基于pic16f877a的咖啡机智能温控系统.pdf

1基于 PIC16F877A 的咖啡机智能温控系统 侯军刚， 曹广忠， 徐 刚 深圳大学工程技术学院（518060） 摘要： 分析了传统滴漏式咖啡机存在的问题， 提出了一种基于 Microchip 公司 8 位单片 机 PIC16F877A 的智能咖啡机温控系统方案该智能咖啡机可根据咖啡量的不同而进行 自调节式控温，采用了先进的控温策略，具有较高的恒温精度，是一款智能化的消费类 家电系统设计方案 关键字：咖啡机；PIC；温度控制；液位测量 1.1. 引 言 引 言 1965 年，荷兰 Philips 公司发明了第一款滴漏式咖啡机40 年后的今天，在餐厅、酒 吧、家庭等场所，由世界众多厂家生产的滴漏式咖啡机占据着绝大多数的市场随着嵌入式 科技的进步和人们生活水平的不断提高， 家电智能化在上世纪末被提出， 在近几年里得到了 重视并引发了研究热潮咖啡机作为一种消费类家电，在温度的控制方面，目前仍存在一些 亟待解决的问题[1] 2.2. 咖啡机原理及存在问题 咖啡机原理及存在问题 图 1 所示为滴漏式咖啡机的简化结构示意图 它的工作原理是： 从水室流入输水管下端 的空心加热管中的水，被迅速加热至沸腾，所生成的蒸汽气压把沸水推动出输水管，经分布 板均匀地洒落在盛有咖啡粉的过滤器里，再渗漏到咖啡杯里，就成为可饮用的咖啡液。

图 1 中箭头所示为水的流动方向 这一阶段称为煮水阶段 当全部水流入咖啡杯， 即煮水完成后， 进入保温阶段本文的探讨只限于保温阶段目前通用的保温手段是采用温度开关，当感测 到加热管温度上升至温度开关临界值时断开电源， 利用温度开关的通、 断回差对咖啡杯间歇 加热存在的问题是，其一，温度不可调，其二，咖啡量变化时不能自调节，咖啡少时易干 烧 2水室咖啡杯加热管咖啡粉图 1 滴漏式咖啡机的结构示意图 为此，本文针对某款容量为 12 杯的滴漏式电咖啡机，给出了一种可以精确恒温的系统 设计该方案以加热管的温度作为主输入参数，同时采集了表征咖啡多少的液位量，作为补 偿输入参数，达到了较高精度的恒温 3.3. 智能咖啡机设计方案 智能咖啡机设计方案 3.13.1 总体方案概述 总体方案概述 图 2 所示为温度控制部分的总体方案结构简图作为控制中心的是 Microchip 公司的一 款高性能的 CMOS 内核 8 位单片机 PIC16F877A，它基于“哈佛”结构，采用精简指令集 （RISC） ，具有较高的效率其片内资源丰富，无需外部扩展，可以实现紧凑而且稳定的设 计要求[2,3] MCU……Level_1_ emitterLevel_1导热板玻璃杯咖啡4组红外 感测装置{～电源～电加热管SSR键盘输入液位信号 (PIC16F877A)A/D通道4位总线热敏电阻测温信号显示输出温度测定值图 2 总体方案结构简图 PIC16F877A 的 PORTB 端口具内部弱上拉，可以方便的实现按键输入，包括温度设定、 时钟设定、定时开关机设定等功能。

