipelinebe

enosignificantinfluenceofthefailureonthesystem,thefailurestillmakesthe

pressurehazardprotectionsysteminthewater-circulatingsystemmalfunction,whichishardto

eheaterpipelineisclogged,itmayberupturedtocaurapidleakageofthe

hotwaterandevenelectricshockorscaldingofpeoplebecauofthedramaticallyrising

pressure.

eofcheckvalve

Thefailureofthecheckvalveleakagewassimulatedinthistest,whichalsoholdsforany

ementioned,thefailurecaudbytheaging,

thermalmelting,andhotwaterleakagepossiblyoccursforsiliconetube,firmware,connectorin

efailuretakesplace,

theleakaore,

ckvalveisan

importantelementforthepressurehazardprotection,whichcanrelievenegativepressureofthe

entfromtheleakageinthecoffeemaker,astheinletofthecheckvalvedirectly

leadstofasciacoverinfrontofthecrust,water(steam)withhigh-temperatureandhigh-pressure

willdirectlyflowoutofthecoffeemakerifthefldcaurious

harmtopeople.

ementofNTC1#andNTC2

#Thistesthasconductedasurveyoftheworkingsituationoftheprotectionsystemof

temperaturedangeraftertheNTC1#andNTC2#andelectromagneticpumpfailstofunction

heNTC1#and2#areinvalidatedsimultaneously,thethermostatshould

heheaterreachesthe

criticaltemperatureduringthedryburningprocess,thethermostatwillcutoffthechiefpower.

Duringthesimulationtestprocess,althoughthethermostatatlastexercisthefunctionof

cuttingoffthepower,theNTCholderhasalreadyinvalidatedintheinitialstage,whichleadsto

theleakageofhigh-temperaturevaporinthewater-circulatingsystem,

NTCholdersuffersfromfailureforriousdistortionofmeltingandperforationattemperature

about100C(212F),asshowninFig.6.

tichasgoodhardness,toughness,highthermal

resistancetemperature,good

fatigueproperty,ndurethe

high-temperaturefrom110C(230F)to

120C(248F),even150C(302F)derhasstrengthmuchlower

derisof

mi-transparentandyellowishcolorwhiletrifurcatetubeconnectorisofopaqueandwhitecolor.

Theobviousdifferenceincolorandroughnesscanbeascribedtodifferentprocessingqualities.

Thertion,

lidlowerofthecoffeemakerwasfoundthatmaterialdropbydelaminationoccurredaroundthe

screwofthelid,ismadeofPPS(Polyphenylene

Sulfide)whichhasgoodthermal,inflaming,mechanical,chemical,wearingresistance,andalso

ort-term

thermalresistanceandlong-termthermalstabilityaresuperiortoanyotherengineeringplastics.

Thus,,sliderandchassis

ldbepointedoutthatdelaminatingdropmaybeduetotheimproper

iabilityofcurity

ofthecoffeemakerwouldbeguaranteedbyadoptingthecorrectfabricationtechnologyofPPS.

isanddiscussion

Thecoffeemakercanbasicallymeetthedemandsforfunctionalityaccordingtotestand

r,thehiddenhazardalsoexistsindesignandfewparts,whichwill

detailedasfollow,andneedsfurtherimproving.

factor

Designfaultisquiteriousandunacceptableandthusmustbeimprovedinthatprobability

sultsshowedthatthemainproblems

existedindesigninclude:

(a)mple,thestructureoftheNTCholderisrather

complexandtheinnerdiameteroftubeissmallandthewallistoothinsuchthatthermalmelting,

poringandrupturingareeasytooccur.

(b)tofthepressurerelief

n’h-temperaturevapor

willleakrapidlythroughthispipelineunderanomalousconditionssuchasoverheatandoverhigh

pressureetc,ore,thedesignofthispipe-lineshouldbefurther

othatthepipelineshoulddirectlyleadtothewaterrervoir.

