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軟件開源，航芯方案分享 | 全自動(dòng)咖啡機(jī)設(shè)計(jì)方案
如今，隨著人們生活節(jié)奏不斷地加快，生活水平日益提高，咖啡作為世界上最流行的飲品之一，已然走進(jìn)人們的日常生活，逐漸被越來(lái)越多的人所喜愛。隨之而來(lái)的“咖啡機(jī)”也變得愈加流行。釀制一杯完美的咖啡，需要借助專門的咖啡機(jī)來(lái)完成。咖啡機(jī)用10個(gè)左右的大氣壓力，迫使90℃左右的熱水穿過(guò)10克左右經(jīng)過(guò)擠壓的咖啡粉，汲取咖啡粉中的咖啡脂等芳香物質(zhì)，并與熱水達(dá)到充分溶合后流入杯中，整個(gè)過(guò)程需要在18-28秒內(nèi)完成，以便有效地避免過(guò)分提取所造成的不良味道。顯然，制作一杯高品質(zhì)的咖啡，咖啡機(jī)起著決定性的作用。
本文將介紹基于上海航芯ACM32F070的咖啡機(jī)設(shè)計(jì)方案。
咖啡機(jī)概述
現(xiàn)在市面上的咖啡機(jī)有很多，按照操作方式可以將其分為兩大類型：半自動(dòng)和全自動(dòng)。
圖1. 咖啡機(jī)分類圖
半自動(dòng)咖啡機(jī)主要特點(diǎn)：由人工操作磨粉、壓粉、裝粉、沖泡、清除殘?jiān)龋瑱C(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易維護(hù)、使用方便。其缺點(diǎn)是：對(duì)操作者要求高，操作者要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的培訓(xùn)才能使用這種機(jī)器制作出高品質(zhì)的咖啡，且工作效率較低。
全自動(dòng)咖啡機(jī)主要特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了磨粉、壓粉、裝粉、沖泡、清除殘?jiān)柔勚瓶Х热^(guò)程的自動(dòng)控制，使用更加方便、快捷、品質(zhì)一致、高效率，對(duì)操作者要求不高，無(wú)需培訓(xùn)。其缺點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要良好保養(yǎng)，維護(hù)費(fèi)用較高。但由于其優(yōu)點(diǎn)突出，使得它越來(lái)越被眾多客戶所喜愛。
本次介紹的咖啡機(jī)設(shè)計(jì)方案是一個(gè)全自動(dòng)咖啡機(jī)，可以按照最科學(xué)的數(shù)據(jù)和程序來(lái)釀制咖啡，而且設(shè)有完善的保護(hù)系統(tǒng)，使用起來(lái)簡(jiǎn)單方便，只需輕輕一按就可以得到咖啡。用戶可以設(shè)置水溫、咖啡碾磨粗細(xì)度，能夠自動(dòng)碾磨咖啡豆；用戶還可以根據(jù)需要選擇制作單杯或者同時(shí)制作雙杯咖啡，同時(shí)還提供大杯、中杯、小杯三種選擇。除了制作咖啡以外，本咖啡機(jī)還能制作熱水和蒸汽。其中熱水可以用來(lái)泡茶或其它飲品等；蒸汽則可用來(lái)加熱牛奶或其他飲品，高壓蒸汽還可以把牛奶乳化，制造出芳香的奶沫。可以為用戶提供多樣化的、輕松快捷的服務(wù)。
芯片特性
ACM32F0X0 系列是一款支持多種低功耗模式的通用MCU。集成16路Touch觸摸按鍵、12位1.6 Msps高精度ADC以及模擬比較器COMP、運(yùn)算放大器OPAMP、段式LCD控制器，內(nèi)置高性能定時(shí)器TIMER、多路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的通訊外設(shè)，內(nèi)建AES、TRNG、CRC32等信息安全模塊，支持多種低功耗模式，具有高整合度、高抗干擾、高可靠性等特點(diǎn)。本產(chǎn)品采用高性能內(nèi)核，最高工作頻率64MHz。
圖2. ACM32F0X0資源圖
