CN108415482B - 一种基于咖啡机控温自学习算法的控温方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于咖啡机控温自学习算法的控温方法、系统及装置，自学习算法为：当咖啡机接上电源后，测量咖啡机的整机待机和工作时间；当咖啡机处于整机待机时，电热盘上的温度传感器检测电热盘的实时温度；当根据判断出环境温度为缓慢上升时，将所测得的电热盘的实时温度作为环境温度；当根据判断出环境温度为逐步下降，需继续判断，根据判断结果，将所测得的电热盘的实时温度作为环境温度；根据环境温度，计算咖啡机的恒定加热功率，使得出水水温达到所需温度。本发明提供的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法，采用电热盘上的温度传感器检测到水箱中的水的温度，结合比热容公式、咖啡机的流量规格，计算咖啡机的恒定加热功率，使得出水水温达到所需温度。

Description

一种基于咖啡机控温自学习算法的控温方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及咖啡机控制领域，特别涉及一种基于咖啡机控温自学习算法的控温方法 、系统及装置。

背景技术

随着大家的消费水平越来越高，咖啡机也逐渐走进大家的生活，一杯极致口感的咖啡除了需要上等的咖啡粉，水温也会直接影响咖啡的口感，合适且恒定的温度可以萃取出咖啡的精华，从而从香味、酸度、醇度上来保证咖啡的口感。

目前高端咖啡机一般采用双NTC进行温度检测，进水端放置一个NTC 判断进水温度，电热盘端放置一个实际控温的NTC，利用流量计进行流量监控，并且配合进水和出水口的温度差进行加热功率的计算，水流时间与加热时间相等，使得出水时间达到所需要的温度。这种控温方式，需要额外增加一路进水NTC组件，而且需要预埋至进水管道中，不仅成本高昂，结构设计难度和防漏水的加工难度都直线上升。另一方面，在出咖啡过程中，特别是小杯量时，出水时间仅有20S左右，因为进水NTC本身的滞后性和导热的滞后(一般达到8-15S的滞后)，进水NTC在实际控温过程中的参考价值并不大。

咖啡机一般处于长期插电状态，目前欧盟要求开机30分钟后消费者不按按键，需要默认进入关机状态，所以消费者一般不会主动去关闭咖啡机电源，这就意味着PCBA一直处于有电状态。

咖啡机基本都是室内使用，环境温度变化慢，而且温差非常小。虽然室内一年的温度范围大多在0-40℃之间，但是每天的温度变化就只有7-8℃。咖啡机的水箱水量一般可以出十几杯的咖啡，所以并不需要经常加水，就算换水，自来水水温与环境温度相差也只有3-5℃，且放置一段时间后，水箱温度也会缓慢变化至环境温度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于咖啡机控温自学习算法的控温方法 ，采用可控硅触发电路导通使加热装置工作，包括如下步骤：

S110：当咖啡机接上电源后，测量咖啡机的整机待机和工作时间；

S120：当咖啡机处于整机待机时，电热盘上的温度传感器检测电热盘的实时温度；

S130：判断咖啡机待机持续时间达到指定值、电热盘的实时温度所处的范围和温度变化斜率；

S131：当根据S130判断出环境温度为缓慢上升时，将所测得的电热盘的实时温度作为环境温度；

S132：当根据S130判断出环境温度为逐步下降，需继续判断咖啡机距离上一次关机的时间达到指定值、电热盘的实时温度所处的范围和温度下降斜率，根据判断结果，将所测得的电热盘的实时温度作为环境温度；

