軟件開(kāi)源，航芯方案分享 | 全自動(dòng)咖啡機設計方案

如今，隨著(zhù)人們生活節奏不斷地加快，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(ài)。隨之而來(lái)的“咖啡機”也變得愈加流行。釀制一杯完美的咖啡，需要借助專(zhuān)門(mén)的咖啡機來(lái)完成?？Х葯C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)，并與熱水達到充分溶合后流入杯中，整個(gè)過(guò)程需要在18-28秒內完成，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，咖啡機起著(zhù)決定性的作用。

本文將介紹基于上海航芯ACM32F070的咖啡機設計方案。

咖啡機概述

現在市面上的咖啡機有很多，按照操作方式可以將其分為兩大類(lèi)型：半自動(dòng)和全自動(dòng)。

圖1. 咖啡機分類(lèi)圖

半自動(dòng)咖啡機主要特點(diǎn)：由人工操作磨粉、壓粉、裝粉、沖泡、清除殘渣等，機器結構簡(jiǎn)單、容易維護、使用方便。其缺點(diǎn)是：對操作者要求高，操作者要經(jīng)過(guò)嚴格的培訓才能使用這種機器制作出高品質(zhì)的咖啡，且工作效率較低。

全自動(dòng)咖啡機主要特點(diǎn)：實(shí)現了磨粉、壓粉、裝粉、沖泡、清除殘渣等釀制咖啡全過(guò)程的自動(dòng)控制，使用更加方便、快捷、品質(zhì)一致、高效率，對操作者要求不高，無(wú)需培訓。其缺點(diǎn)為：結構比較復雜，需要良好保養，維護費用較高。但由于其優(yōu)點(diǎn)突出，使得它越來(lái)越被眾多客戶(hù)所喜愛(ài)。

本次介紹的咖啡機設計方案是一個(gè)全自動(dòng)咖啡機，可以按照最科學(xué)的數據和程序來(lái)釀制咖啡，而且設有完善的保護系統，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(hù)可以設置水溫、咖啡碾磨粗細度，能夠自動(dòng)碾磨咖啡豆；用戶(hù)還可以根據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?？梢詾橛脩?hù)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、運算放大器OPAMP、段式LCD控制器，內置高性能定時(shí)器TIMER、多路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的通訊外設，內建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)品采用高性能內核，最高工作頻率64MHz。

圖2. ACM32F0X0資源圖

觸摸按鍵TKEY

ACM32F0X0芯片內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)檢測電容的變化來(lái)檢測手指是否觸及觸摸表面。通過(guò)調整檢測到的電容變化量來(lái)調整觸摸的靈敏度。

? 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，在其它導體接近觸摸電極時(shí)，增加TKEY穩定性；

? 支持濾波防抖機制，可以減少誤觸，以及避免一些靜電帶來(lái)的干擾；

? 支持自適應和自校準機制，降低環(huán)境變量的干擾；

? 模擬顧客使用環(huán)境，進(jìn)行了長(cháng)時(shí)間反復測試來(lái)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，使面板結滿(mǎn)露水，這時(shí)無(wú)誤觸和反應遲鈍的現象；

② 濺水和水淹試驗：對觸摸面板快速?lài)娝?，直到面板上形成水洼，并且將幾個(gè)不同的觸摸感應電極淹到一個(gè)水洼里，這時(shí)無(wú)誤觸、反應遲鈍和按A鍵時(shí)同一個(gè)水洼里的B鍵觸發(fā)，即按鍵指東打西現象；

③ 高低溫測試：-40℃~85℃高低溫測試，這時(shí)無(wú)誤觸、反應遲鈍、死機的現象；

④ 電磁干擾測試：使用無(wú)線(xiàn)對講機作為射頻干擾源，在觸摸面板20cm左右進(jìn)行呼叫和對講，無(wú)誤觸、反應遲鈍、死機現象；

⑤ 電源干擾測試：在電網(wǎng)上形成強烈的600~800V的高壓脈沖群，這時(shí)沒(méi)有誤觸現象；

⑥ 長(cháng)時(shí)間連續工作測試：樣機經(jīng)過(guò)6個(gè)月不斷電長(cháng)時(shí)間工作測試，按鍵工作正常，無(wú)反應遲鈍、死機等現象。

