1、目錄全自動咖啡機的設計1摘要11 緒論21.1 咖啡機的歷史21.2 國內咖啡機發展現狀31.3 課題的意義及目的42 總體方案設計42.1 咖啡機的工作原理42.2研磨機構設計52.2.1方案設計及原理52.2.2 磨盤的選擇與計算72.2.3 磨豆電機的計算與選擇72.2.4 電機輸出軸的強度校核82.2.5 鍵的選用與校核82.2.6 送粉電機與送粉螺旋軸82.2.7 聯軸器92.2.8調節齒輪與調節齒92.2.9 螺釘與螺紋的選用102.2.10 調節齒輪的精度122.3 液壓系統的設計132.3.1液壓系統原理132.3.2 泵的選擇與計算142.3.3 其他液壓元件的選擇142.4

2、釀造器的設計153 控制部分方案的設計163.1 全自動咖啡機控制系統方案基本原理163.2電源173.2.1電源的作用與組成183.2.2 電源工作原理183.2.3穩壓器的選用與介紹193.3 控制系統硬件的選擇與簡介203.3.1 硬件的選擇203.4 霍爾流量傳感器223.5 驅動芯片uln2003233.6溫度傳感器243.7各部分電路說明253.7.1單片機控制部分253.7.2傳感器數據采集電路263.7.3 流量計數據采集控制電路273.7.4 撥碼開關電路圖283.7.5 電機控制電路圖293.7.6 電磁換向閥控制電路303.7.7 整個主板電路接線圖333.8 咖啡機工作

3、流程圖344 結論與感悟364.1畢業設計總結364.2 畢業設計感想365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345外文翻譯45中文翻譯：53全自動咖啡機的設計摘要本論文主要是設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，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，釀造裝置。它的控制系統以89c51單片機為核心，附有溫度傳感器，流量

4、計，按鍵系統，加熱電路，各種開關以及液壓裝置來完成整個系統的控制。對于機器里的核心部件，本設計給出機械cad圖，如研磨機構，釀造室，以及液壓原理圖。對于整個機器的控制部分，本設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。關鍵詞：研磨機構、液壓系統、89c51單片機、c語言程序全套圖紙，加153893706abstractthis thesis is to design an automatic coffee machine. at present, the automatic coffee machine is very popular, especially used

5、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 t

6、o 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 sy

7、stem. 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

8、language program.keywords: grinding mechanism, hydraulic system, 89c51 scm, c language program1 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，于是發明了世界上獨一無二的意大利咖啡快速調理，espresso也開始風行。這位工程師的意大利快速調理方式，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

9、的發現。espresso 讀起來很有意大利藝術氣質，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系到咖啡的品質。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，對更高品質的追求才是espresso發展的最大動力。如果說bezzera一個人“發明”了espres

10、so，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，還創造了在吧中現做，而且直接將咖啡注入客人杯中的espresso文化特質。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生的水蒸氣，蒸氣在密閉的鍋爐產生壓力，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，使油質喪失；第二，蒸氣

11、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。通過蒸氣應該達到把壓力增加的目的，可是加強熱度也會使粉在調煮過程中灼傷，這樣會失去藏在咖啡粉內部的芳香油脂。因此，

12、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煮的溫度。每一壺水設計煮一份咖啡，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。根據各地區水壓的不同，一般而言，由此類咖啡機產生的壓力比蒸氣壓力咖啡機產生的還要大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。另一種產生比1.5 個大氣壓更

13、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。甚至在現今，也可以在家用機器帕凡尼（la pavoni）上發現這種原理的應用。二次世界大戰前，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手臂來推壓熱水，這不但需要一根強壯的臂膀，而且產生的壓力也不易持

14、續穩定。第二次世界大戰暫時中斷了cremonesi 和gaggia 對咖啡機的改良工作。戰爭期間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定。所以在咖啡上生成了一層克麗瑪。這是克麗瑪第一次

15、在歷史上出現。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劣的標準。gaggia發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，人們還發現，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。一方面它使得咖啡館經營者節省了成

16、本和時間，每日沖煮量增加了數倍，另一方面也吸引了更加廣泛的咖啡人口，如今早已風靡了世界的咖啡市場，變為市場上的主流。1.2 國內咖啡機發展現狀隨著中國家電業的不斷進展，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人并不十分熟悉，但其在西方發達國家已經十分流行普及，咖啡文化早已在歐美經久不衰。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。咖啡機行業的發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，發展到現在主流的高壓蒸汽式，今后發展的趨勢勢必是全自動組合式。二十

