全自动咖啡机的设计(全套图纸)

毕业设计说明书论文 QQ 36296518 原创通过答辩目录全自动咖啡机的设计1摘要11 绪论21.1 咖啡机的历史21.2 国内咖啡机发展现状31.3 课题的意义及目的42 总体方案设计42.1 咖啡机的工作原理42.2研磨机构设计52.2.1方案设计及原理52.2.2 磨盘的选择与计算72.2.3 磨豆电机的计算与选择72.2.4 电机输出轴的强度校核82.2.5 键的选用与校核82.2.6 送粉电机与送粉螺旋轴82.2.7 联轴器92.2.8调节齿轮与调节齿92.2.9 螺钉与螺纹的选用102.2.10 调节齿轮的精度122.3 液压系统的设计132.3.1液压系统原理132.3.2 泵的选择与计算142.3.3 其他液压元件的选择142.4酿造器的设计153 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163.2电源173.2.1电源的作用与组成183.2.2 电源工作原理183.2.3稳压器的选用与介绍193.3 控制系统硬件的选择与简介203.3.1 硬件的选择203.4 霍尔流量传感器223.5 驱动芯片ULN2003233.6温度传感器243.7各部分电路说明253.7.1单片机控制部分253.7.2传感器数据采集电路263.7.3 流量计数据采集控制电路273.7.4 拨码开关电路图283.7.5 电机控制电路图293.7.6 电磁换向阀控制电路303.7.7 整个主板电路接线图333.8 咖啡机工作流程图344 结论与感悟364.1毕业设计总结364.2 毕业设计感想365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345外文翻译45中文翻译：53毕业设计说明书论文 QQ 36296518 原创通过答辩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 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 program1 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under pressure。以上叙述说的“二十世纪初的急性子工程师”，指的很可能是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，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=0.1Nm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。2.2.4 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 =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：式中： d计算剖面处轴的直径mm； T轴传递的额定扭矩Nm, T=9550000Nm ； N轴传递的额定功率 0.003kw； n轴的转速600r/min； 轴的许用应力；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 6.5Nm 最大扭矩13Nm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1：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*m0.3750.3752.2.9 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=KfTf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0.1Nm，我们代入1Nm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=KfTf-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0.1Nm，我们代入1Nm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/T 192-2003，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0.069mm2距离增大0.138mm距离缩小0.138mm3距离增大0.208mm距离缩小0.208mm4距离增大0.276mm距离缩小0.276mm5距离增大0.347mm距离缩小0.347mm6距离增大0.417mm距离缩小0.417mm7距离增大0.486mm距离缩小0.486mm8距离增大0.556mm距离缩小0.556mm9距离增大0.625mm距离缩小0.625mm10距离增大0.695mm距离缩小0.695mm11距离增大0.764mm距离缩小0.764mm12距离增大0.834mm距离缩小0.834mm13距离增大0.903mm距离缩小0.903mm14距离增大0.972mm距离缩小0.972mm15距离增大1.042mm距离缩小1.042mm16距离增大1.116mm距离缩小1.116mm17距离增大1.181mm距离缩小1.181mm18距离增大1.251mm距离缩小1.251mm19距离增大1.320mm距离缩小1.320mm2.3 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D1 8、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D2 15、二位三通电磁换向阀D316、二位三通电磁换向阀D4 17、流量计 18、酿造器19、二位三通电磁换向阀D5 20、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 Tw=P，代入w=2 得扭矩T=0.86Nm对于要配合功率为130w，额定转速为1450r/min,扭矩为0.86Nm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10Nm。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：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。 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，开启压力为0.015MPa，反向逆压为.Pa。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11 78XX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12 AT89C51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=81q-3 式中：f脉冲信号频率，H2q水流量，Lmin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(002MPa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5010%；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ICULN2003，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15 ULN2003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TTL COMS,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