液晶控制器LCD

ACM32F0X0芯片內部集成一款適用于單色無(wú)源液晶顯示器（LCD）的數字控制器/驅動(dòng)器，最多具有8個(gè)公用端子（COM）和40個(gè)區段端子（SEG），用以驅動(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16個(gè)寄存器的LCD數據RAM；

? 可通過(guò)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(lèi)、B類(lèi)波形，2種驅動(dòng)波形生成方式：

① 內部電阻分壓、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A(yíng)ctive、Sleep、Stop模式下進(jìn)行顯示。

運算放大器OPAMP

ACM32F0X0包含三個(gè)獨立配置的運算放大器，每個(gè)運算放大器有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出，三個(gè)I/O可以連接到外部引腳。運算放大器可以在內部配置位一個(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；

? 失調電壓可修調。

模擬比較器COMP

用于比較兩個(gè)輸入模擬電壓的大小，并根據比較結果輸出高低電平。

? 比較器輸出可作為定時(shí)器的剎車(chē)輸入或捕獲輸入；

? 提供軟件可配置的濾波時(shí)間以增強芯片的抗干擾能力；

? 比較器輸出可通過(guò)定時(shí)器切斷。

12位1.6Msps高精度ADC

支持單端信號轉換和差分信號轉換，多達21個(gè)通道，支持最大16次可設通道的規則轉換，以及1次通道可設的注入轉換。每次A/D轉換可以按照單次、連續或間斷模式執行。

高性能定時(shí)器TIMER

ACM32F0X0芯片內置高級定時(shí)器，由一個(gè)16位自動(dòng)裝載計數器組成，由一個(gè)16位可編程（可以實(shí)時(shí)修改）的預分頻器驅動(dòng)。高級定時(shí)器和通用定時(shí)器是完全獨立的，它們不共享任何資源，但它們可以同步操作。

? 多達4個(gè)獨立通道（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、嵌入式死區時(shí)間互補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、死區保護、剎車(chē)控制；

? 支持有感、無(wú)感、FOC控制算法；

設計方案

本文描述的咖啡機方案，基于上海航芯ACM32F070系列的MCU進(jìn)行設計，整體的方案框圖如下所示：

圖3. 基于A(yíng)CM32F070咖啡機設計方案框圖

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

數碼智能控制

本文論述的設計方案中的人機交互功能是采用LCD、LED、觸摸按鍵的方式進(jìn)行實(shí)現。共有1個(gè)段碼LCD屏、9個(gè)按鍵和10個(gè)LED。按鍵需實(shí)現設備的開(kāi)關(guān)機、模式選擇（蒸氣模式/咖啡模式）、大中小杯選擇、一杯兩杯選擇、咖啡豆研磨粗細度設置、咖啡濃淡口味設置、溫度設置、童鎖功能。設備會(huì )根據按鍵指示判定當前所需要執行的操作。10個(gè)LED中有9個(gè)用于按鍵指示，表示當前正在執行的操作動(dòng)作；另外1個(gè)LED用于報警指示，主要是設備自檢時(shí)，如果殘渣盒、殘水槽、電機、核心部件等未復位則該指示燈閃。LCD屏用于顯示咖啡豆研磨粗細度、咖啡濃淡口味、溫度、大中小杯指示、一杯兩杯指示。

1）待機：默認待機模式，點(diǎn)擊按鍵開(kāi)機，指示燈亮，LCD屏顯示；開(kāi)機狀態(tài)下長(cháng)按該鍵5S可以進(jìn)入藍牙配對模式。待機時(shí)，指示燈滅，LCD滅。

2）童鎖功能：默認啟用童鎖功能，當童鎖功能啟用時(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致發(fā)生危險。童鎖功能開(kāi)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 )全程顯示當前選擇項。帶記憶功能，只需設置一次。