S140：根据S131或者S132所测得的环境温度，结合比热容公式、咖啡机的流量规格，计算咖啡机的恒定加热功率，使得出水水温达到所需温度。

进一步地，环境温度为缓慢上升的判断方法为S130需要满足30分钟内并未开机进行过加热、电热盘的实时温度在0-40℃之间和温度上升斜率小于 2℃/h。

进一步地，环境温度为逐步下降的判断方法为S132需要满足咖啡机距离上一次关机的时间超过2h以上、电热盘的实时温度在0-40℃之间和温度下降斜率小于2℃/h。

进一步地，在咖啡机接上电源后，持续判断水箱的余水状态；当水箱中的水从无水状态变化到有水状态，则将所测得的环境温度降低3℃作为水箱中水的温度。

进一步地，待煮完咖啡后，将电热盘的温度与出咖啡前电热盘的温度进行对比：

若电热盘的温度高于出咖啡前电热盘的温度，需要降低加热功率；

若电热盘的温度低于出咖啡前电热盘的温度，需要增加加热功率。

进一步地，增加加热功率的调节方法为：将电热盘加热功率乘以一个大于1的补偿系数；

降低加热功率的调节方法为：将电热盘加热功率乘以一个小于1的补偿系数。

进一步地，增加加热功率的调节方法为：将电热盘加热功率乘以1.01～ 1.02；

降低加热功率的调节方法为：将电热盘加热功率乘以0.98～0.99。

进一步地，所述温度传感器为NTC温度传感器。

本发明还提供一种咖啡机控温自学习系统，采用如上任一项所述的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法 ，包括以下模块：

时间检测模块，用于测量咖啡机的整机待机和工作时间；

温度检测模块，用于测量电热盘的实时温度；

判断模块，用于根据时间检测模块检测到的信息及温度检测模块检测到的信息，判断周围环境温度的变化趋势，确定水箱中水的温度；

控制系统模块，用于根据判断模块所获得的水箱中水的温度计算咖啡机电热盘的加热功率，使得出水水温达到所需温度。

本发明还提供一种咖啡机控温自学习装置，采用如上任一项所述的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法 ，包括以下装置：

时间检测装置，用于测量咖啡机的整机待机和工作时间；

温度检测装置，用于测量电热盘的实时温度；

判断装置，用于根据时间检测模块检测到的信息及温度检测模块检测到的信息，判断周围环境温度的变化趋势，确定水箱中水的温度；

控制系统装置，用于根据判断模块所获得的水箱中水的温度计算咖啡机电热盘的加热功率，使得出水水温达到所需温度。

本发明提供的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法 ，通过设计算法，采用电热盘上的温度传感器检测到水箱中的水的温度，结合比热容公式、咖啡机的流量规格，计算咖啡机的恒定加热功率，使得出水水温达到所需温度。本发明提供的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法 在不增加进水温度传感器组件的情况下，达到预先判断水箱中的水温的方法，在配合恒功率的精确加热控制，使出水温度恒定，每次煮完咖啡进行电热盘温度的判断，然后不断修正补偿系数达到温度越来越恒定的目标，直接节约硬件成本和降低结构设计难度和生产工艺难度。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于咖啡机控温自学习算法的控温方法 ，采用可控硅触发电路导通使加热装置工作，包括如下步骤：

S110：当咖啡机接上电源后，测量咖啡机的整机待机和工作时间；

利用可控硅替代继电器或者恒温器进行加热控制，理论上无触点寿命问题，而且控制精度理论可以做的非常高，如果按照100个完整的正弦波为一个控制周期进行功率控制，在不切波的情况下，就可以依照0.5％的控制精度进行功率切换，更精细的控制精度可以有效控制加热功率，水温变化也更平缓；

咖啡机接上电源后，PCBA开始对整机待机和工作时间的计时，并同时开始对电热盘中的NTC进行实时采样，在未开机的状态下，单片机每5分钟记录一次检测点的实时温度。只要整机一直处于待机状态不加热，就一直进行温度检测和更新。并且实时计算连续12次的温度变化趋势。一旦开机进入加热状态，就停止环境温度的学习，因为进入加热状态，NTC的温度就会受加热影响，无法真实反应环境温度；