觸摸按鍵TKEY
ACM32F0X0芯片內(nèi)部集成自電容式觸摸控制傳感器。自電容式觸摸控制傳感器通過(guò)檢測(cè)電容的變化來(lái)檢測(cè)手指是否觸及觸摸表面。通過(guò)調(diào)整檢測(cè)到的電容變化量來(lái)調(diào)整觸摸的靈敏度。
? 高度集成，最大支持16路觸摸按鍵TKEY；
? 自電容檢測(cè)范圍5~50pf，靈敏度0.1pf；
? 支持通道補(bǔ)償；
? 最大支持10mm的觸摸面板厚度；
? 支持低功耗睡眠模式，Stop模式下最低功耗17uA；
? 支持分別設(shè)置工作模式和睡眠模式靈敏度、掃描速度；
? 支持主動(dòng)屏蔽Cshield通道，用于防水控制和增加檢測(cè)靈敏度；能起到降低寄生電容的作用，也可以降低寄生電容的降低噪聲源干擾，在其它導(dǎo)體接近觸摸電極時(shí)，增加TKEY穩(wěn)定性；
? 支持濾波防抖機(jī)制，可以減少誤觸，以及避免一些靜電帶來(lái)的干擾；
? 支持自適應(yīng)和自校準(zhǔn)機(jī)制，降低環(huán)境變量的干擾；
? 模擬顧客使用環(huán)境，進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)測(cè)試來(lái)確保產(chǎn)品的可靠性，測(cè)試方法如下：
① 潮濕環(huán)境測(cè)試：用水蒸氣噴到觸摸面板上，使面板結(jié)滿露水，這時(shí)無(wú)誤觸和反應(yīng)遲鈍的現(xiàn)象；
② 濺水和水淹試驗(yàn)：對(duì)觸摸面板快速噴水，直到面板上形成水洼，并且將幾個(gè)不同的觸摸感應(yīng)電極淹到一個(gè)水洼里，這時(shí)無(wú)誤觸、反應(yīng)遲鈍和按A鍵時(shí)同一個(gè)水洼里的B鍵觸發(fā)，即按鍵指東打西現(xiàn)象；
③ 高低溫測(cè)試：-40℃~85℃高低溫測(cè)試，這時(shí)無(wú)誤觸、反應(yīng)遲鈍、死機(jī)的現(xiàn)象；
④ 電磁干擾測(cè)試：使用無(wú)線對(duì)講機(jī)作為射頻干擾源，在觸摸面板20cm左右進(jìn)行呼叫和對(duì)講，無(wú)誤觸、反應(yīng)遲鈍、死機(jī)現(xiàn)象；
⑤ 電源干擾測(cè)試：在電網(wǎng)上形成強(qiáng)烈的600~800V的高壓脈沖群，這時(shí)沒有誤觸現(xiàn)象；
⑥ 長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作測(cè)試：樣機(jī)經(jīng)過(guò)6個(gè)月不斷電長(zhǎng)時(shí)間工作測(cè)試，按鍵工作正常，無(wú)反應(yīng)遲鈍、死機(jī)等現(xiàn)象。
液晶控制器LCD
ACM32F0X0芯片內(nèi)部集成一款適用于單色無(wú)源液晶顯示器（LCD）的數(shù)字控制器/驅(qū)動(dòng)器，最多具有8個(gè)公用端子（COM）和40個(gè)區(qū)段端子（SEG），用以驅(qū)動(dòng)160（4*40）或288（3*36）個(gè)LCD元素。
? 高度靈活的幀速率控制；
? 支持靜態(tài)、1/2、1/3、1/4、1/6和1/8占空比，支持1/2、1/3、1/4偏置；
? 多達(dá)16個(gè)寄存器的LCD數(shù)據(jù)RAM；
? 可通過(guò)軟件配置LCD的對(duì)比度，支持LCD閃爍功能，且可配置多種閃爍頻率；
? 支持A類、B類波形，2種驅(qū)動(dòng)波形生成方式：
① 內(nèi)部電阻分壓、外部電阻分壓；
② 可選的濾波電容；
③ 可通過(guò)軟件配置內(nèi)部電阻分壓方式的功耗，從而匹配LCD面板所需的電容電荷；
? 支持低功耗模式：LCD控制器可在Active、Sleep、Stop模式下進(jìn)行顯示。
運(yùn)算放大器OPAMP
