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軟件開源，航芯方案分享 | 全自動咖啡機(jī)設(shè)計方案
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，逐漸被越來越多的人所喜愛。隨之而來的“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)來完成。咖啡機(jī)用10個左右的大氣壓力，迫使90℃左右的熱水穿過10克左右經(jīng)過擠壓的咖啡粉，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，整個過程需要在18-28秒內(nèi)完成，以便有效地避免過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：半自動和全自動。
圖1. 咖啡機(jī)分類圖
半自動咖啡機(jī)主要特點(diǎn)：由人工操作磨粉、壓粉、裝粉、沖泡、清除殘渣等，機(jī)器結(jié)構(gòu)簡單、容易維護(hù)、使用方便。其缺點(diǎn)是：對操作者要求高，操作者要經(jīng)過嚴(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。
全自動咖啡機(jī)主要特點(diǎn)：實現(xiàn)了磨粉、壓粉、裝粉、沖泡、清除殘渣等釀制咖啡全過程的自動控制，使用更加方便、快捷、品質(zhì)一致、高效率，對操作者要求不高，無需培訓(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，使得它越來越被眾多客戶所喜愛。
本次介紹的咖啡機(jī)設(shè)計方案是一個全自動咖啡機(jī)，可以按照最科學(xué)的數(shù)據(jù)和程序來釀制咖啡，而且設(shè)有完善的保護(hù)系統(tǒng)，使用起來簡單方便，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制作雙杯咖啡，同時還提供大杯、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。其中熱水可以用來泡茶或其它飲品等；蒸汽則可用來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檢測電容的變化來檢測手指是否觸及觸摸表面。通過調(diào)整檢測到的電容變化量來調(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；
? 支持主動屏蔽Cshield通道，用于防水控制和增加檢測靈敏度；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，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)行了長時間反復(fù)測試來確保產(chǎn)品的可靠性，測試方法如下：
① 潮濕環(huán)境測試：用水蒸氣噴到觸摸面板上，使面板結(jié)滿露水，這時無誤觸和反應(yīng)遲鈍的現(xiàn)象；
② 濺水和水淹試驗：對觸摸面板快速噴水，直到面板上形成水洼，并且將幾個不同的觸摸感應(yīng)電極淹到一個水洼里，這時無誤觸、反應(yīng)遲鈍和按A鍵時同一個水洼里的B鍵觸發(fā)，即按鍵指東打西現(xiàn)象；
③ 高低溫測試：-40℃~85℃高低溫測試，這時無誤觸、反應(yīng)遲鈍、死機(jī)的現(xiàn)象；
④ 電磁干擾測試：使用無線對講機(jī)作為射頻干擾源，在觸摸面板20cm左右進(jìn)行呼叫和對講，無誤觸、反應(yīng)遲鈍、死機(jī)現(xiàn)象；
⑤ 電源干擾測試：在電網(wǎng)上形成強(qiáng)烈的600~800V的高壓脈沖群，這時沒有誤觸現(xiàn)象；
⑥ 長時間連續(xù)工作測試：樣機(jī)經(jīng)過6個月不斷電長時間工作測試，按鍵工作正常，無反應(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源液晶顯示器（LCD）的數(shù)字控制器/驅(qū)動器，最多具有8個公用端子（COM）和40個區(qū)段端子（SEG），用以驅(qū)動160（4*40）或288（3*36）個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個寄存器的LCD數(shù)據(jù)RAM；
? 可通過軟件配置LCD的對比度，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包含三個獨(dú)立配置的運(yùn)算放大器，每個運(yùn)算放大器有兩個輸入和一個輸出，三個I/O可以連接到外部引腳。運(yùn)算放大器可以在內(nèi)部配置位一個跟隨器，或者是一個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器的剎車輸入或捕獲輸入；
? 提供軟件可配置的濾波時間以增強(qiáng)芯片的抗干擾能力；
? 比較器輸出可通過定時器切斷。
12位1.6Msps高精度ADC
支持單端信號轉(zhuǎn)換和差分信號轉(zhuǎn)換，多達(dá)21個通道，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。
高性能定時器TIMER
ACM32F0X0芯片內(nèi)置高級定時器，由一個16位自動裝載計數(shù)器組成，由一個16位可編程（可以實時修改）的預(yù)分頻器驅(qū)動。高級定時器和通用定時器是完全獨(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）；可測量輸入信號的脈沖寬度（輸入捕獲），可產(chǎn)生輸出波形（輸出比較、PWM、嵌入式死區(qū)時間互補(bǔ)PWM等）