S120：当咖啡机处于整机待机时，电热盘上的温度传感器检测电热盘的实时温度；

S130：判断咖啡机待机持续时间达到指定值、电热盘的实时温度所处的范围和温度变化斜率；

S131：当根据S130判断出环境温度为缓慢上升时，将所测得的电热盘的实时温度作为环境温度；

利用温度变化趋势进行环境温度的判断，变化趋势如果是逐步上升，而且30分钟内并未开机进行过加热，温度范围在0-40℃以内，并且温度上升斜率在1H内小于2℃，以上三个条件同时满足时，就说明是环境温度缓慢在上升，默认当前温度就是水箱中水的温度。因为如果是刚加热过，但是突然整机掉电了，重新上电后，因为电热盘的热惯性，会导致温度的上升，但是此上升斜率肯定会大于1小时内2℃，通常温度范围也超过40℃，所以需要增加三个条件进行有效限定；

S132：当根据S130判断出环境温度为逐步下降，需继续判断咖啡机距离上一次关机的时间达到指定值、电热盘的实时温度所处的范围和温度下降斜率，根据判断结果，将所测得的电热盘的实时温度作为环境温度；

如果变化趋势是逐步下降，需要进行以下三个条件的判断：温度下降斜率的判断，温度范围的判断，关机时间的判断：

关机时间的判断：关机时间超过2H以上，才可以进行环境温度的自学习。因为电热盘加热后，关机初始时，因为电热盘温度高，所以散热快，温度下降很快，但是越到后面，与环境温度差值越小时，温度变化越慢，所以关机时间超过2H以上，才认为，电热盘的温度基本接近环境温度；

温度范围的判断：只有环境温度满足0-40℃时，才是合理的咖啡机环境温度，低于0℃时，说明水箱中的水有可能已结冰，水泵此时打开有烧毁的危险，如果温度超过40℃，说明咖啡机未完全降温；

温度下降斜率小于1小时内2℃的判断：有可能刚煮完咖啡就断电了，重新上电后，电热盘的温度还在缓慢下降中，此时进行温度的学习时，一定要通过温度下降斜率进行识别，而且越靠近环境温度，电热盘的散热就越慢，所以斜率小于1小时2℃时，可以认为是环境温度；

S140：根据S131或者S132所测得的环境温度，结合比热容公式、咖啡机的流量规格，计算咖啡机的恒定加热功率，使得出水水温达到所需温度；

具体实施时，利用以下公式推算出在出咖啡过程中的理论加热功率，然后进行恒定功率的加热控制，比热容公式Q＝CM(△T)，通常水泵工作10S左右可以达到25mL流量的咖啡，如果按室温25℃的水温加热到90℃时，所需要的热量为Q＝4.2*10^3J/(kg.℃)*25*10^-3kg*(90-25)℃＝6825J。工作10S，理论需要的加热功率为682.5W。当电热盘功率为1050W时，理论需要消耗65％比例的功率，程序控制按照65％进行恒定加热。因为比热容是固定的，水泵的流量在单台整机工作时也是相对固定的，基于比热容的计算公式可知， 1℃的温差对应1％的加热功率；

通常双NTC控温基于以上公式进行控温就完成了，但是不同的水泵个体会带来不同的进水量，而且到咖啡机的寿命后期，水泵流量因为橡胶的老化，流量也会逐渐变化，而不同的进水量却需要适用不同的加热功率，所以双NTC 控温方式整机生产时就需要严格管控整机的水泵流量。

优选地，环境温度为缓慢上升的判断方法为S130需要满足30分钟内并未开机进行过加热、电热盘的实时温度在0-40℃之间和温度上升斜率小于2℃ /h。

优选地，环境温度为逐步下降的判断方法为S132需要满足咖啡机距离上一次关机的时间超过2h以上、电热盘的实时温度在0-40℃之间和温度下降斜率小于2℃/h。

优选地，在咖啡机接上电源后，持续判断水箱的余水状态；当水箱中的水从无水状态变化到有水状态，则将所测得的环境温度降低3℃作为水箱中水的温度。

具体实施时，程序一直进行水箱移开的判断，一旦进入无水状态并恢复时(有可能水箱移开也有可能是真的无水)，水箱移开就意味着有可能重新加水，此时温度默认为比环境温度下降3℃进行控制。因为使用者更大的可能是添加自来水，自来水的温度比环境温度会略低一点。

