如今，隨著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”也變得愈加流行。釀製一杯完美的咖啡，需要藉助專門的咖啡機來完成。咖啡機用10個左右的大氣壓力，迫使90℃左右的熱水穿過10克左右經過擠壓的咖啡粉，汲取咖啡粉中的咖啡脂等芳香物質，並與熱水達到充分溶合後流入杯中，整個過程需要在18-28秒內完成，以便有效地避免過分提取所造成的不良味道。顯然，製作一杯高品質的咖啡，咖啡機起著決定性的作用。
本文將介紹基於上海航芯ACM32F070的咖啡機設計方案。
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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型別：半自動和全自動。
圖1。 咖啡機分類圖
半自動咖啡機主要特點
：由人工操作磨粉、壓粉、裝粉、沖泡、清除殘渣等，機器結構簡單、容易維護、使用方便。其缺點是：對操作者要求高，操作者要經過嚴格的培訓才能使用這種機器製作出高品質的咖啡，且工作效率較低。
全自動咖啡機主要特點
：實現了磨粉、壓粉、裝粉、沖泡、清除殘渣等釀製咖啡全過程的自動控制，使用更加方便、快捷、品質一致、高效率，對操作者要求不高，無需培訓。其缺點為：結構比較複雜，需要良好保養，維護費用較高。但由於其優點突出，使得它越來越被眾多客戶所喜愛。
本次介紹的咖啡機設計方案是一個全自動咖啡機，可以按照最科學的資料和程式來釀製咖啡，而且設有完善的保護系統，使用起來簡單方便，只需輕輕一按就可以得到咖啡。使用者可以設定水溫、咖啡碾磨粗細度，能夠自動碾磨咖啡豆；使用者還可以根據需要選擇製作單杯或者同時製作雙杯咖啡，同時還提供大杯、中杯、小杯三種選擇。除了製作咖啡以外，本咖啡機還能製作熱水和蒸汽。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，製造出芳香的奶沫。可以為使用者提供多樣化的、輕鬆快捷的服務。
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晶片特性
ACM32F0X0 系列是一款支援多種低功耗模式的通用MCU。整合16路Touch觸控按鍵、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，內建高效能定時器TIMER、多路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的通訊外設，內建AES、TRNG、CRC32等資訊保安模組，支援多種低功耗模式，具有高整合度、高抗干擾、高可靠性等特點。本產品採用高效能核心，最高工作頻率64MHz。
圖2。 ACM32F0X0資源圖
觸控按鍵TKEY
ACM32F0X0晶片內部整合自電容式觸控控制感測器。自電容式觸控控制感測器透過檢測電容的變化來檢測手指是否觸及觸控表面。透過調整檢測到的電容變化量來調整觸控的靈敏度。
• 高度整合，最大支援16路觸控按鍵TKEY；
• 自電容檢測範圍5~50pf，靈敏度0。1pf；
• 支援通道補償；
• 最大支援10mm的觸控面板厚度；
• 支援低功耗睡眠模式，Stop模式下最低功耗17uA；
• 支援分別設定工作模式和睡眠模式靈敏度、掃描速度；
• 支援主動遮蔽Cshield通道，用於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，在其它導體接近觸控電極時，增加TKEY穩定性；
• 支援濾波防抖機制，可以減少誤觸，以及避免一些靜電帶來的干擾；
• 支援自適應和自校準機制，降低環境變數的干擾；
• 模擬顧客使用環境，進行了長時間反覆測試來確保產品的可靠性，測試方法如下：
① 潮溼環境測試：用水蒸氣噴到觸控面板上，使面板結滿露水，這時無誤觸和反應遲鈍的現象；
② 濺水和水淹試驗：對觸控面板快速噴水，直到面板上形成水窪，並且將幾個不同的觸控感應電極淹到一個水窪裡，這時無誤觸、反應遲鈍和按A鍵時同一個水窪裡的B鍵觸發，即按鍵指東打西現象；
③ 高低溫測試：-40℃~85℃高低溫測試，這時無誤觸、反應遲鈍、宕機的現象；
④ 電磁干擾測試：使用無線對講機作為射頻干擾源，在觸控面板20cm左右進行呼叫和對講，無誤觸、反應遲鈍、宕機現象；
⑤ 電源干擾測試：在電網上形成強烈的600~800V的高壓脈衝群，這時沒有誤觸現象；
