CN109730537A - 一种可调参数胶囊咖啡调味系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调参数胶囊咖啡调味系统及方法，涉及食品加工领域，包括加热系统、供水系统、冲泡系统和控制通信系统；加热系统包括温度传感器、锅炉、锅炉继电器；温度传感器设置在锅炉上；锅炉继电器对锅炉工作进行控制；供水系统包括水泵、流量传感器、水泵继电器；流量传感器设置在水泵和锅炉之间；水泵继电器对水泵工作进行控制；冲泡系统包括气泵、压力传感器、气泵继电器；气泵继电器对气泵工作进行控制；控制通信系统包括控制器、上位机。通过计算机调味方法和配套咖啡机硬件系统，实现咖啡机冲泡水温、水量、水压读取、工作数据可视化、工作数据保存以及水温调节、水量调节、水压调节。

Description

一种可调参数胶囊咖啡调味系统及方法

技术领域

本发明涉及食品加工领域，尤其是一种可调参数胶囊咖啡调味系统及方法。

背景技术

随着生活水平的提高，咖啡逐渐走进了大众的生活，国内咖啡机的需求量也逐渐增大。由于咖啡豆、咖啡机具有难以保鲜等特点，使用其萃取得到的咖啡的风味难以保证，而胶囊咖啡可以解决这个问题，使得整个咖啡冲泡过程更为便捷，咖啡口味更佳，更容易为大众所接受，因此胶囊咖啡机具有具有的市场潜力。

目前的胶囊咖啡机在确定较好的咖啡风味冲泡条件时，无法定量衡量与记录当前冲泡条件，无法读取显示内部水温、水压和流量，更无法对咖啡的冲泡参数进行调整。

发明内容

本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种可调参数胶囊咖啡调味系统及方法。

本发明的技术方案如下：

第一方面，一种可调参数胶囊咖啡调味系统，包括：加热系统、供水系统、冲泡系统和控制通信系统；

所述加热系统包括温度传感器、锅炉、锅炉继电器；所述温度传感器设置在所述锅炉上，所述锅炉连接到咖啡机的萃取头；所述锅炉继电器根据所述控制通信系统的控制指令对锅炉的工作进行控制；

所述供水系统包括水泵、流量传感器、水泵继电器；所述流量传感器设置在所述水泵和所述锅炉之间；所述水泵的一端与水管连接口相连，另一端与流量传感器相连；所述水泵继电器根据所述控制通信系统的控制指令对水泵的工作进行控制；

所述冲泡系统包括气泵、压力传感器、气泵继电器；所述气泵连接到咖啡机的萃取头；所述压力传感器连接至咖啡机的萃取头；所述气泵继电器根据所述控制通信系统的控制指令对气泵的工作进行控制；

所述控制通信系统包括控制器、上位机；所述控制器根据所述上位机的控制要求生成对应的控制指令。

其进一步的技术方案为：所述咖啡机还包括控制按键，所述控制器根据所述控制按键的触发请求生成对应的控制指令。

其进一步的技术方案为：所述控制器为单片机。

其进一步的技术方案为：所述控制器的第一模拟输入接口与所述压力传感器相连，所述控制器的第二模拟输入接口与所述温度传感器相连，所述控制器的第一数字接口与所述流量传感器相连，所述控制器的第二数字接口与所述水泵的控制按键相连，所述控制器的第三数字接口与所述锅炉的控制按键相连，所述控制器的第四数字接口与所述气泵的控制按键相连；所述控制器的第五数字接口与所述水泵继电器相连；所述控制器的第六数字接口与所述锅炉继电器相连；所述控制器的第七数字接口与所述气泵继电器相连。

