[發明專利]一種可調參數膠囊咖啡調味系統及方法

有效

• 申請號: 201910235468.1
• 申請日: 2019-03-27
• 公開（公告）號: CN109730537B
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 曹恩國;成程;王志明
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: A47J31/44
• 分類號: A47J31/44;A47J31/52;A47J31/00
• 代理公司: 無錫華源專利商標事務所(普通合伙) 32228
• 代理人: 聶啟新

1.一種可調參數膠囊咖啡調味系統，其特征在于，包括：加熱系統、供水系統、沖泡系統和控制通信系統；

所述加熱系統包括溫度傳感器、鍋爐、鍋爐繼電器；所述溫度傳感器設置在所述鍋爐上，所述鍋爐連接到咖啡機的萃取頭；所述鍋爐繼電器根據所述控制通信系統的控制指令對鍋爐的工作進行控制；

所述供水系統包括水泵、流量傳感器、水泵繼電器；所述流量傳感器設置在所述水泵和所述鍋爐之間；所述水泵的一端與水管連接口相連，另一端與流量傳感器相連；所述水泵繼電器根據所述控制通信系統的控制指令對水泵的工作進行控制；

所述沖泡系統包括氣泵、壓力傳感器、氣泵繼電器；所述氣泵連接到咖啡機的萃取頭；所述壓力傳感器連接至咖啡機的萃取頭；所述氣泵繼電器根據所述控制通信系統的控制指令對氣泵的工作進行控制；

所述控制通信系統包括控制器、上位機；所述控制器根據所述上位機的控制要求生成對應的控制指令；

所述控制器控制通信程序中引入新的液體加熱模型如下：

將水在咖啡機內沖泡前的溫度變化過程視作升溫和降溫兩個過程的疊加，升溫過程由鍋爐加熱引起，降溫過程由水與溫度較低的水管接觸而散熱引起；

在所述升溫過程中，水吸收熱量為ΔQ＝U·I·Δt＝ΔT_up·c·m，其中U、I分別為所述鍋爐的額定電壓和電流，Δt時間內溫度升高量為其中Δt為時間變化量，c為比熱容，m為質量，最終要求得Δt內的溫度升高量ΔT_up只要求得升溫系數T_up即可，由于加熱過程水升溫有延時，因此需要考慮出水口溫度延時參數delay1；

在所述降溫過程中，設水管初始溫度為室溫，則有ΔQ＝ΔT_w·c_w·ρ·v·A·Δt，式中ΔT_w為水溫變化量，c_w為水的比熱容，ρ為水的密度，v為水管中水的流速，A為水管截面面積，Δt時間內溫度下降量為式中T為水的初始溫度，T_r為室溫；引入與室溫有關的衰減常數T_s，可以認為溫度下降量ΔT_down與Δt近似呈線性關系，即記為降溫系數；

根據多次實驗測量結果求得到升溫系數T_up、降溫系數T_down及衰減常數T_s；實際環境中由于升溫與降溫過程同時存在，得到中間升溫系數T_mid＝T_up-T_down；該情況下，鍋爐由下自上出水口溫度有延時參數delay2；因此統一形式后混合升溫參數為T_f＝T_up-T_down-T_s；最終時間Δt內的溫度變化量可以表示為ΔT＝(T_up-T_down-T_s)·Δt，若T₀為t₀時刻的水溫，則t_n時刻與起始時刻t₀間的溫度差可以表示為T_n-T₀＝(T_mid-T_s)·(t_n-t₀)，由該式可求得任意時刻的水溫T_n。

2.根據權利要求1所述的可調參數膠囊咖啡調味系統，其特征在于，所述咖啡機還包括控制按鍵，所述控制器根據所述控制按鍵的觸發請求生成對應的控制指令。

3.根據權利要求1所述的可調參數膠囊咖啡調味系統，其特征在于，所述控制器為單片機。

4.根據權利要求3所述的可調參數膠囊咖啡調味系統，其特征在于，所述控制器的第一模擬輸入接口與所述壓力傳感器相連，所述控制器的第二模擬輸入接口與所述溫度傳感器相連，所述控制器的第一數字接口與所述流量傳感器相連，所述控制器的第二數字接口與所述水泵的控制按鍵相連，所述控制器的第三數字接口與所述鍋爐的控制按鍵相連，所述控制器的第四數字接口與所述氣泵的控制按鍵相連；所述控制器的第五數字接口與所述水泵繼電器相連；所述控制器的第六數字接口與所述鍋爐繼電器相連；所述控制器的第七數字接口與所述氣泵繼電器相連。

5.一種可調參數膠囊咖啡調味方法，其特征在于，應用于如權利要求1至4任一所述的可調參數膠囊咖啡調味系統的控制器中，所述方法包括：

定義輸入輸出端口，將傳感器連接端口作為輸入端口，將繼電器連接端口作為輸出端口；

根據選定傳感器的參數計算所測得的溫度、水量和氣壓值；

達到設定時間時，向上位機發送測得的溫度、水量和氣壓值；

讀取上位機發送的工作模式控制信號，將傳感器輸入數值與當前工作模式下的設定值進行比較，實現閉環控制；

在所述上位機中，創建并初始化存儲時間、溫度、水量、氣壓的變量，存儲已記錄的溫度、水量、氣壓縱坐標值的數組；

讀取工作時間以及控制器發送至上位機的數據并存儲；

以時間為橫軸，溫度、水量、氣壓值為縱軸，繪制數據曲線圖；

通過串口發送工作模式控制信號，改變溫度、水量和氣壓的設定值。