基于Arduino的膠囊咖啡平臺機設計

成程　蔣嘉程　吳汶鴻　劉琦　郭文仙

摘 要：傳統膠囊咖啡機無法控制并存儲咖啡萃取時的溫度、壓力和流量。因此，該平臺機將Arduino作為核心控制器，采用傳感器技術并搭配了相關的硬件電路，同時使用Processing在電腦上搭建觀測控制界面，使咖啡萃取時的各參數沿設定曲線變化并記錄數據，實現了萃取過程的精確控制與記錄。

關鍵詞：膠囊咖啡；平臺機；Arduino

現在人們對咖啡的消費需求越來越大，與此同時對咖啡的品質也就提出更高的要求，而膠囊咖啡就是在這一背景下應運而生的產物。膠囊咖啡萃取出的咖啡的質量，與萃取時水流的溫度和流量，以及萃取頭內的壓力密切相關[1]。但是現有的咖啡機的參數是在工廠中，憑借經驗參數以及多次反復試驗得出的，不能準確得出咖啡機萃取時的精準參數，且所有參數一經設定在萃取過程中就保持恒定，無法實現參數的動態變化。因此，項目基于Arduino開發板，通過外接NTC溫度傳感器，脈沖式流量計以及模擬量水壓傳感器，讀取鍋爐出水溫度，進水流量和萃取頭內水壓。同時，在電腦上利用Processing搭建了控制觀測界面，能夠實現設定參數變化曲線、讀取參數、繪制曲線以及自動存儲為表格的功能。

1 硬件架構與電路設計

硬件主要組成部分有控制模塊、檢測模塊、繼電器模塊、執行模塊以及上位機模塊。

控制單元的核心是Arduino開發板，將其中的引腳A0接壓力傳感器、引腳A3接NTC溫度傳感器、引腳2接流量傳感器，并設置觸發方式為上升沿信號。此外，將引腳4，5，6分別接水泵、鍋爐和氣泵的按鈕。將引腳11，12，13分別接水泵、鍋爐和氣泵的繼電器控制模塊。單片機通過各引腳接收傳感器的信號，感知按鈕按動情況并且通過繼電器模塊控制大功率器件的開關。

檢測模塊由NTC溫度傳感器、脈沖式流量計、模擬量水壓傳感器以及其相關所需的外接電路組成。

繼電器模塊使用了常開式電磁繼電器，并且使用光耦隔離有效降低了可能存在的電磁干擾。

執行模塊包含鍋爐、氣泵和水泵。鍋爐使用了微型螺旋立式鍋爐，具有加熱速度快，體積小、可控性強的特點。水泵采用的是微型電磁泵，提供壓力大，瞬時啟動能力強，具有自吸功能不會造成倒流現象；氣泵采用的是微型真空泵，具有充氣時間短，氣密性好，持續工作輸出壓力穩定的優點。

上位機模塊，使用USB轉TTL的數據線連接Arduino和電腦。在Arduino向電腦傳輸數據時，使用串口通信的方式傳輸現在執行模塊的工作狀態以及溫度、壓力和流量的大小，并且顯示執行模塊工作狀態和3個參數的曲線。在電腦向Arduino傳輸指令時，同樣使用串口通信的方式，將設定的曲線按時間分段傳輸至Arduino作為控制目標。

2 Arduino程序設計

在Arduino中主要實現狀態檢測、飲品打制和數據收發這3個功能，如圖1所示。

2.1 狀態監測功能

狀態檢測模塊分傳感器數據讀取和按鈕狀態讀取兩部分。傳感器讀取的數據在外部電路轉換成電壓值，被Arduino接收后，在程序中根據不同傳感器的特性進行處理，例如NTC需要進行線性化[2]、脈沖式流量計需要對脈沖數進行計數、模擬量水壓傳感器需要進行濾波。

按鈕狀態是用于測試各設備的工作狀況的，按下按鈕對應的繼電器觸頭應當閉合，使得對應大功率器件能夠獲得工作所需的電壓、電流。平時，平臺機自動運行，根據串口接收到的數據執行操作，將屏蔽按鈕操作，防止異常工況出現。