(c)ThePPSinthecoverlowerofthebrewveslissubjectedtohighstressandistheonly

ngordelaminationofthePPSherewillleadtheinnerbolt

ore,the

un-negligiblehiddenhazard.

cturefactor

Thequalityofprocessingistheimportantguaranteeforthereliabilityofthecoffeemaker.

ailureofNTCholderwouldleadtoleakage

ofwatercirclesubsystem,whichmayresultinscald.

ictableaccident

gninga

ccidentsmainlyinclude

bulkexoticarticlesintroducedintothewater-circulatingsystem,incorrectoperationandsoon.

Testclearlyshowedthattheoutletwouldbecompletelycloggedifcoffeepowderisputintothe

ementindesignisindispensableforthiscomponent.

sions

(1)Designinsystem,

productsatisfiestherequirementsbysafetydesignandwillnotfailverelyinnormaloperation

forashortterm.

(2)Thesafetyprotectionsystemofthecoffeemakerworkswelltobeabletodealwithaccidents

properlyandthunsurethatnoveresafetyeventshappeninrvice.

(3)Inflr,leakageof

eplace,whichshouldbeavoided.

(4)Theprocessingqualityofsomeparticularelementsispoorandwillimpothehiddenhazard

onthewholesystem.

References

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中文翻译：

咖啡机的失效评估

摘要：本文对某型咖啡机做了拆卸，对各个元器件的工作原理、工作过程和特点进行了研

究。通过模拟实验，对在异常运行情况下的系统响应做出监测。根据材料的特点、结构、

和工作条件分析测试中每一个失效的单元模式。在咖啡机失效系统的评估中利用可靠性分

析方法，如故障模式和影响分析，故障树分析等。结果表明，咖啡机可满足基本功能。然

而，在设计中管道压力隐患问题仍然需要改善。虽然一些爆炸和腐蚀不会发生在咖啡机上，

但蒸汽泄露时有发生，应该尽力避免。咖啡机的一些元器件的质量差，不利于长期安全的

使用，需要对其进行一些改进和提升。

1、引言

本研究的目的主要是评估某型咖啡机在异常或者不正常操作的时候是否能正常实现

其设计功能和工作过程中是否安全两个方面。首先，将整个咖啡机系统分解为几个子系统。

然后根据材料特点、结构和工作环境条件分析每个单元可能的故障模式。在此基础上，推

断出由元件组成的器件会出现何种失效模式以及失效后的影响，并通过模拟实验加以验

证。最后，根据器件分析结果评估整个咖啡机系统的安全性和可靠性。

2、结构特点和系统功能分析

2.1子系统分类

系统功能的分析和结构上的特点是失效和系统安全评估的基础。根据功能特点，咖啡

机可以分为三个相对独立的子系统。（1）水循环系统。这个工作系统是通过供应、汲取、

加热与输出的开放性循环系统过程构成。这个循环系统通过一下部分构成：水库、流量计、

泵、加热器、三叉管接头、咖啡泡制杯、热熔器、安全阀、止回阀及水管等。（2）电气控