第二方面，一种可调参数胶囊咖啡调味方法，应用于如第一方面所述的可调参数胶囊咖啡调味系统的控制器中，所述方法包括：

定义输入输出端口，将传感器连接端口作为输入端口，将继电器连接端口作为输出端口；

根据选定传感器的参数计算所测得的温度、水量和气压值；

达到设定时间时，向上位机发送测得的温度、水量和气压值；

读取上位机发送的工作模式控制信号，将传感器输入数值与当前工作模式下的设定值进行比较，实现闭环控制。

其进一步的技术方案为：应用于如第一方面所述的可调参数胶囊咖啡调味系统的上位机中，所述方法还包括：

创建并初始化存储时间、温度、水量、气压的变量，存储已记录的温度、水量、气压纵坐标值的数组；

读取工作时间以及控制器发送至上位机的数据并存储；

以时间为横轴，温度、水量、气压值为纵轴，绘制数据曲线图；

通过串口发送工作模式控制信号，改变温度、水量和气压的设定值。

本发明的有益技术效果是：

通过计算机调味方法和配套咖啡机硬件系统，实现咖啡机冲泡水温、水量、水压读取、工作数据可视化、工作数据保存以及水温调节、水量调节、水压调节，从而使整个咖啡的冲泡过程更为便捷可控。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的一种可调参数胶囊咖啡调味系统的示意图。

图2是本发明一个实施例提供的咖啡机的主视图。

图3是本发明一个实施例提供的单片机的引脚示意图。

图4是本发明一个实施例提供的一种可调参数胶囊咖啡调味方法的流程图。

图5是咖啡机调味方法的控制程序的流程图。

图6是本发明一个实施例提供的咖啡调味方法的上位机显示存储程序的流程图。

图7是咖啡调味方法的上位机数据显示与保存的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1是本发明一个实施例提供的一种可调参数胶囊咖啡调味系统的示意图，如图1所示，该系统包括加热系统、供水系统、冲泡系统和控制通信系统。

加热系统包括温度传感器4、锅炉5、锅炉继电器9；温度传感器4设置在锅炉5上，锅炉5连接到咖啡机的萃取头；锅炉继电器9根据控制通信系统的控制指令对锅炉5的工作进行控制。

供水系统包括水泵2、流量传感器3、水泵继电器10；流量传感器3设置在水泵2和锅炉5之间；水泵2的一端与水管连接口9相连，另一端与流量传感器3相连；水泵继电器10根据控制通信系统的控制指令对水泵2的工作进行控制。

冲泡系统包括气泵1、压力传感器7、气泵继电器11；气泵1连接到咖啡机的萃取头；压力传感器7连接至咖啡机的萃取头；气泵继电器11根据控制通信系统的控制指令对气泵1的工作进行控制。萃取头是冲泡咖啡时加压热水的出水口。

控制通信系统包括控制器6、上位机8；控制器6根据上位机8的控制要求生成对应的控制指令。控制器6控制通信程序，上位机8显示存储软件。

由于温度测量要求精度高，控制器6控制通信程序中引入新的液体加热模型如下：

将水在咖啡机内冲泡前的温度变化过程视作升温和降温两个过程的叠加，升温过程由锅炉加热引起，降温过程由水与温度较低的水管接触而散热引起。

认为升温过程锅炉与水之间的热传导良好，故有水吸收热量ΔQ＝U·I·Δt＝ΔT_up·c·m。U、I分别为锅炉的额定电压和电流，Δt时间内水温升高量其中Δt为时间变化量，c为比热容，m为质量。最终要求得Δt内的温度变化ΔT_up只要求得升温系数T_up即可。由于加热过程水升温有延时，因此需要考虑出水口温度延时参数delay1。

水与水管间的热传导造成热量耗散，导致水管内水的降温。此处认为水管初始温度为室温，且水管与水之间热传导良好，则有ΔQ＝ΔT_w·c_w·ρ·v·A·Δt，式中ΔT_w为水温变化量，c_w为水的比热容，ρ为水的密度，v为水管中水的流速，A为水管截面面积。由此则有式中T_w为水的初始温度，T_r为室温。引入与室温有关的衰减常数T_s，可以认为温度下降量ΔT_down与Δt近似呈线性关系，即记为降温系数。

根据多次实验测量结果求得到升温参数T_up、降温系数T_down及衰减系数T_s。实际环境中由于升温与降温过程同时存在，得到中间升温系数T_mid＝T_up-T_down。该情况下，锅炉由下自上出水口温度有延时参数delay2。因此统一形式后混合升温参数为T_f＝T_up-T_down-T_s。最终时间Δt内的温度变化量可以表示为ΔT＝(T_up-T_down-T_s)·Δt，若T₀为t₀时刻的水温，则t_n时刻与起始时刻t₀间的温度差可以表示为T_n-T₀＝(T_mid-T_s)·(t_n-t₀)。由该式可求得任意时刻的水温T_n。