17、世紀八十年代末到九十年代初，國內港資、臺資廠利用世界制造產業往中國轉移的契機，發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居高等眾多不好因素的影響，咖啡機產業又逐漸青睞于迅速發展起來的更具競爭力和活力的民營企業。隨著全球化的不斷加劇，目前大部分研發性任務已經逐漸實現本土化，國內技術人員參加了策劃、研發、認證到生產的全過程。1.3 課題的意義及目的國內生產的咖啡機，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

18、，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操縱控制，以滿足用戶更優質的使用需求；但對于大多數家庭用戶來說，進口咖啡機一般價格較高，性價比低，經濟上比較難以承受。所以很有必要設計開發一款功能相對齊全高效而且低價的咖啡機。本文主要是設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，釀造裝置。在磨豆裝置中設置有調節咖啡粉粗細度的機構，可以人工實現研磨咖啡粉的粒度。加水燒水系統中，設計了一套液壓系統裝置，可以實現對水的安全快速加熱，又控制了加熱的水量、沖泡的水量，有利于節約用水。我們通過控制中心以及撥碼開關，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

19、廢水槽外。在釀造器的設計中，我們考慮到了殘渣的清除，設計了一扇彈簧控制的拉門，可以在釀造完畢后打開，露出濾網以待清洗，方便簡單有效。控制系統以89c51單片機為核心，附有溫度傳感器，流量計，按鍵系統，加熱電路，各種開關以及液壓裝置來完成整個系統的控制。2 總體方案設計2.1 咖啡機的工作原理現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系到咖啡的口味。全自動咖啡機的研發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

20、道在釀造器中與咖啡粉保持8s左右的接觸時間，以確保咖啡粉中的有用物質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，咖啡機的重要設計參數要以此為基準。從結構上來看，咖啡機可以分為粉碎研磨機構、加熱并供水系統、萃取釀造室、控制中心幾個系統。從工藝流程上來看，首先以研磨機構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進行供水，然后一定壓力的水先進入加熱器加熱到設定的溫度，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，系統進行自動

21、與人工相結合的方式進行除渣清洗工作。整個工作循環由控制電路控制。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，全自動咖啡機研發重點部分在于研磨粉碎機構，加熱供水系統、釀造器、控制電氣系統。2.2研磨機構設計2.2.1方案設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。在本次設計中，我們采用以下方案思路設計一種可以清除研磨機構中咖啡粉殘留物并且能夠調節咖啡粉粗細的研磨機構：研磨裝置上方設一個盛豆倉，盛豆倉下方設有磨體，磨體里面有兩個磨盤，一個轉動磨盤，一個靜止磨盤，兩個磨盤具有一定的形狀和厚度，研磨機構電機的轉軸間接與轉動磨盤相連，磨出的咖啡粉直接掉入下

22、方的送粉螺桿里，或者通過不斷轉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，轉動磨盤通過螺釘與轉動磨盤架相連，轉動磨盤架通過鍵槽與轉軸相連。我們采用這種方案的優點是：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 研磨機構示意圖1-電源箱 2-送粉電機 3-聯軸器

23、 4-磨體 5-鍵6-轉動磨盤架 7-螺栓 8-墊圈 9-轉動磨盤 10-連接件11-豆倉 12-調節桿 13-調節齒 14-連接件 15-調節齒輪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-密集濾網本次設計的搗碎研磨機構設置有簡單的咖啡粉末粗細調節裝置，包括：調節桿和設在桿上的調節齒輪，在連接件設上設有與調節齒輪相配合的調節齒。當需要調整粉末粗細的時候，人工轉動調節齒輪，調節齒輪帶動配合在連接件上的調節齒，這樣連接件相對于磨體轉動，靜止磨盤和轉動磨盤間的間隙就可以被調整，以此來調節所磨咖啡粉末的

24、粗細。我們在出粉通道中設有螺旋軸，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是轉動磨盤，通過轉動磨盤架6與轉軸相連。粉末粗細調整機構包括：調節桿12和設于調節桿上的調節齒輪15，連接件14上設有與調節齒輪相配合的調節齒13。出粉通道內設有螺旋送粉軸21，與送粉電機2通過聯軸器3相連。在電機轉軸上套有一木制的小毛刷，隨轉軸和轉動磨盤一起轉動，可以把非螺旋軸的一側的咖啡粉掃