ACM32F0X0包含三個(gè)獨(dú)立配置的運(yùn)算放大器，每個(gè)運(yùn)算放大器有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出，三個(gè)I/O可以連接到外部引腳。運(yùn)算放大器可以在內(nèi)部配置位一個(gè)跟隨器，或者是一個(gè)可編程增益的放大器。
? 低工作電壓，典型工作電壓3.3V；低消耗電流，典型值115uA；
? 失調(diào)電壓可修調(diào)。
模擬比較器COMP
用于比較兩個(gè)輸入模擬電壓的大小，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高低電平。
? 比較器輸出可作為定時(shí)器的剎車輸入或捕獲輸入；
? 提供軟件可配置的濾波時(shí)間以增強(qiáng)芯片的抗干擾能力；
? 比較器輸出可通過(guò)定時(shí)器切斷。
12位1.6Msps高精度ADC
支持單端信號(hào)轉(zhuǎn)換和差分信號(hào)轉(zhuǎn)換，多達(dá)21個(gè)通道，支持最大16次可設(shè)通道的規(guī)則轉(zhuǎn)換，以及1次通道可設(shè)的注入轉(zhuǎn)換。每次A/D轉(zhuǎn)換可以按照單次、連續(xù)或間斷模式執(zhí)行。
高性能定時(shí)器TIMER
ACM32F0X0芯片內(nèi)置高級(jí)定時(shí)器，由一個(gè)16位自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器組成，由一個(gè)16位可編程（可以實(shí)時(shí)修改）的預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)。高級(jí)定時(shí)器和通用定時(shí)器是完全獨(dú)立的，它們不共享任何資源，但它們可以同步操作。
? 多達(dá)4個(gè)獨(dú)立通道（輸入捕獲、輸出比較、PWM生成、單脈沖模式輸出）；可測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖寬度（輸入捕獲），可產(chǎn)生輸出波形（輸出比較、PWM、嵌入式死區(qū)時(shí)間互補(bǔ)PWM等）
? 支持針對(duì)定位的增量（正交）編碼器和霍爾傳感器電路；
? 支持三相PWM、死區(qū)保護(hù)、剎車控制；
? 支持有感、無(wú)感、FOC控制算法；
設(shè)計(jì)方案
本文描述的咖啡機(jī)方案，基于上海航芯ACM32F070系列的MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體的方案框圖如下所示：
圖3. 基于ACM32F070咖啡機(jī)設(shè)計(jì)方案框圖
軟件資源（觸摸按鍵部分）下載鏈接如下：
https://gitee.com/acm32-mcu/ACM32F0X0-Coffee-TKey-Demo
https://github.com/ACM32-MCU/ACM32F0X0-Coffee-TKey-Demo
數(shù)碼智能控制
本文論述的設(shè)計(jì)方案中的人機(jī)交互功能是采用LCD、LED、觸摸按鍵的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。共有1個(gè)段碼LCD屏、9個(gè)按鍵和10個(gè)LED。按鍵需實(shí)現(xiàn)設(shè)備的開關(guān)機(jī)、模式選擇（蒸氣模式/咖啡模式）、大中小杯選擇、一杯兩杯選擇、咖啡豆研磨粗細(xì)度設(shè)置、咖啡濃淡口味設(shè)置、溫度設(shè)置、童鎖功能。設(shè)備會(huì)根據(jù)按鍵指示判定當(dāng)前所需要執(zhí)行的操作。10個(gè)LED中有9個(gè)用于按鍵指示，表示當(dāng)前正在執(zhí)行的操作動(dòng)作；另外1個(gè)LED用于報(bào)警指示，主要是設(shè)備自檢時(shí)，如果殘?jiān)小埶邸㈦姍C(jī)、核心部件等未復(fù)位則該指示燈閃。LCD屏用于顯示咖啡豆研磨粗細(xì)度、咖啡濃淡口味、溫度、大中小杯指示、一杯兩杯指示。