可选的，结合参考图2，咖啡机还包括控制按键，控制器6根据控制按键的触发请求生成对应的控制指令。示例性的，图2中示出了第一控制按键12、第二控制按键13、第三控制按键14、第四控制按键15。可选的，在实际应用中，第一控制按键12可以为电源按键，第二控制按键13是气泵1的控制按键，第三控制按键14是水泵2的控制按键，第四控制按键15是锅炉5的控制按键。

可选的，控制器6为单片机，在实际应用中，可以选用型号为ATMEGA328P-PU的单片机。如图3所示，其示出了单片机的引脚图。

可选的，控制器6的第一模拟输入接口与压力传感器7相连，控制器6的第二模拟输入接口与温度传感器4相连，控制器6的第一数字接口与流量传感器3相连，控制器6的第二数字接口与水泵2的控制按键相连，控制器6的第三数字接口与锅炉5的控制按键相连，控制器6的第四数字接口与气泵1的控制按键相连；控制器6的第五数字接口与水泵继电器10相连；控制器6的第六数字接口与锅炉继电器9相连；控制器6的第七数字接口与气泵继电器11相连。结合参考图3，控制器6的模拟输入PC0接口通过导线与压力传感器7连接，控制器6模拟输入PC3接口与温度传感器连接，控制器6的PD2数字接口与流量传感器3连接。控制器6的PD4、PD5、PD6数字接口分别与控制水泵2、锅炉5和气泵1的按键相连。控制器6的数字接口PB3、PB4、PB5分别与控制水泵2、锅炉5以及气泵1的继电器相连。传感器将对应信号传递至控制器6，控制器6对输入信号进行处理后控制相应继电器的开关状态改变。若已达到设定状态则关闭继电器，否则打开继电器。

本发明实施例还提供一种可调参数胶囊咖啡调味方法，应用于图1所示的可调参数胶囊咖啡调味系统的控制器6中，控制器6的硬件控制程序能够完成传感器数据读取、动作控制以及与上位机的通信，如图4所示，该方法可以包括：

步骤110，定义输入输出端口，将传感器连接端口作为输入端口，将继电器连接端口作为输出端口。

定义输入输出端口，输入端口包括水量、温度、气压控制按键、传感器信号输入端口，输出包括控制锅炉、水泵和气泵的继电器，根据选定的传感器通过实验设置并校准参数计算公式中的常量。

步骤120，根据选定传感器的参数计算所测得的温度、水量和气压值。

根据传感器输入的电流或电压值计算该时刻的温度、水量和气压，读取压力传感器输入的电压值，根据压力传感器压力与电压关系计算式计算出此刻咖啡机萃取头处的气压值，读取温度传感器输入的电压值并计算水温值，从数字输入口接收流量传感器的计数脉冲，根据脉冲数目计算得到当前水量值。

步骤130，达到设定时间时，向上位机发送测得的温度、水量和气压值。

步骤140，读取上位机发送的工作模式控制信号，将传感器输入数值与当前工作模式下的设定值进行比较，实现闭环控制。

按键状态直接控制锅炉、水泵、气泵动作，当控制按键按下时，对应继电器处于打开状态。根据上位机传送的不同工作模式的代表字符，切换不同的工作模式，对设定参数值进行相应调整，其中，水温范围的边界值选定考虑了延时参数，通过传感器测得的实时物理量值与设定值比较，实现闭环控制。达到设定数据数量后将采集数据输出至上位机。

上述步骤为咖啡机调味系统的硬件控制程序流程，图6还示出了咖啡调味方法的控制程序的流程图。

上位机显示存储程序在系统工作过程中实现实时读取当前工作数据，在上位机上生成数据曲线图并保存数据。上位机可以绘制已采集的温度、流量、气压数据的实时曲线、存储数据和下达模式控制指令。如图6所示，调味方法的上位机显示存储程序的主要流程如下：