25、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、熱穩定性好； 4、環保無污染等。缺點是：1、脆性大，耐沖擊能力低、易碎； 2、產品不易回收利用，一次成型。金屬磨盤由于具有，抗碰撞，輕盈，耐高溫等的優點，因此本次設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 不銹鋼磨盤根據試驗和經驗數據所得，生產力q和研磨直徑d基本滿足以下關系：q=450k-1vqdk2k-生產系數1-1.5，本次計算取1.5；v-磨盤對緣的線

26、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=nd60為了保證生產率，q一般取10kg/h,結合上述兩公式，初步帶入轉速為700r/min。可得104500.523.14700d21.51.560得出，d0.035m。此設計中，選擇d=0.042m。其厚度定為15mm。具體結構參見零件圖“轉動磨盤零件圖”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，摩擦系數經過查表取0.5，根據材料力學的公式得出工作時所需要的扭矩m=f00.021xdx=0.1nm考慮到過載，為了有足夠的工作能

27、力，代入負載扭矩為1nm。根據直流電機的功率計算公式p=tn9550其中： p的單位為kw；t為扭矩，單位nm；n為轉速，取700r/min.得出p=73w。綜上所述，本設計選擇功率為100w，額定轉矩為10nm，額定轉速為700r/min的小型直流電機。經過查找手冊和網絡，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，額定轉速為760r/min,額定轉矩為10nm，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1nm負載扭矩的作用，對于實心軸來說，由

28、扭轉剪應力計算公式：=t0.2d3 =10.20.013 =5000000pa =5mpa=20mpa。所以軸的扭轉強度是足夠的。2.2.5 鍵的選用與校核考慮到咖啡機內部的空間結構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鍵的兩側面是工作面，工作時通過鍵與側面的擠壓來傳遞轉矩，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面被壓潰。所以我們校核時按擠壓應力進行校核。p=4tdhl =x=4110312 =0.024mpa

29、2.2mm。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 聯軸器在電機輸出軸與螺桿軸之間選擇彈性柱銷聯軸器fcl80。它的參數為：額定扭矩 6.5nm 最大扭矩13nm最高轉速4000r/min 徑向偏差0.02mm角向偏差1.0 軸向偏差+0.06mm重量420g彈性柱銷聯軸器結構相對簡單，正常條件可連續長期運行。承載能力大，使用壽命長，可靠安全。工作穩定可靠，擁有優良的減振、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。結構簡單，徑向尺寸較小，重量輕，轉動慣量小，適用于中高速場合。在網上，目前有很多孔徑的柱銷聯軸器可以供選擇，對于咖啡機內部來說，空間小

30、、質量輕的聯軸器是我們需要的產品。2.2.8調節齒輪與調節齒在調節齒輪方面，由于是人工手動調速，轉速不高，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m=1.5mm，齒數為19的調節齒輪，在連接件上做出相應的一段齒即可。硬度為400hbse，材料選擇鑄鋼。在連接件上鑄上模數為1.5mm，齒數為43的齒。兩個配合齒輪基本參數整理見表1。表1：調節齒輪與連接件上齒的基本參數名稱符號公式調節齒輪調節齒（所在齒輪）齒數zz1943模數mm1.51.5傳動比ii2.262.26分度圓直徑dd=mz28.564.5齒頂高haha =h*a m1.51.5齒根高hfhf=(ha*+c*)m1.87

31、51.875齒全高hh=ha+hf3.3753.375齒頂圓直徑dada =d +2ha31.567.5續表1：調節齒輪與連接件上齒的基本參數齒根圓直徑dfdf =d-2hf24.7560.75基圓直徑dbdb =d cos2026.7860.61中心距aa=m(z1+z2)9393齒距pp=m4.714.71齒厚ss=m/22.362.36齒槽寬ee =m/22.362.36頂隙cc=c*m0.3750.3752.2.9 螺釘與螺紋的選用 1）螺釘的選用: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、轉動磨盤與轉動磨盤架的連接固定問題上，選擇不貫穿的螺釘連

32、接，結構也更簡單緊湊。查國標gb/t70.1-2001,選擇規格d為m1.6，螺距p為0.35，s為1.5，規格長度為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動磨盤所使用的螺釘的強度是否符合要求：（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生的力矩t，由螺釘與墊片之間的摩擦轉矩抵消。受力圖如下圖4所示：圖4 靜止磨盤螺釘受力示意圖假設底板結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中心的連線。這些摩擦力對地板旋轉中心力矩的綜合平衡旋轉力矩t。ffl1+ ffl2+ ffl3+ ffl4=kftf為結合件之間的摩擦系數，此處取0.