PIC 的端口驱动能力较强，可直接驱动通流 25mA 以下 的发光二极管，所以实现 LED 显示相当容易，无需外加控制器一般为了节省 I/O，采用时 分复用的方式，使 PIC 的资源得到最大化的利用增加人机界面，方便了操作，体现了“智 能”化的概念 33.23.2 温度控制策略 温度控制策略 3.2.13.2.1 不考虑液位 不考虑液位 测温元件使用负温度系数的热敏电阻，连续测量加热管的温度，通过 PIC 的 10 位 ADC 模块转换为数字量进行内部比较处理进入保温阶段后，某一设定档对应某阈值 T，当加热 管降温至 T 时， 再次通电 t 时间 始终保持加热管温度在阈值 T 以上， 如此循环， 实现保温 如图 3 所示 不加热加热…………阈值Tt加热管的温度变化曲线时间温度加热管 状态图 3 不考虑液位时的控制过程图 这样的保温方式在杯中咖啡量不变时取得了良好的控制效果，保温 30 分钟后波动小于 ±1℃但咖啡量不同时，恒定温度也不同，即没有针对咖啡量进行自调节控制，咖啡机干 烧的危险依然存在为解决此问题，需要考虑引入液位信息 3.2.23.2.2 考虑液位 考虑液位 液位测量机构如图 2 中所示。

在咖啡杯高度方向布置四组红外对射二极管，可采用 LITEON 公司的 LTE－3271AL 和 LTR－323DB 发射、接受对，如图 4 所示LEVEL 为该高 度方向上的液位信号，当有咖啡时红外光不透过，LEVEL 为高电平，无咖啡时红外光透过， LEVEL 为低电平LEVEL1～4 通过 4 位总线送到 PIC 的数字输入端口，综合表示出咖啡量 为很少（NB） 、较少（NS） 、较多（PS） 、很多（PB）四种状态 VCCR1LTE-3271ALEmitterVCCR2LTR-323DBReceiverLEVEL1coffee图 4 红外对射装置图（左为发射，右为接收） 图 5 为液位信号补偿处理部分的流程图 4初始阈值T液位信号采集分析其它情况，显示出 错信息，阈值T不变咖啡量很少？咖啡量较少？咖啡量很多？咖啡量较多？延时一秒NNNN阈值补偿 T=T+T_NBYYYY阈值补偿 T=T+T_NS阈值补偿 T=T+T_PS阈值补偿 T=T+T_PB图 5 液位信号补偿处理流程图 按 1 秒的采样间隔， 持续不断的采集出咖啡的液位信号， 进而根据咖啡量的不同来给原 阈值 T 加上一个补偿值 T_XX，用新的阈值来进行温度控制，实现了液位自调节，保证了咖 啡量变化时咖啡温度的恒定，避免了咖啡机干烧的可能，提高了其智能化程度。

4.4. 实验结果 实验结果 实验结果表明，在咖啡量不变时，该方案的恒温精度可以达到±1℃通过实验选取一 组最优的补偿值 T_NB，T_NS，T_PS 及 T_PB，即使咖啡量变化，稳定精度仍可达到±2℃， 具有良好的自调节性能 由于滴漏式咖啡机的加热管主要在煮水阶段来加热管中的水， 而它 在保温阶段由于隔着导热板和玻璃材质的咖啡杯， 传递热量的效率相当低， 所以咖啡量变化 时调节时间一般较长，这是仍显不足的地方，有待进一步探讨 5.5. 结语 结语 总而言之，本文所提出的这种智能咖啡机的恒温控制方法是先进、有效的，它解决了传 统滴漏式咖啡机存在的保温问题，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 5参考文献 [1] 侯军刚，孟欣，曹广忠，徐刚. 智能咖啡机的精确恒温方案设计[J].广东自动化与信息工程，2004，25(4): 19～21 [2] John Catsoulis著.徐君明 等译. Designing Embedded Hardware[M]. 北京: 中国电力出版社, 2004 [3] Datasheet for PIC16F87XA. Microchip Technology Inc,2003 Design of Temperature Control System of Smart Coffee Maker Based on PIC16F877A Hou Jungang, Cao Guangzhong, Xu Gang Shenzhen University, Shenzhen, China(518060) Abstract In this paper, a precision temperature control method of a smart coffee maker is presented, which is based on PIC16F877A, a MCU of Microchip Technology Inc. This solution can keep temperature in a set value accurately because of self-tuning towards the coffee liquid level. The control system is proved to be steady and advanced. Key words: Coffer Maker；PIC；Temperature Control；Level Measuring 作者简介：作者简介：侯军刚，男，1979年生，硕士研究生，研究方向为嵌入式智能设备与智能家电。