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智能咖啡机的精确恒温方案设计 侯军刚，孟欣，曹广忠，徐 刚 深圳大学工程技术学院(518060) email: xjjk@ 摘 要：摘 要：提出了一种咖啡机的精确恒温方案利用集成元件 AD590 测温、静电电容式接近开 关检测咖啡液位，构建闭环控制回路用 PWM 集成芯片 TL494 做脉宽调制，控制固态继电器 按一定占空比输出给加热器间歇加热，实现了咖啡液的精确恒温 关键字：关键字：咖啡机；恒温；液位测量；脉宽调制 1. 引 言 1. 引 言 随着人们生活水平的不断提高， 咖啡机这种原来只在酒吧、 餐厅使用的高档消费品现在 已越来越多地走进了寻常百姓家冲煮咖啡是一个受诸如咖啡品种、咖啡粉烘焙条件[ ]1、咖 啡机类型等因素影响的复杂过程人们在享用一杯咖啡时，口感是至关重要的，而入口时咖 啡液的温度是决定口感的重要因素 现在市场上常见的家庭型电咖啡机， 大多只有一个温度 上限保护，不属于真正意义上的保温某些高级一些的咖啡机，会设置几个粗略的档位，如 高、中、低温，但是由于杯中咖啡量的变化，即使设定在同样的档位，杯中咖啡液的温度还 是有很大差异，而且在咖啡量很少时，很容易出现过热甚至干烧。

为此， 本文给出了一种可以精确恒温的智能咖啡机设计方案 该方案将温度量和杯中咖 啡量纳入闭环控制，可以达到较高精度的恒温，并且稳定温度不因咖啡量的变化而变化其 恒温温度连续可调，可以满足不同人的口感要求 2. 智能咖啡机设计方案 2. 智能咖啡机设计方案 2.1 性能指标要求 2.1 性能指标要求 针对某款容量为 12 杯的滴漏式电咖啡机，要求咖啡煮好后温度恒定在 50～70℃的任意 设定值无论杯中咖啡多少，要求咖啡液温度都必须维持在该值，容许波动±1℃ 2.2 总体方案概述 2.2 总体方案概述 图 1 所示为温度控制部分的总体方案及结构简图 液体（即咖啡）的温度通过集成型温度传感器 AD590 感知，液位由杯外安装的 3 个静电 电容式接近开关组合测得 1 因为实际中不允许在液体中测温，所以将测温元件AD590 装在玻璃杯的底部外壁一点， 设测得该点温度为T而液体中心的温度T*与外壁温度T紧密相关所以，首先必须在某一固定液位下，测得T*与T的关系曲线，这样，保证AD590 测得的外壁温度T稳定，也就相当于保证了液体中心的温度T*的稳定当液位发生了变化时，要保持液体中心的温度T*不变，外壁温度T则需要发生微小变化λ，这时候要根据测得液位，加上一个相应的补偿值λ，从而使 液体中心的温度维持在T*不变，即咖啡温度不受到液位变化的影响。

比 较 电 路误差 信号E液位信号温度测定值温度设定PWMSSR电加热器-+ +{液 位 检 测液体玻璃杯导热板AD590测温～电源～图 1 总体方案及结构简图 所以，杯中液体中心点的恒温问题，就转化为杯子外壁测温点的恒温问题了图 1 中温 度测定值即为测温点的实际值， 温度设定即为测温点的温度设定值 比较电路将这两个值的 差输出，即为误差信号 E通过 PWM，输出一个固定周期的脉冲序列，其占空比随着误差信 号 E 趋向于零而减小用该脉冲序列来控制固态继电器的通断，进而控制加热功率，使加热 速度随着误差信号 E 趋向于零而减慢，避免产生升温过冲 2.3 温度检测方案 2.3 温度检测方案 要构建一个温度控制系统， 温度的检测是至关重要的一个环节 衡量一个温度检测方案 成功与否，要从线性度、灵敏度、抗干扰能力、安装是否方便、信号处理难易程度等方面综 合考虑 常用的温度检测系统可用热电阻型、 热电偶型或半导体集成型温度传感器来构建[ ]2 热电阻型温度传感器是根据某些材质的阻值随温度变化而变化的原理制成 热电阻的灵 敏度高，但输出呈较大的非线性铂电阻是一种贵金属热电阻，线性度稍好，但成本较高。

热电偶型温度传感器根据赛贝克效应（又称热电效应）而制成热电偶测温范围广，但灵敏 度较低，输出信号较小，且存在冷端补偿的问题，所以要获得较高的测量精度，回路设计较 复杂 本方案中选定的测温元件AD590 是美国AD公司生产的一种集成型半导体温度传感器[ ]3对于集电极电流比γ一定的两个晶体管，发射结压降差×lnBEK TVqγΔ=其中，T为热力学温度值，K为波尔兹曼常数，q为电子电荷绝对值可以看出，ΔVBE与热力学温度T 成正比 半导体型温度传感器便是依此原理而制成 这种温度传感器具有线性好、 精度适中、 灵敏度高、信号处理简单、易于实现集成化、小型化等特点 2 AD590 是电流输出的两端型器件，当它的两端加上+4V～+30V 的电压时，器件呈高阻抗，流过它的电流（μA）在数值上等于它所处环境的热力学温度（K） ，即1IμΑ/KT=出厂时已经过激光微调来校正了内部的薄膜电阻，使 AD590 在 298.2K（25℃）时输出电流 298.2μA由于它是电流输出，抗干扰能力强，可长距离传输信号，使用方便它的线性好， 在―55℃～＋150℃最大非线性误差±0.3℃（M 级） 图 2(a)为测温部分电路图。