制系统。电气控制系统是咖啡机的神经中枢，它以程控的方式对咖啡机进行自动化控制，

包括工作流程控制和误差应急处理等。该部分包括热电阻（NTC）、恒温控制器（Themostat）、

熔断器(ThermalCutOff)和蜂鸣器（Beef）等。该处理器涉及到掌握集成电路。电动辅助

电路包括电容，电阻，电感，三极管，三电压调节器，变压器，导线和插件版。（3）外壳

结构体系。壳体结构系统由前壳、后壳、底盘、盖和骨架组成，发挥支撑和防护的功能。

2.2工作过程分析

水循环系统的工作过程对咖啡机至关重要。在一些测试资料的基础上，我们可以初步

推断水循环的工作过程，如图1所示。当泡制7盎司的咖啡时，首先开机后，加热器开始

预热，温度升高到65摄氏度左右，电磁摆动泵开始工作，水通过流量计抽到加热器中进

行加热。加热后的水从出水口处流出。当流量计计算出到达指定7盎司的水量时，泵停止

抽水，加热器中的存水被继续加热至沸腾，水煮沸成蒸汽从出水口喷出。如果出现管路蒸

汽压力过大，安全阀开启，多余蒸汽排在底盘内。如果由于冷却作用等原因，蒸汽压力低

于一个大气压时，止回阀开启，将外界空气抽回至水循环系统内，以此来保持水循环系统

蒸汽压力的稳定。这种设计构成了咖啡机的压力危险防护体系。

图1水循环系统总图

2.3过热危险防护方法

过热可能是咖啡机燃烧和爆炸的主要原因。该咖啡壶过热防护主要分为三个等级（图

2）I级危险的保护是由两个热电阻并联而成。Ⅱ级和Ⅲ级温控器是一种热切断。

当加热器的内腔或加热器的出口温度过高时，热电阻发生作用，系统中断工作。恒温

控制器由强电控制。当加热管过热时，温控器工作，切断加热器电源，保证水泵安全。当

加热器温度恢复正常后，温控器将重新连接电源。热切断是最高的安全等级保护，在前两

级未能起到作用的情况下，当加热器超过临街温度时，熔断器将切断全系统的供电。

图2咖啡机过热防护体系

3、安全性评估

3.1失效模式与影响分析

FMEA是一种定性的危险分析方法，是从元器件的失效开始，逐次分析其失效对人员、

操作及整个系统的影响和可能产生失效的原因。咖啡机水循环系统及部分元器件的失效模

式见表1。

3.2故障树分析

故障树分析的特点是直观、明了，思路清晰、逻辑性强，可以做定性分析，也可以做

定量分析。体现了以系统公曾方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性，它是安全系

统工程的主要分析方法之一。

在对FMEA失效模拟的基础上，确定咖啡机最有可能的失效为高温高压水蒸汽的泄漏

和漏电，绘出故障树图3和图4。

图3高温高压水蒸气泄漏

图4咖啡机漏电

4、模拟实验及分析

失效模拟实验室通过对各类主要器件的失效模拟，验证FMEA的结论，找出设计中的

未知缺陷。它是一种最接近实际情况的测试方式。本报告主要针对水循环系统和电气信息

输入系统中的主要器件进行失效模拟，这些失效都是在实际使用中容易出现的情况。

4.1奶油热熔器出口堵塞

这种堵塞经常发生在实际使用中。如果不小心把咖啡粉放入奶油热熔器中，这时热熔

器出水口会被堵塞，压力危险防护体系启用，水通过减压管路，最终流出到杯中。然而由

于此时热熔器中盛满热水，导致顶盖在压力作用下不能立即开启，使用者有可能强行开启

造成烫伤。试验表明，这种堵塞也会发生在出水管路。

4.2排水阀堵塞

如果有水垢沉淀堵塞位于底盘中的安全排水口，或因弹簧腐蚀断裂等原因将安全活塞

卡死，都会出现模拟试验的失效情况。试验过程中系统运行正常，排水口堵塞的胶布凹陷，

由此可见安全管路只有在压力较大时才会开启。虽然这种失效对系统正常工作影响不大，

但会导致水循环系统压力危险防护丧失功能，且不易被人发现，有可能导致管路因压力急

剧升高而破裂，从而引发高温水蒸汽的快速泄漏，对人造成烫伤或触电等伤害。因此该安

全阀堵塞问题值得关注。

4.3止回阀泄漏

试验模拟了止回阀泄漏失效，对于加热器出水管路任一点泄漏均适用。元器件在高温

高压的蒸汽环境下有可能发生老化和热熔而导致此类泄漏。一旦发生失效故障，出水管路