1）待機(jī)：默認(rèn)待機(jī)模式，點(diǎn)擊按鍵開機(jī)，指示燈亮，LCD屏顯示；開機(jī)狀態(tài)下長(zhǎng)按該鍵5S可以進(jìn)入藍(lán)牙配對(duì)模式。待機(jī)時(shí)，指示燈滅，LCD滅。
2）童鎖功能：默認(rèn)啟用童鎖功能，當(dāng)童鎖功能啟用時(shí)，其他任何操作按鍵都會(huì)暫時(shí)失去其控制功能，避免了兒童因好奇誤操作而導(dǎo)致發(fā)生危險(xiǎn)。童鎖功能開啟時(shí)，該按鍵指示燈亮紅色；關(guān)閉時(shí)，指示燈不亮。
3）大中小杯選擇：咖啡量選擇包括大、中、小杯。第一次點(diǎn)擊顯示當(dāng)前選擇，此時(shí)該按鍵指示燈亮，再次點(diǎn)擊可以切換選擇，每點(diǎn)擊一下，指示燈會(huì)閃爍一下，同時(shí)LCD會(huì)全程顯示當(dāng)前選擇項(xiàng)。帶記憶功能，只需設(shè)置一次。
4）杯量控制：可選擇制作一杯咖啡，還是同時(shí)制作兩杯咖啡。第一次點(diǎn)擊顯示當(dāng)前選擇，此時(shí)該按鍵指示燈亮，再次點(diǎn)擊可以切換選擇，每點(diǎn)擊一下，指示燈會(huì)閃爍一下，同時(shí)LCD會(huì)全程顯示當(dāng)前選擇項(xiàng)。帶記憶功能，只需設(shè)置一次。
5）咖啡豆研磨粗細(xì)度設(shè)置：13檔咖啡豆研磨程度，配合咖啡豆和口味，調(diào)節(jié)咖啡油脂的豐富程度。第一次點(diǎn)擊顯示當(dāng)前選擇，此時(shí)該按鍵指示燈亮，再次點(diǎn)擊可以切換選擇，每點(diǎn)擊一下，指示燈會(huì)閃爍一下，同時(shí)LCD會(huì)全程顯示當(dāng)前選擇項(xiàng)。帶記憶功能，只需設(shè)置一次。
6）咖啡濃淡口味設(shè)置：咖啡豆用量調(diào)節(jié)，咖啡豆使用越多，咖啡越濃。第一次點(diǎn)擊顯示當(dāng)前選擇，此時(shí)該按鍵指示燈亮，再次點(diǎn)擊可以切換選擇，每點(diǎn)擊一下，指示燈會(huì)閃爍一下，同時(shí)LCD會(huì)全程顯示當(dāng)前選擇項(xiàng)。帶記憶功能，只需設(shè)置一次。
7）溫度設(shè)置：4檔可調(diào)節(jié)咖啡溫度。第一次點(diǎn)擊顯示當(dāng)前選擇，此時(shí)該按鍵指示燈亮，再次點(diǎn)擊可以切換選擇，每點(diǎn)擊一下，指示燈會(huì)閃爍一下，同時(shí)LCD會(huì)全程顯示當(dāng)前選擇項(xiàng)。帶記憶功能，只需設(shè)置一次。
8）蒸氣模式選擇：當(dāng)選擇蒸氣模式時(shí)，會(huì)開始加熱直至達(dá)到設(shè)定值，在此過(guò)程中該按鍵指示燈閃爍，達(dá)到設(shè)定值時(shí)指示燈常亮。
9）咖啡模式選擇：程序默認(rèn)為咖啡模式，點(diǎn)擊開始制作咖啡，在出咖啡時(shí)，用戶可以通過(guò)點(diǎn)擊該按鍵在任意時(shí)刻停止咖啡流出。
手機(jī)智能控制
可通過(guò)BLE藍(lán)牙連接手機(jī)，支持手機(jī)一鍵啟動(dòng)；可通過(guò)手機(jī)設(shè)置大中小杯、咖啡豆研磨程度、口味、溫度等參數(shù)；還支持一鍵預(yù)約，咖啡機(jī)會(huì)根據(jù)設(shè)置，制作咖啡，制作好后，咖啡機(jī)進(jìn)入等待出咖啡狀態(tài)，并通知手機(jī)。
咖啡機(jī)控制器（MCU）的功能
1）實(shí)現(xiàn)咖啡機(jī)初始化