优选地，待煮完咖啡后，将电热盘的温度与出咖啡前电热盘的温度进行对比：若电热盘的温度高于出咖啡前电热盘的温度，需要降低加热功率；若电热盘的温度低于出咖啡前电热盘的温度，需要增加加热功率。

优选地，增加加热功率的调节方法为：将电热盘加热功率乘以一个大于1 的补偿系数；降低加热功率的调节方法为：将电热盘加热功率乘以一个小于1 的补偿系数。

优选地，增加加热功率的调节方法为：将电热盘加热功率乘以1.01～ 1.02；降低加热功率的调节方法为：将电热盘加热功率乘以0.98～0.99。

优选地，所述温度传感器为NTC温度传感器。

具体实施时，咖啡机整机所对应的水泵流量个体间是有明显差别的，但是同一个水泵流量是非常固定的，对应因为寿命老化带来的流量变化也是逐渐变化的。所以基于以上原因就需要调整加热功率，具体如下：

待煮完咖啡后，水泵停止的时候，电热盘马上停止加热，此时利用NTC 温度传感器对电热盘的温度做判断，判断比出咖啡前的温度高还是低，如果是高了，说明加热功率偏大，需要调整降低加热功率的系数(意味着流量比预期的要小)；如果是低了，说明加热功率偏小(意味着流量比预期的要大)，需要增加加热功率的补偿系数。

例如：NTC温度传感器对电热盘的温度做判断，判断出电热盘的温度低于出咖啡前的温度，则功率补偿系数K按照1.01进行步进补偿，意味着下一杯咖啡的加热功率公式则变为Q＝KCM*(△T)，K＝1.01；如果下下杯的电热盘温度也偏低，则K＝1.01*1.01＝1.02；而如果电热盘功率偏高，则进行功率补偿系数的递减。

为了防止出现未学习完成便进入煮咖啡状态，或者首次上电便煮咖啡，在恒定功率加热的前提下，会设置高温和低温保护值，当煮咖啡过程中，触发保护机制，会进行温度的及时补偿，可以一定程序上弥补此杯温度的差异。

本发明提供的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法 ，通过设计算法，采用电热盘上的温度传感器检测到水箱中的水的温度，结合比热容公式、咖啡机的流量规格，计算咖啡机的恒定加热功率，使得出水水温达到所需温度。本发明提供的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法 在不增加进水温度传感器组件的情况下，达到预先判断水箱中的水温的方法，在配合恒功率的精确加热控制，使出水温度恒定，每次煮完咖啡进行电热盘温度的判断，然后不断修正补偿系数达到温度越来越恒定的目标，直接节约硬件成本和降低结构设计难度和生产工艺难度。

本发明实施例还提供一种咖啡机控温自学习系统，采用如上任一项所述的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法 ，包括以下模块：

时间检测模块，用于测量咖啡机的整机待机和工作时间；

温度检测模块，用于测量电热盘的实时温度；

判断模块，用于根据时间检测模块检测到的信息及温度检测模块检测到的信息，判断周围环境温度的变化趋势，确定水箱中水的温度；

控制系统模块，用于根据判断模块所获得的水箱中水的温度计算咖啡机电热盘的加热功率，使得出水水温达到所需温度。

本发明实施例还提供一种咖啡机控温自学习装置，采用如上任一项所述的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法 ，包括以下装置：