2.2 飲品打制功能

系統中的飲品打制的流程如圖2所示。

飲品打制中具有幾個關鍵狀態，分別是：預熱狀態、計時允許狀態、打制飲品狀態、吹氣去除殘留液體狀態。設計預熱狀態是因為鍋爐模型的時間常數過大，滯后較長，必須增加預熱狀態來使得曲線的前期吻合度達到要求。在打制飲品的過程中根據流量對打制過程進行分段控制，主要控制對象為鍋爐，控制手段是，根據當前流體的溫度是否高于設定值和余熱升溫之和，如果是就關閉鍋爐的繼電器，等待后續水流混合降溫。在打制完成后，由于萃取頭內的負壓效應，萃取頭附近管道存在有少量殘留液體，不對其進行處理會堵塞管道，影響后續打制飲品品質，因此，加入吹氣過程，通過氣泵吹出殘留的液體。

2.3 數據傳輸功能

數據收發包括數據讀取和數據輸出兩個部分，數據讀取是在Processing平臺上對用戶給定的設定值和打制狀態進行讀取，在Arduino打制飲品之前將相關的數據賦給相關的變量。數據輸出是將打制過程中的傳感器數據和打制過程中的各器件狀態傳輸至上位機的Processing平臺中進行處理。

3 Processing程序設計

在Processing中主要實現環境搭建、用戶設定、數據收發和繪制曲線這4個模塊，如圖3所示。

3.1 環境搭建模塊

環境搭建部分主要包含窗口創建和參變量設定兩部分。窗口創建包括設置窗口大小、設定關閉界面方式和定義坐標參數。坐標參數用以確定背景圖片和按鈕的位置[3]。

3.2 用戶設定模塊

在進入設置模塊后，等待用戶操作，用戶操作分鼠標操作和鍵盤操作，鼠標操作用以確定所需的曲線形狀，鍵盤操作用以確定打制狀態。在用戶操作完成后，按照一定的規則將數據拆分，添加標志進行串口通信，將數據送至Arduino。

3.3 數據收發模塊

數據收發模塊包括數據讀取和數據輸出兩個部分，數據讀取是指讀取串口數據，按照之前設置的標志符號將數據進行分割。數據輸出是將交互界面設置中給定的設定值和打制狀態，加以標志符號傳輸至Arduino。

3.4 繪制曲線模塊

繪制曲線部分模塊的流程圖如圖4所示。

繪制曲線的數據來自Arduino通過串口通信，并經由分割處理后得到。繪制曲線以時間為橫軸，分別以紅、黃、藍代表壓力、溫度和流量。在監測窗口3條曲線顯示在同一張圖中，可以點擊對應按鈕具體觀察某一具體參數曲線。在繪制曲線完成后，會自動創建表格文件，將繪圖數據寫入文件之中。

4 系統調試與實物展示

總體硬件完成如圖5所示。

Processing軟件運行示意如圖6所示。

5 結語

本系統針對解決傳統咖啡機萃取過程中影響咖啡口感的關鍵參數難以讀取存儲的問題，使用Arduino作為硬件控制核心，輔以基于Processing搭建的上位機平臺，實現了溫度、壓力和流量3個參數的數據的存儲和可視化，并且使得3個參數能夠較好地跟隨設定曲線變化。這一系統極大提高了膠囊咖啡口味參數設定的科學性和準確性，對咖啡機產業有較大價值。

[參考文獻]

[1]文志華，畢曉菲，魯維艷.中國咖啡消費趨勢淺談[J].農產品加工，2018（2）：69-70.

[2]馮巖.NTC熱敏電阻應用于溫度檢測中的誤差線性化研究[J].黑龍江科技信息，2016（14）：69.

[3]郭譚娜，王寧.交互式圖形編程語言Processing應用淺析[J].無線互聯科技，2013（5）：107.