⑥ 長時間連續工作測試：樣機經過6個月不斷電長時間工作測試，按鍵工作正常，無反應遲鈍、宕機等現象。
液晶控制器LCD
ACM32F0X0晶片內部整合一款適用於單色無源液晶顯示器（LCD）的數字控制器/驅動器，最多具有8個公用端子（COM）和40個區段端子（SEG），用以驅動160（4*40）或288（3*36）個LCD元素。
• 高度靈活的幀速率控制；
• 支援靜態、1/2、1/3、1/4、1/6和1/8佔空比，支援1/2、1/3、1/4偏置；
• 多達16個暫存器的LCD資料RAM；
• 可透過軟體配置LCD的對比度，支援LCD閃爍功能，且可配置多種閃爍頻率；
• 支援A類、B類波形，2種驅動波形生成方式：
① 內部電阻分壓、外部電阻分壓；
② 可選的濾波電容；
③ 可透過軟體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；
• 支援低功耗模式：LCD控制器可在Active、Sleep、Stop模式下進行顯示。
運算放大器OPAMP
ACM32F0X0包含三個獨立配置的運算放大器，每個運算放大器有兩個輸入和一個輸出，三個I/O可以連線到外部引腳。運算放大器可以在內部配置位一個跟隨器，或者是一個可程式設計增益的放大器。
• 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
用於比較兩個輸入模擬電壓的大小，並根據比較結果輸出高低電平。
• 比較器輸出可作為定時器的剎車輸入或捕獲輸入；
• 提供軟體可配置的濾波時間以增強晶片的抗干擾能力；
• 比較器輸出可透過定時器切斷。
12位1.6Msps高精度ADC
支援單端訊號轉換和差分訊號轉換，多達21個通道，支援最大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。
高效能定時器TIMER
ACM32F0X0晶片內建高階定時器，由一個16位自動裝載計數器組成，由一個16位可程式設計（可以實時修改）的預分頻器驅動。高階定時器和通用定時器是完全獨立的，它們不共享任何資源，但它們可以同步操作。
• 多達4個獨立通道（輸入捕獲、輸出比較、PWM生成、單脈衝模式輸出）；可測量輸入訊號的脈衝寬度（輸入捕獲），可產生輸出波形（輸出比較、PWM、嵌入式死區時間互補PWM等）
• 支援針對定位的增量（正交）編碼器和霍爾感測器電路；
• 支援三相PWM、死區保護、剎車控制；
• 支援有感、無感、FOC控制演算法；
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設計方案
本文描述的咖啡機方案，基於上海航芯ACM32F070系列的MCU進行設計，整體的方案框圖如下所示：
圖3。 基於ACM32F070咖啡機設計方案框圖
軟體資源（觸控按鍵部分）下載連結如下：
https：//gitee。com/acm32-mcu/ACM32F0X0-Coffee-TKey-Demo
https：//github。com/ACM32-MCU/ACM32F0X0-Coffee-TKey-Demo
數碼智慧控制
本文論述的設計方案中的人機互動功能是採用LCD、LED、觸控按鍵的方式進行實現。共有1個段碼LCD屏、9個按鍵和10個LED。按鍵需實現裝置的開關機、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定、咖啡濃淡口味設定、溫度設定、童鎖功能。裝置會根據按鍵指示判定當前所需要執行的操作。10個LED中有9個用於按鍵指示，表示當前正在執行的操作動作；另外1個LED用於報警指示，主要是裝置自檢時，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屏用於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：預設待機模式，點選按鍵開機，指示燈亮，LCD屏顯示；開機狀態下長按該鍵5S可以進入藍芽配對模式。待機時，指示燈滅，LCD滅。
2）童鎖功能：預設啟用童鎖功能，當童鎖功能啟用時，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致發生危險。童鎖功能開啟時，該按鍵指示燈亮紅色；關閉時，指示燈不亮。
3）大中小杯選擇：咖啡量選擇包括大、中、小杯。第一次點選顯示當前選擇，此時該按鍵指示燈亮，再次點選可以切換選擇，每點選一下，指示燈會閃爍一下，同時LCD會全程顯示當前選擇項。帶記憶功能，只需設定一次。
