全自动咖啡机的设计方案(全套图纸)

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112.3液压系统的设计122.3.1液压系统原理122.3.2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AbstractThisthesisistodesignanautomaticCoffeemachine.Atpresent,theautomaticCoffeemachineisverypopular,especiallyusedinthebigcityofficebuilding,office,somefamiliesaregraduallyputitastheessentialhouseholditems.AslongasthestartingCoffeemachine,pressthepower,justafewminutes,grinding,boilingwater,brewingextractionfullyautomated,safeandconvenient.ThispaperistheoverallworktodesignanautomaticCoffeemachine.Includingthebeangrindingdevice,addboilingwater,brewingdevice.Itscontrolsystemusses89C51microcontrollerasthecore,withthetemperaturesensor,flowmeter,keysystem,heatingcircuit,controlswitchandahydraulicdevicetocompletethewholesystem.Forthecorecomponentsofthemachine,designofmechanicalCADdiagramisgiven,suchasgrindingmechanism,abrewingchamber,andthehydraulicprinciplediagram.Thecontrolpartofthemachine,thedesignfromtwoaspectsofhardwareandsoftwareisgivenbyProtelcircuitdiagramandClanguageprogram.Keywords:grindingmechanism,hydraulicsystem,89C51SCM,Clanguageprogram1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underpressure。以上叙述说的“二十世纪初的急性子工程师”，指的很可能是LuigiBezzera。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，DesiderioPavoni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，TeresioArduino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M兰咖啡馆的老板AchilleGaggia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（LaPavoni）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RosettaScorza。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