33、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，一般取1.1-1.5，這里代入1.2；t為旋轉力矩，經過上面的計算可知t為0.1nm，我們代入1nm來校核。這樣代入數值算得f=1.210.1540.0134=149n。螺釘強度條件為=41.3fd2=97mpa=400mpa。d為螺釘的公稱直徑，單位：mm因此螺釘的強度滿足要求。（2）轉動磨盤螺釘的校核與靜止磨盤一樣，轉動磨盤使用的螺釘主要承受由于摩擦產生的力矩t，由螺釘與墊片之間的摩擦轉矩抵消。受力圖如下圖5所示：圖5 轉動磨盤螺釘受力示意圖假設底板結合面上各螺釘連接處的摩擦力均相等

34、且集中于螺釘中心，并垂直于螺釘中心島地板旋轉中心的連線。這些摩擦力對地板旋轉中心力矩的綜合平衡旋轉力矩t。ffl1+ ffl2+ ffl3+ ffl4=kftf-結合件之間的摩擦系數，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，一般取1.1-1.5，這里代入1.2；t為旋轉力矩，經過上面的計算可知t為0.1nm，我們代入1nm來校核。這樣代入數值算得f=1.210.1540.021=95.2n螺釘強度條件為=41.3fd2=61.6mpa=400mpa因此螺釘的強度滿足要求。2）連接件與磨體之間螺紋連接，磨體上為內螺紋，連接件

35、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 調節齒輪的精度由以上的調節齒輪與配合螺紋的選擇，我們可以計算出來,當調節齒輪轉一圈時，連接件轉動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，調節齒輪順時針旋轉一圈靜止磨盤與轉動磨盤之間的相對距離增大1.32mm，這對于調節咖啡粉的

36、粗細度來說是個不小的數值。調節數值見表2。表2 調節齒輪精度表轉過的齒數調節齒輪順時針轉調節齒輪逆時針轉1距離增大0.069mm距離縮小0.069mm2距離增大0.138mm距離縮小0.138mm3距離增大0.208mm距離縮小0.208mm4距離增大0.276mm距離縮小0.276mm5距離增大0.347mm距離縮小0.347mm6距離增大0.417mm距離縮小0.417mm7距離增大0.486mm距離縮小0.486mm8距離增大0.556mm距離縮小0.556mm9距離增大0.625mm距離縮小0.625mm10距離增大0.695mm距離縮小0.695mm11距離增大0.764mm距離縮小

37、0.764mm12距離增大0.834mm距離縮小0.834mm13距離增大0.903mm距離縮小0.903mm14距離增大0.972mm距離縮小0.972mm15距離增大1.042mm距離縮小1.042mm16距離增大1.116mm距離縮小1.116mm17距離增大1.181mm距離縮小1.181mm18距離增大1.251mm距離縮小1.251mm19距離增大1.320mm距離縮小1.320mm2.3 液壓系統的設計2.3.1液壓系統原理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

38、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d316、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中抽出純凈水經過過濾器1過濾，分為兩路，一路經過電磁換向閥1進入鍋爐體內，作為加熱水的介質，其在鍋爐內水達到一定量后自動斷電停止繼續抽入。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

39、換向閥14連接，可以自由進行熱交換。為使水質更優質，內置過濾器11。鍋爐8內有加熱裝置9，實質是一加熱電阻，管狀外壁是熱交換介質，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，防止鍋爐內蒸汽壓力過大，損壞鍋爐以致毀壞咖啡機，可以控制爐內壓力基本恒定。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，待流經熱水的量達到設定值時，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

40、洗鍵，鍋爐內和容器內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中的作用是依靠電機把原動機輸出的機械能轉換為液體介質的壓力能，是液壓系統的動力源。一般來說根據原理不同分為齒輪式、葉片式、螺桿式和柱塞式等結構形式。考慮到使用在咖啡機中，質量要輕，還要經濟，在這里我們選擇齒輪泵。齒輪泵的特點：齒輪泵具有體積小、結構簡單、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額定轉速1450r/m

41、in 容積效率為70%驅動功率為0.13kw 質量2.5kg則 理論流量qt=nv/6010-6=14502.5/6010-6=60.410-6m3/s n-液壓泵的額定轉速（r/min）； v-液壓泵的排量（ml/r）； qt-液壓泵的理論流量（m3/s）；故 實際流量q=qt=60.410-60.7=42.310-6m3/s-容積效率則 輸出功率p=qp=42.310-61.510-6=63.45w再 tw=p，代入w=2n 得扭矩t=0.86nm對于要配合功率為130w，額定轉速為1450r/min,扭矩為0.86nm的齒輪泵，我們選擇一款型號為zytd-38srz-r的直流電機。其電壓