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 )全程顯示當前選擇項。帶記憶功能，只需設置一次。

5）咖啡豆研磨粗細度設置：13檔咖啡豆研磨程度，配合咖啡豆和口味，調節咖啡油脂的豐富程度。第一次點(diǎn)擊顯示當前選擇，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 )全程顯示當前選擇項。帶記憶功能，只需設置一次。

6）咖啡濃淡口味設置：咖啡豆用量調節，咖啡豆使用越多，咖啡越濃。第一次點(diǎn)擊顯示當前選擇，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 )全程顯示當前選擇項。帶記憶功能，只需設置一次。

7）溫度設置：4檔可調節咖啡溫度。第一次點(diǎn)擊顯示當前選擇，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 )全程顯示當前選擇項。帶記憶功能，只需設置一次。

8）蒸氣模式選擇：當選擇蒸氣模式時(shí)，會(huì )開(kāi)始加熱直至達到設定值，在此過(guò)程中該按鍵指示燈閃爍，達到設定值時(shí)指示燈常亮。

9）咖啡模式選擇：程序默認為咖啡模式，點(diǎn)擊開(kāi)始制作咖啡，在出咖啡時(shí)，用戶(hù)可以通過(guò)點(diǎn)擊該按鍵在任意時(shí)刻停止咖啡流出。

手機智能控制

可通過(guò)BLE藍牙連接手機，支持手機一鍵啟動(dòng)；可通過(guò)手機設置大中小杯、咖啡豆研磨程度、口味、溫度等參數；還支持一鍵預約，咖啡機會(huì )根據設置，制作咖啡，制作好后，咖啡機進(jìn)入等待出咖啡狀態(tài)，并通知手機。

咖啡機控制器（MCU）的功能

1）實(shí)現咖啡機初始化

咖啡機連接電源上電，點(diǎn)擊待機鍵開(kāi)機，MCU會(huì )控制整個(gè)咖啡機系統進(jìn)行系統安全檢測、多位行程開(kāi)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備。初始化過(guò)程中，如果上述任何一項出現問(wèn)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

在咖啡機完成初始化后，系統默認進(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)擊溫度設置按鍵，調節溫度，溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測水溫，達到設定值時(shí)，咖啡機轉入保溫狀態(tài)，咖啡指示燈轉為常亮狀態(tài)，泡咖啡準備就緒。

MCU可以控制制作咖啡單、雙杯且容量可調，第一次點(diǎn)擊一杯兩杯按鍵，顯示當前選擇，再次點(diǎn)擊可以切換選擇，如果當前是單杯，就切換成雙杯；如果當前是雙杯，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)控制水泵的運作，達到對水量的控制。

研磨咖啡粉電機的控制，保證咖啡粉制作量的調節和粗細度，從而控制咖啡口味和口感。此外當檢測到有硬物卡在磨中時(shí)，最遲在2秒后，MCU控制電機停止運轉。

在咖啡制作時(shí)，MCU通過(guò)控制電機移動(dòng)核心部件，將裝有咖啡粉不好對齊出水口；在泡完咖啡后再復位，同時(shí)將咖啡豆殘渣倒入殘渣盒。

在出咖啡時(shí)，用戶(hù)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，水溫繼續升高至產(chǎn)生蒸氣為止，后續會(huì )保持該溫度。期間蒸氣指示燈由閃爍轉為常亮狀態(tài)。同時(shí)MCU還要控制對蒸氣氣壓的檢測，必須保證氣壓在規定范圍內，保證安全。

在蒸氣模式下，按下咖啡模式鍵，系統會(huì )切換成咖啡模式。此時(shí)會(huì )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(shí)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(guò)程中，MCU會(huì )通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測水溫，當達到制作咖啡要求時(shí)。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(shí)表明咖啡制作準備就緒。

結語(yǔ)

本文提出的設計方案主旨是將咖啡機智能化、平民化、提高工作效率、節約時(shí)間、解放雙手。在提高人們生活的舒適度、便利度的同時(shí)，也能達到進(jìn)一步保證人們生活品質(zhì)的目的。

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