4）杯量控制：可選擇製作一杯咖啡，還是同時製作兩杯咖啡。第一次點選顯示當前選擇，此時該按鍵指示燈亮，再次點選可以切換選擇，每點選一下，指示燈會閃爍一下，同時LCD會全程顯示當前選擇項。帶記憶功能，只需設定一次。
5）咖啡豆研磨粗細度設定：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。第一次點選顯示當前選擇，此時該按鍵指示燈亮，再次點選可以切換選擇，每點選一下，指示燈會閃爍一下，同時LCD會全程顯示當前選擇項。帶記憶功能，只需設定一次。
6）咖啡濃淡口味設定：咖啡豆用量調節，咖啡豆使用越多，咖啡越濃。第一次點選顯示當前選擇，此時該按鍵指示燈亮，再次點選可以切換選擇，每點選一下，指示燈會閃爍一下，同時LCD會全程顯示當前選擇項。帶記憶功能，只需設定一次。
7）溫度設定：4檔可調節咖啡溫度。第一次點選顯示當前選擇，此時該按鍵指示燈亮，再次點選可以切換選擇，每點選一下，指示燈會閃爍一下，同時LCD會全程顯示當前選擇項。帶記憶功能，只需設定一次。
8）蒸氣模式選擇：當選擇蒸氣模式時，會開始加熱直至達到設定值，在此過程中該按鍵指示燈閃爍，達到設定值時指示燈常亮。
9）咖啡模式選擇：程式預設為咖啡模式，點選開始製作咖啡，在出咖啡時，使用者可以透過點選該按鍵在任意時刻停止咖啡流出。
手機智慧控制
可透過BLE藍芽連線手機，支援手機一鍵啟動；可透過手機設定大中小杯、咖啡豆研磨程度、口味、溫度等引數；還支援一鍵預約，咖啡機會根據設定，製作咖啡，製作好後，咖啡機進入等待出咖啡狀態，並通知手機。
咖啡機控制器（MCU）的功能
1）實現咖啡機初始化
咖啡機連線電源上電，點選待機鍵開機，MCU會控制整個咖啡機系統進行系統安全檢測、多位行程開關常態檢測、水箱水量、咖啡豆量檢測、排空殘渣等一系列初始化，為製作咖啡或蒸汽做好必要的準備。初始化過程中，如果上述任何一項出現問題，MCU立馬發出報警訊號，使報警指示燈閃爍，蜂鳴器鳴叫，只有在排除報警後，方可進行其他操作。
2）製作咖啡
在咖啡機完成初始化後，系統預設進入咖啡模式，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，可以點選溫度設定按鍵，調節溫度，溫度感測器實時檢測水溫，達到設定值時，咖啡機轉入保溫狀態，咖啡指示燈轉為常亮狀態，泡咖啡準備就緒。
MCU可以控制製作咖啡單、雙杯且容量可調，第一次點選一杯兩杯按鍵，顯示當前選擇，再次點選可以切換選擇，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，在製作兩杯咖啡過程中，無法切換成單杯。透過大中小選擇鍵可以選擇咖啡的製作量，一般為大、中、小杯。MCU透過控制水泵的運作，達到對水量的控制。
研磨咖啡粉電機的控制，保證咖啡粉製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，最遲在2秒後，MCU控制電機停止運轉。
在咖啡製作時，MCU透過控制電機移動核心部件，將裝有咖啡粉不好對齊出水口；在泡完咖啡後再復位，同時將咖啡豆殘渣倒入殘渣盒。
在出咖啡時，使用者可透過按咖啡模式鍵在任意時刻停止咖啡流出。
3）製作蒸氣
在預設咖啡模式下，按下蒸氣模式鍵，MCU會控制加熱器加熱，水溫繼續升高至產生蒸氣為止，後續會保持該溫度。期間蒸氣指示燈由閃爍轉為常亮狀態。同時MCU還要控制對蒸氣氣壓的檢測，必須保證氣壓在規定範圍內，保證安全。
在蒸氣模式下，按下咖啡模式鍵，系統會切換成咖啡模式。此時會產生報警，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。因為製作蒸氣的溫度高於製作咖啡的溫度，所以需要降溫。降溫過程中，MCU會透過溫度感測器實時檢測水溫，當達到製作咖啡要求時。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，此時表明咖啡製作準備就緒。
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END
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本文提出的設計方案主旨是將咖啡機智慧化、平民化、提高工作效率、節約時間、解放雙手。在提高人們生活的舒適度、便利度的同時，也能達到進一步保證人們生活品質的目的。