步骤210，创建并初始化存储时间、温度、水量、气压的变量，存储已记录的温度、水量、气压纵坐标值的数组。

根据上位机显示器大小及分辨率，确定显示窗口大小、图形界面背景图像位置，定义与控制器输出相连接的串口，分别存储串口输入温度值、水量值、气压值的变量，存储时间的变量以及存储水量、温度、气压值纵坐标值的数组。

步骤220，读取工作时间以及控制器发送至上位机的数据并存储。

定义串口事件，串口有字符串输入至上位机时，读取串口数据并根据分隔符进行字符串分割，得到温度、气压、水量数据值，计算显示窗口上数据显示点的位置坐标，存入对应数组中。

步骤230，以时间为横轴，温度、水量、气压值为纵轴，绘制数据曲线图。

绘制数据曲线图可以实现数据的可视化，动态显示温度、气压、流量值，方便用户观察当前参数值与设定值的偏差。

步骤240，通过串口发送工作模式控制信号，改变温度、水量和气压的设定值。

存储按钮被点击后存储数据，不同模式的按钮被点击后，通过串口向控制器发送状态控制字符，改变咖啡机冲泡水量、温度与气压值。

图7示出了咖啡调味系统的上位机数据显示与保存的流程。

以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可调参数胶囊咖啡调味系统，其特征在于，包括：加热系统、供水系统、冲泡系统和控制通信系统；

所述加热系统包括温度传感器、锅炉、锅炉继电器；所述温度传感器设置在所述锅炉上，所述锅炉连接到咖啡机的萃取头；所述锅炉继电器根据所述控制通信系统的控制指令对锅炉的工作进行控制；

所述供水系统包括水泵、流量传感器、水泵继电器；所述流量传感器设置在所述水泵和所述锅炉之间；所述水泵的一端与水管连接口相连，另一端与流量传感器相连；所述水泵继电器根据所述控制通信系统的控制指令对水泵的工作进行控制；

所述冲泡系统包括气泵、压力传感器、气泵继电器；所述气泵连接到咖啡机的萃取头；所述压力传感器连接至咖啡机的萃取头；所述气泵继电器根据所述控制通信系统的控制指令对气泵的工作进行控制；

所述控制通信系统包括控制器、上位机；所述控制器根据所述上位机的控制要求生成对应的控制指令。

2.根据权利要求1所述的可调参数胶囊咖啡调味系统，其特征在于，所述咖啡机还包括控制按键，所述控制器根据所述控制按键的触发请求生成对应的控制指令。

3.根据权利要求1所述的可调参数胶囊咖啡调味系统，其特征在于，所述控制器为单片机。

4.根据权利要求3所述的可调参数胶囊咖啡调味系统，其特征在于，所述控制器的第一模拟输入接口与所述压力传感器相连，所述控制器的第二模拟输入接口与所述温度传感器相连，所述控制器的第一数字接口与所述流量传感器相连，所述控制器的第二数字接口与所述水泵的控制按键相连，所述控制器的第三数字接口与所述锅炉的控制按键相连，所述控制器的第四数字接口与所述气泵的控制按键相连；所述控制器的第五数字接口与所述水泵继电器相连；所述控制器的第六数字接口与所述锅炉继电器相连；所述控制器的第七数字接口与所述气泵继电器相连。

5.一种可调参数胶囊咖啡调味方法，其特征在于，应用于如权利要求1至4任一所述的可调参数胶囊咖啡调味系统的控制器中，所述方法包括：

定义输入输出端口，将传感器连接端口作为输入端口，将继电器连接端口作为输出端口；

根据选定传感器的参数计算所测得的温度、水量和气压值；

达到设定时间时，向上位机发送测得的温度、水量和气压值；

读取上位机发送的工作模式控制信号，将传感器输入数值与当前工作模式下的设定值进行比较，实现闭环控制。

6.根据权利要求5所述的可调参数胶囊咖啡调味方法，其特征在于，应用于如权利要求1至4任一所述的可调参数胶囊咖啡调味系统的上位机中，所述方法还包括：

创建并初始化存储时间、温度、水量、气压的变量，存储已记录的温度、水量、气压纵坐标值的数组；

读取工作时间以及控制器发送至上位机的数据并存储；

以时间为横轴，温度、水量、气压值为纵轴，绘制数据曲线图；

通过串口发送工作模式控制信号，改变温度、水量和气压的设定值。