咖啡機(jī)連接電源上電，點(diǎn)擊待機(jī)鍵開機(jī)，MCU會(huì)控制整個(gè)咖啡機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)安全檢測(cè)、多位行程開關(guān)常態(tài)檢測(cè)、水箱水量、咖啡豆量檢測(cè)、排空殘?jiān)纫幌盗谐跏蓟瑸橹谱骺Х然蛘羝龊帽匾臏?zhǔn)備。初始化過(guò)程中，如果上述任何一項(xiàng)出現(xiàn)問(wèn)題，MCU立馬發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使報(bào)警指示燈閃爍，蜂鳴器鳴叫，只有在排除報(bào)警后，方可進(jìn)行其他操作。
2）制作咖啡
在咖啡機(jī)完成初始化后，系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)入咖啡模式，MCU控制加熱器工作，水溫上升，此時(shí)咖啡指示燈閃爍，在加熱過(guò)程中，可以點(diǎn)擊溫度設(shè)置按鍵，調(diào)節(jié)溫度，溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)水溫，達(dá)到設(shè)定值時(shí)，咖啡機(jī)轉(zhuǎn)入保溫狀態(tài)，咖啡指示燈轉(zhuǎn)為常亮狀態(tài)，泡咖啡準(zhǔn)備就緒。
MCU可以控制制作咖啡單、雙杯且容量可調(diào)，第一次點(diǎn)擊一杯兩杯按鍵，顯示當(dāng)前選擇，再次點(diǎn)擊可以切換選擇，如果當(dāng)前是單杯，就切換成雙杯；如果當(dāng)前是雙杯，就切換成單杯，在制作兩杯咖啡過(guò)程中，無(wú)法切換成單杯。通過(guò)大中小選擇鍵可以選擇咖啡的制作量，一般為大、中、小杯。MCU通過(guò)控制水泵的運(yùn)作，達(dá)到對(duì)水量的控制。
研磨咖啡粉電機(jī)的控制，保證咖啡粉制作量的調(diào)節(jié)和粗細(xì)度，從而控制咖啡口味和口感。此外當(dāng)檢測(cè)到有硬物卡在磨中時(shí)，最遲在2秒后，MCU控制電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
在咖啡制作時(shí)，MCU通過(guò)控制電機(jī)移動(dòng)核心部件，將裝有咖啡粉不好對(duì)齊出水口；在泡完咖啡后再?gòu)?fù)位，同時(shí)將咖啡豆殘?jiān)谷霘堅(jiān)小?/span>
在出咖啡時(shí)，用戶可通過(guò)按咖啡模式鍵在任意時(shí)刻停止咖啡流出。
3）制作蒸氣
在默認(rèn)咖啡模式下，按下蒸氣模式鍵，MCU會(huì)控制加熱器加熱，水溫繼續(xù)升高至產(chǎn)生蒸氣為止，后續(xù)會(huì)保持該溫度。期間蒸氣指示燈由閃爍轉(zhuǎn)為常亮狀態(tài)。同時(shí)MCU還要控制對(duì)蒸氣氣壓的檢測(cè)，必須保證氣壓在規(guī)定范圍內(nèi)，保證安全。
在蒸氣模式下，按下咖啡模式鍵，系統(tǒng)會(huì)切換成咖啡模式。此時(shí)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，蜂鳴器鳴叫三聲，蒸氣指示燈、咖啡指示燈、報(bào)警指示燈同時(shí)閃爍。因?yàn)橹谱髡魵獾臏囟雀哂谥谱骺Х鹊臏囟龋孕枰禍亍＝禍剡^(guò)程中，MCU會(huì)通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)水溫，當(dāng)達(dá)到制作咖啡要求時(shí)。蒸氣指示燈、報(bào)警指示燈由閃爍變暗，而咖啡指示燈由閃爍變常亮，此時(shí)表明咖啡制作準(zhǔn)備就緒。
結(jié)語(yǔ)
本文提出的設(shè)計(jì)方案主旨是將咖啡機(jī)智能化、平民化、提高工作效率、節(jié)約時(shí)間、解放雙手。在提高人們生活的舒適度、便利度的同時(shí)，也能達(dá)到進(jìn)一步保證人們生活品質(zhì)的目的。
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