42、為24v，功率為150w,額定轉速1450r/min,扭矩10nm。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本身的力來排出一定數量的流體，以避免壓力超過額定的安全值。當壓力回到正常后，閥門再行關閉并阻止流體繼續流出。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。根據蒸汽鍋爐安全技術監察規程第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

43、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備，可保護壓縮機、泵、儀表和其他設備的正常工作，當液體進入置有一定規格濾網的濾筒后，其雜質被阻擋

44、，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構形式，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。在結構形式上，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

45、.17-0.79mpa，連接形式為內螺紋，工作溫度為5-50度。 4）溢流閥的選擇本設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）單向閥的選擇本設計中選擇一款型號為aqtdxf4的單向閥，閥門結構形式為直通式，材質是塑膠。連接方式為快裝，口徑，開啟壓力為0.015mpa，反向逆壓為.pa。2.4釀造器的設計本設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，把它盛放在濾網上方的濾紙上，另一方面熱水從上方

46、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。詳細構造如下圖6所示：圖6 釀造器構造圖1-釀造器殼體 2-彈簧3-濾網及濾紙 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，濾網綁在箱體四個角落上，濾紙覆蓋在濾網上，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

47、衛生。換好后拉下箱體，插上“清洗按鈕”即可。清洗按鈕實質上是我們自行設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 控制部分方案的設計3.1 全自動咖啡機控制系統方案基本原理控制系統首先通過電源電路對系統供電，其中溫度傳感器、時鐘電路、復位電路、撥碼開關、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，操作者需要人工調節調節齒輪，取得相應的期待效果的咖啡

48、粉粗細度。打開豆倉蓋，放入適量的烘焙好的咖啡豆。然后，根據需要泡制的咖啡溶液的多少，接通電源，選擇撥碼開關相應的組合。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。為避免鍋爐內抽入的水過多，蒸汽壓力太大，設置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

49、的熱水到達所設定的水量時，電磁換向閥2得電，熱水不再進入釀造器。設置時間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備的各項技術指標，進而關系到電子設備能否安全有效的工作。現在流行的是開關電源與直流穩壓電源兩大類。近年來，集成電路快速發展，相應地-穩壓電路也飛速實現了集成化。與分立晶體管電路相比較，它的優點主要表現在占用空間小、質量輕盈、省電量、工作可靠度高、運作時間大大縮短，而且調試起來快捷、應用靈敏，容易實施大量自動化生產。在本

50、次設計中，我們需要有穩定的直流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，但當電網電壓波動或負載改變時，將會引起輸出電壓改變而不穩定。為了獲得穩定的輸出電壓。濾波電路的輸出電壓還應該經穩壓電路進行穩壓。因此電源的組成為：電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路。電源變壓器可以將將電網提供的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換成仍然是脈動形式的直流

51、電壓。濾波電路：利用儲能元件電容器把脈動直流電轉換成比較平坦的直流電。穩壓電路：利用穩壓器調整使得輸出電壓穩定。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，從而適應電路的使用要求。線圈的匝數比為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壓器w7805進行穩壓調整。經w7805穩壓作用后輸出+5v的直流電壓，再經電容器濾波

52、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（即線圈匝數比）i2=220/15=14.67。穩壓器選擇w7812，將15v的波動電壓穩定在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

53、，首先降壓得到30v的交流電，此時降壓比（即線圈匝數比）i2=220/30=29.3。穩壓器選擇w7824，將30v的波動電壓穩定在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穩壓器的選用與介紹集成穩壓器是指將不穩定的直流電壓變為穩定的直流電壓的集成電路。78xx系列集成穩壓器是常用的固定正輸出電壓的集成穩壓器，輸出電壓有5v、6v、9v、12v、18v、24v等規格，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整管，以使輸出電壓保持穩定。它的內部含有限流保

54、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，工作穩定可靠。78xx系列集成穩壓器為三端器件，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兩個電容，c1用以抵消輸入端較長接線的電感效應，防止產生自激振蕩，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 控制系統硬件的選擇與簡介3.3.1 硬件的選擇一般來說要實現本設計的過程，plc與單片機均可以實現。單片機控制：優點是經濟實惠，成本相