? 支持針對定位的增量（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、無感、FOC控制算法；
設(shè)計方案
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，整體的方案框圖如下所示：
圖3. 基于ACM32F070咖啡機(jī)設(shè)計方案框圖
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)行實現(xiàn)。共有1個段碼LCD屏、9個按鍵和10個LED。按鍵需實現(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)備會根據(jù)按鍵指示判定當(dāng)前所需要執(zhí)行的操作。10個LED中有9個用于按鍵指示，表示當(dāng)前正在執(zhí)行的操作動作；另外1個LED用于報警指示，主要是設(shè)備自檢時，如果殘渣盒、殘水槽、電機(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)下長按該鍵5S可以進(jìn)入藍(lán)牙配對模式。待機(jī)時，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，其他任何操作按鍵都會暫時失去其控制功能，避免了兒童因好奇誤操作而導(dǎo)致發(fā)生危險。童鎖功能開啟時，該按鍵指示燈亮紅色；關(guān)閉時，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，指示燈會閃爍一下，同時LCD會全程顯示當(dāng)前選擇項。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，還是同時制作兩杯咖啡。第一次點(diǎn)擊顯示當(dāng)前選擇，此時該按鍵指示燈亮，再次點(diǎn)擊可以切換選擇，每點(diǎn)擊一下，指示燈會閃爍一下，同時LCD會全程顯示當(dāng)前選擇項。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，指示燈會閃爍一下，同時LCD會全程顯示當(dāng)前選擇項。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，指示燈會閃爍一下，同時LCD會全程顯示當(dāng)前選擇項。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，指示燈會閃爍一下，同時LCD會全程顯示當(dāng)前選擇項。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，會開始加熱直至達(dá)到設(shè)定值，在此過程中該按鍵指示燈閃爍，達(dá)到設(shè)定值時指示燈常亮。
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，用戶可以通過點(diǎn)擊該按鍵在任意時刻停止咖啡流出。
手機(jī)智能控制
可通過BLE藍(lán)牙連接手機(jī)，支持手機(jī)一鍵啟動；可通過手機(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會控制整個咖啡機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)安全檢測、多位行程開關(guān)常態(tài)檢測、水箱水量、咖啡豆量檢測、排空殘渣等一系列初始化，為制作咖啡或蒸汽做好必要的準(zhǔn)備。初始化過程中，如果上述任何一項出現(xiàn)問題，MCU立馬發(fā)出報警信號，使報警指示燈閃爍，蜂鳴器鳴叫，只有在排除報警后，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，此時咖啡指示燈閃爍，在加熱過程中，可以點(diǎn)擊溫度設(shè)置按鍵，調(diào)節(jié)溫度，溫度傳感器實時檢測水溫，達(dá)到設(shè)定值時，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，在制作兩杯咖啡過程中，無法切換成單杯。通過大中小選擇鍵可以選擇咖啡的制作量，一般為大、中、小杯。MCU通過控制水泵的運(yùn)作，達(dá)到對水量的控制。
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)檢測到有硬物卡在磨中時，最遲在2秒后，MCU控制電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
在咖啡制作時，MCU通過控制電機(jī)移動核心部件，將裝有咖啡粉不好對齊出水口；在泡完咖啡后再復(fù)位，同時將咖啡豆殘渣倒入殘渣盒。
在出咖啡時，用戶可通過按咖啡模式鍵在任意時刻停止咖啡流出。
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MCU還要控制對蒸氣氣壓的檢測，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)會切換成咖啡模式。此時會產(chǎn)生報警，蜂鳴器鳴叫三聲，蒸氣指示燈、咖啡指示燈、報警指示燈同時閃爍。因為制作蒸氣的溫度高于制作咖啡的溫度，所以需要降溫。降溫過程中，MCU會通過溫度傳感器實時檢測水溫，當(dāng)達(dá)到制作咖啡要求時。蒸氣指示燈、報警指示燈由閃爍變暗，而咖啡指示燈由閃爍變常亮，此時表明咖啡制作準(zhǔn)備就緒。
結(jié)語
本文提出的設(shè)計方案主旨是將咖啡機(jī)智能化、平民化、提高工作效率、節(jié)約時間、解放雙手。在提高人們生活的舒適度、便利度的同時，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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