时间检测装置，用于测量咖啡机的整机待机和工作时间；

温度检测装置，用于测量电热盘的实时温度；

判断装置，用于根据时间检测模块检测到的信息及温度检测模块检测到的信息，判断周围环境温度的变化趋势，确定水箱中水的温度；

控制系统装置，用于根据判断模块所获得的水箱中水的温度计算咖啡机电热盘的加热功率，使得出水水温达到所需温度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于咖啡机控温自学习算法的控温方法，采用可控硅触发电路导通使加热装置工作，其特征在于，包括如下步骤：

S110：当咖啡机接上电源后，测量咖啡机的整机待机和工作时间；

S120：当咖啡机处于整机待机时，电热盘上的温度传感器检测电热盘的实时温度；

S130：判断咖啡机待机持续时间达到指定值、电热盘的实时温度所处的范围和温度变化斜率；

S131：当根据S130判断出环境温度为缓慢上升时，将所测得的电热盘的实时温度作为环境温度；

S132：当根据S130判断出环境温度为逐步下降，需继续判断咖啡机距离上一次关机的时间达到指定值、电热盘的实时温度所处的范围和温度下降斜率，根据判断结果，将所测得的电热盘的实时温度作为环境温度；

S140：根据S131或者S132所测得的环境温度，结合比热容公式、咖啡机的流量规格，计算咖啡机的恒定加热功率，使得出水水温达到所需温度。

2.根据权利要求1所述的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法，其特征在于：环境温度为缓慢上升的判断方法为S130需要满足30分钟内并未开机进行过加热、电热盘的实时温度在0-40℃之间和温度上升斜率小于2℃/h。

3.根据权利要求1所述的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法，其特征在于：环境温度为逐步下降的判断方法为S132需要满足咖啡机距离上一次关机的时间超过2h以上、电热盘的实时温度在0-40℃之间和温度下降斜率小于2℃/h。

4.根据权利要求1所述的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法，其特征在于：在咖啡机接上电源后，持续判断水箱的余水状态；当水箱中的水从无水状态变化到有水状态，则将所测得的环境温度降低3℃作为水箱中水的温度。

5.根据权利要求1所述的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法，其特征在于：待煮完咖啡后，将电热盘的温度与出咖啡前电热盘的温度进行对比：

若电热盘的温度高于出咖啡前电热盘的温度，需要降低加热功率；

若电热盘的温度低于出咖啡前电热盘的温度，需要增加加热功率。

6.根据权利要求5所述的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法，其特征在于：

增加加热功率的调节方法为：将电热盘加热功率乘以一个大于1的补偿系数；

降低加热功率的调节方法为：将电热盘加热功率乘以一个小于1的补偿系数。

7.根据权利要求6所述的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法，其特征在于：

增加加热功率的调节方法为：将电热盘加热功率乘以1.01～1.02；

降低加热功率的调节方法为：将电热盘加热功率乘以0.98～0.99。

8.根据权利要求1～7任一项所述的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法，其特征在于：所述温度传感器为NTC温度传感器。

9.一种咖啡机控温自学习系统，其特征在于：采用如权利要求1～8任一项所述的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法，包括以下模块：

时间检测模块，用于测量咖啡机的整机待机和工作时间；

温度检测模块，用于测量电热盘的实时温度；

判断模块，用于根据时间检测模块检测到的信息及温度检测模块检测到的信息，判断周围环境温度的变化趋势，确定水箱中水的温度；

控制系统模块，用于根据判断模块所获得的水箱中水的温度计算咖啡机电热盘的加热功率，使得出水水温达到所需温度。

10.一种咖啡机控温自学习装置，其特征在于：采用如权利要求1～8任一项所述的基于咖啡机控温自学习算法的控温方法，包括以下装置：

时间检测装置，用于测量咖啡机的整机待机和工作时间；

温度检测装置，用于测量电热盘的实时温度；

判断装置，用于根据时间检测模块检测到的信息及温度检测模块检测到的信息，判断周围环境温度的变化趋势，确定水箱中水的温度；

控制系统装置，用于根据判断模块所获得的水箱中水的温度计算咖啡机电热盘的加热功率，使得出水水温达到所需温度。