其中REF102 是＋10V输出的精密参考电压源[ ]T4，为AD590 回路提供一个精密稳定的 10V电压 OP07 是高精度低漂移的运算放大器， 此处用作I/V转换，通过R84，将电流差信号I－I转换成电压信号V 输出 RADo图 2 测温部分电路图及输出曲线 使用前必须首先对该检测装置作调整 在AD590 处于 50℃环境时，流过AD590 的电流IAD＝273.2＋50μA＝323.2μA调整R83，使得IR＝IAD，所以此时R84 没有分流，即IR84＝IR－IAD＝0，OP07 输出Vo＝－IR84×R84＝0 当AD590 所处环境低于 50℃时，IAD减小，IR不变，所以，IR84＞0，OP07 输出Vo＜0； 高于 50℃时，IAD增大，IR不变，所以，IR84＜0，OP07 输出Vo＞0 综上，OP07 的输出Vo与温度成正比，斜率为 300 kΩ×1μA /℃=0.3V/℃如图 2(b) 图 2(b)所示只是理论曲线图，实际上，因为 AD590 本身的线性度误差、R84 的阻值误 差以及其它器件的附加误差，会出现一定的非线性，所以需要采取相应的调整方法，具体请 参考 AD590 的详细资料，此不赘述。

2.4 液位检测方案 2.4 液位检测方案 为了判断杯中液体的量，在杯外不同高度上设置了 3 个静电电容式接近开关 静电电容式接近开关是一种具有开关量输出的位置传感器 因为不同的材料具有不同的 介电常数，所以这种传感器可以检测物体的有、无，也可以检测出物体材质的的不同，并以3 开关量输出[ ]5 表 1 接近开关各种状态表示的含义 接近开关状态（1 表示检测到液体，0 表示未检测到）接近开关（上） 接近开关（中）接近开关（下） 实际含义 1 1 1 液体量多 0 1 1 液体量中 0 0 1 液体量少 0 0 0 杯中无液体 其 它 接近开关故障 在玻璃杯的某一水平平面上，有、无液体的时候呈现出不同的相对介电常数，所以可以 用这种差异，检出某一水平位置是否有液体，从而做到液位的判断，如表 1 所示液位信号 只是一种补偿，所以简单地把它分为液体量多、中、少三个等级，用以给原误差信号加上不 同的微小补偿值，从而得到修正后的误差信号 E，来驱动 PWM 工作 2.5 控制原理 2.5 控制原理 图 3 所示为控制原理结构图 设定了咖啡温度后， 系统按照事先确定的咖啡温度与瓶壁 测温点的对应关系， 以及当前的液位补偿， 得到了等效测温点设定温度。

通过实时与 AD590 测出的温度做比较，得到了误差信号 E ＋－加热器间歇加热SSR调制波载波PWM误差信号E液位信号AD590测量 设定温度等效测温点 设定温度咖啡温度与瓶 壁测温点温度 的对应关系咖啡温 度设定图 3 控制原理结构图 载波为周期 2.5 秒的锯齿波，PWM 输出为同样周期的脉冲方波，其占空比由误差信号 E 决定当检测值低于设定很多，即 E 负大时，输出占空比 100％，即加热器一直加热，如 图 4 的 a 阶段所示； 随着温度的上升， 占空比逐渐减小， 加热器间歇加热， 如图 4 的 b 阶段； 在检测值等于设定的保温阶段，占空比保持一个较小的数字（5％～15％） ，保持短暂加热， 以此维持热平衡，实现恒温，如图 4 的 c 阶段 本方案中PWM部分采用美国TI公司的电压驱动型脉宽控制集成电路TL494 来完成 [ ,76] 但要注意一点：因为TL494 大多用于开关电源中，其所规定的最低载波频率为 1KHz，但实际上， 把这个频率调低到 0.4Hz， 只要保证Rt和Ct在最大额定内， 即 1.8 kΩ＜Rt＜500 kΩ， 且 0.47nF＜Ct＜10μF，仍然工作正常。

4 加热器 状态误差信号E测量温度设定温度载波加热不加热温度（℃）图 4 PWM 控制过程图 图 5 设定 63℃，不同水量时的实验曲线 由图 4 可以看出， 该系统可以根据误差量的大小自动调节加热器的通断时间比， 从而动 态地改变加热功率，有效地避免了加热时温度过冲，使系统更加稳定、快速 3. 实验结果 3. 实验结果 设定温度 63℃，分别作 12 杯水量时的升温、降温，以及 4 杯水量时的升温实验结果 曲线见图 5 可以看出，无论是升温还是降温，最终恒定温度不会变化；咖啡量的变化，不影响恒定 温度；在各种情况下，恒定温度都保持在 63±1℃各项指标达到智能咖啡机的预期性能要 求，稳定地实现了咖啡机的精确恒温 4. 结4. 结 论 论 实验结果表明，本文所提出的这种智能咖啡机的恒温控制方法是有效的通过 AD590 的可靠测温并反馈，实现闭环控制，使杯中咖啡稳定在需要的温度，精度达±1℃而且它 会通过检测液位，对系统进行自动调节，使温度保持恒定在升温时，如果温度快到达设定 值，加热速度会减慢，避免温度出现过冲这都体现了这种咖啡机的“智能”化概念另外， 这种控制方案也对咖啡机之外的其它设计有参考意义，具有较高的实用价值。

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