中的泄漏点流出有可能早恒电气系统短路和烫伤。因此这一类泄漏是比较危险而又比较容

易发生的失效。止回阀压力保护的一个重要功用是减轻系统的压力负担。与咖啡机内泄漏

不同的是，由于止回阀进气端直通外壳前挡板，如果其反向导通，高温高压水蒸气会直接

导出咖啡壶，有可能造成人员的严重伤害，因此止回阀的质量非常值得关注。

4.41＃、2＃热电阻同时置换模拟实验

本试验检测了1＃和2＃热电阻同时失效后，温度危险防护系统的工作亲狂。在1＃和2

＃热电阻同时失效后，恒温器应承担起二级过热防护的功能，加热器在干烧过程中达到临

界温度后，恒温器切断总电源。在模拟试验过程中虽然最终恒温器发挥了作用切断了电源，

但热电阻保持架在低于正常工作温度下就发生了严重的热熔变形和穿孔失效，导致整个水

循环系统发生泄漏，其质量应引起高度关注。如图5,和图6所示。

保持架和三通采用PP塑料，PP塑料具有良好的硬度，韧性，高的热电阻温度，良好

的抗疲劳性能，优良的化学稳定性和抗氧化性。耐热温度高，为110摄氏度~120摄氏度，

无外力作用时可达150摄氏度。通过观察发现，热电阻保持架与三通所用材料虽然相同，

但可以观察到热电阻保持架的颜色为不透明乳白色，而三通的颜色为半透明的米黄色，此

外热电阻保持架表面比三通表面加工粗糙，热电阻保持架材料强度明显低于三通，这些现

象说明二者在制备工艺的质量控制上存在着很大的差距。所以说热电阻保持架等同质器件

作为加热管路中的最容易失效的薄弱环节，需要得到重视。

冲泡器采用PPS塑料。PPS塑料具有较好的耐热、阻燃、机械、耐化学腐蚀及耐磨性

能，尺寸稳定性好，比较适合作咖啡机的外壳结构结构材料。在实验分析中发现，下盖安

装螺丝钉存在分层脱落，如图7所示，但其原因可能是由于下盖采用环保的再生PPS塑料

制备或制备工艺控制不当所致。如果采用合理的制备技术，提高材料质量，能够保证咖啡

机的安全可靠性。

5、分析和探讨

根据测试和分析的结果，该咖啡机基本可以满足所要求的功能，但个别元器件还是存

在安全隐患，将具体描述如下，需要进一步的提高。

5.1设计因素

设计上出现问题是比较严重和不可接受的，必须加以改进。通过试验与分析，可知该

咖啡机在设计方面存在的主要问题有：

（a）加热管路部分器件结构设计不当。如热电阻保持架结构比较复杂，但管路管径

和内径都过小，管壁过薄，容易造成热熔穿孔或爆裂失效。

（b）安全减压管路设计存在隐患。该咖啡机的安全减压管路出口设计在底盘内部。

在正常工作过程中，加压管路并不使用，但在过热过压等非正常情况时，加压管路会快速

排泄高温蒸汽，这些蒸汽从底盘直接排除很有可能造成人员的烫伤。因此，对该管路的设

计还需要进一步的考虑，建议排到水容器的冷水中。

（c）冲泡容器顶盖中螺孔PPS材料剥层，此处受力较大，又是与金属密封盖的唯一

连部位，该处的老化或受力剥层可能造成内螺栓的脱落，进而造成密封盖的脱落，可能造

成热水的大量泄漏。因此该处为不可忽视的安全隐患。

5.2加工制造因素

加工质量是高品质咖啡机可靠性的重要保证。在本系统内电阻保持架的加工质量是严

重欠缺的，该器件的早期失效导致水循环系统泄漏，存在烫伤的危害。

5.3不可预知因素

使用中出现意外时设计和生产者无法控制的，只有通过完善的保护系统来保证在意外

发生时将危害降到最低。这类因素主要指大块异物进入水循环系统、使用者误操作等，根

据模拟测试试验结果可知，咖啡机在使用中如果将咖啡粉直接放入奶油冲泡热熔器，会导

致出口的完全堵塞，存在烫伤危害。因此对该器件结构的再设计是必要的。

6、结论

（1）咖啡机在结构、系统、安全防护设计等方面较为合理，总体设计水平较高，正

确使用情况下，短期内不会出现严重事故，符合安全设计准则。

（2）咖啡机的安全保护系统运作良好，在使用中能够正确处理事故确保安全运行。

（3）咖啡机发生燃烧、爆炸等安全爆炸的几率较小，但存在蒸汽泄漏等需要改进的

地方。

（4）一些特定元器件的加工质量差，将对整个系统产生隐患。

参考文献

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