如今，随着人们生活节奏的加快和生活水平的提高，咖啡作为世界上最受欢迎的饮料之一，已经进入了人们的日常生活，并逐渐受到越来越多人的喜爱。随之而来的咖啡机也越来越流行。用专用咖啡机酿造一杯完美的咖啡。咖啡机的大气压力约为10个，迫使90个℃热水通过约10克挤压咖啡粉，吸收咖啡粉中的咖啡脂等芳香物质，与热水完全溶解后流入杯中。整个过程需要在18-28秒内完成，以有效避免过度提取造成的不良味道。显然，制作一杯高品质的咖啡，咖啡机起着决定性的作用。
本文将基于上海航芯介绍ACM32F070的咖啡机设计方案。
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目前市面上的咖啡机很多，按操作方式可分为半自动和全自动两类。
图1. 咖啡机分类图
：机器结构简单，维护方便，使用方便。缺点是对操作人员要求高，操作人员必须经过严格的培训才能使用该机器制作高质量的咖啡，工作效率低。
：实现了磨粉、压粉、装粉、冲泡、去除残渣等酿造咖啡全过程的自动控制，使用更方便、快捷、质量一致、效率高，对操作人员要求低，无需培训。其缺点是：结构复杂，维护良好，维护成本高。但由于其突出的优势，它越来越受到许多客户的喜爱。
本次介绍的咖啡机设计方案是一种全自动咖啡机，可根据最科学的数据和程序酿造咖啡，并配备了完善的保护系统，使用简单方便，只需轻轻按压即可获得咖啡。用户可以设置水温和咖啡磨削厚度，自动磨咖啡豆；用户还可以根据需要选择制作单杯或双杯咖啡，并提供三种选择：大杯、中杯和小杯。咖啡机除了制作咖啡外，还可以制作热水和蒸汽。热水可用于泡茶或其他饮料；蒸汽可用于加热牛奶或其他饮料，高压蒸汽也可乳化牛奶，产生芳香的牛奶泡沫。为用户提供多样化、轻松、快捷的服务。
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ACM32F0X0 该系列是支持各种低功耗模式的通用系列MCU。集成16路Touch触摸按钮，12位1.6 Msps高精度ADC模拟比较器COMP、运算放大器OPAMP、段式LCD内置高性能定时器TIMER、多路UART、LPUART、SPI、I2C通信外设等丰富，内建AES、TRNG、CRC支持多种低功耗模式的32等信息安全模块，具有集成度高、抗干扰性高、可靠性高等特点。本产品采用高性能内核，最高工作频率为64MHz。
图2. ACM32F0X0资源图
ACM32F0X0芯片集成了自电容式触摸控制传感器。自电容式触摸控制传感器通过检测电容器的变化来检测手指是否触摸触摸表面。调整触摸的灵敏度。
? 高度集成，最大支持16路触摸按钮TKEY；
? 自电容检测范围5~50pf，灵敏度0.1pf；
? 支持渠道补偿；
? 最大支持10mm触摸面板厚度；
? 支持低功耗睡眠模式，Stop最低功耗17uA；
? 支持分别设置工作模式和睡眠模式的灵敏度和扫描速度；
? 支持主动屏蔽Cshield该通道用于防水控制，提高检测灵敏度；它可以减少寄生电容器和噪声源干扰，当其他导体接近触摸电极时增加TKEY稳定性；
? 支持滤波防抖机制，可减少误触，避免静电干扰；
? 支持自适应和自校准机制，降低环境变量的干扰；
? 测试方法如下：
① 潮湿环境试验：将水蒸气喷在触摸面板上，使面板充满露水，此时无误触摸和反应迟钝；
② 溅水和淹水试验：快速喷水触摸面板，直到面板形成水坑，并将几个不同的触摸感应电极淹没在水坑中，然后触摸，反应缓慢，B键触发同一水坑，即按钮指向东西现象；
③ -40℃~85℃高低温试验，此时无误触、反应迟钝、死机；
④ 电磁干扰测试：使用无线对讲机作为射频干扰源，触摸面板20cm左右呼叫对讲，无误触，反应迟钝，死机；
⑤ 电源干扰测试：在电网上形成强600~800V此时无误触；
⑥ 长时间连续工作测试经过6个月的连续电力和长期工作测试，按钮工作正常，无反应迟钝、死亡等现象。
ACM32F0X0芯片内部集成适用于单色无源液晶显示器（LCD）最多有8个公共终端的数字控制器/驱动器（COM）和40个区段端子（SEG），用以驱动160（4*40）或288（3*36）个LCD元素。
? 帧速控制高度灵活；
? 支持静态、1/2、1/3、1/4、1/6和1/8的比例，支持1/2、1/3、1/4的偏置；
? 多达16个寄存器LCD数据RAM；
? 可通过软件配置LCD对比度，支持LCD闪烁功能，可配置多种闪烁频率；
?支持A类、B类波形，两种驱动波形生成方式：
① 内电阻分压，外电阻分压；
② 可选滤波电容器；
③ 内部电阻分压模式的功耗可以通过软件配置来匹配LCD面板所需的电容电荷；
?支持低功耗模式：LCD控制器可在Active、Sleep、Stop显示在模式下。
ACM32F0X0包括三个独立配置的操作放大器，每个操作放大器有两个输入和一个输出，三个I/O它可以连接到外部引脚。操作放大器可以在内部配置跟随器或可编程增益放大器。
?低工作电压，典型工作电压3.3V；低消耗电流，典型值115uA；
? 可修复失调电压。
用于比较两个输入模拟电压的大小，并根据比较结果输出高低电平。
?比较器输出可作为定时器的制动输入或捕获输入；
?提供软件可配置的滤波时间，提高芯片的抗干扰能力；
?定时器可以切断比较器输出。
支持单端信号转换和差分信号转换，多达21个通道，最大16个可设置通道的规则转换和1个可设置通道的注入转换。A/D可按单次、连续或间歇模式进行转换。
ACM32F0X0芯片内置高级定时器由16位自动装载计数器和16位可编程预分频器驱动。高级定时器和通用定时器完全独立，不共享任何资源，但可以同步操作。
?多达4个独立通道(输入捕获，输出比较，PWM输入信号的脉冲宽度(输入捕获)可以测量，输出波形(输出比较，PWM、嵌入式死区时间互补PWM等）
?支持针对定位的增量（正交）编码器和霍尔传感器电路；
?支持三相PWM、保护死区，制动控制；
?支持有感，无感，FOC控制算法；
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基于上海航芯的咖啡机方案ACM32F070系列的MCU整体方案框图如下：
图3. 基于ACM32F070咖啡机设计方案框图
https://gitee.com/acm32-mcu/ACM32F0X0-Coffee-TKey-Demo
https://github.com/ACM32-MCU/ACM32F0X0-Coffee-TKey-Demo
本文讨论了设计方案中的人机交互功能LCD、LED、触摸按钮进入实现。共有1个段码LCD屏、9个按键和10个LED。按键需实现设备的开关机、模式选择（蒸气模式/咖啡模式）、大中小杯选择、一杯两杯选择、咖啡豆研磨粗细度设置、咖啡浓淡口味设置、温度设置、童锁功能。设备会根据按键指示判定当前所需要执行的操作。10个LED中有9个用于按键指示，表示当前正在执行的操作动作；另外1个LED用于报警指示，主要是设备自检时，如果残渣盒、残水槽、电机、核心部件等未复位则该指示灯闪。LCD屏用于显示咖啡豆研磨粗细度、咖啡浓淡口味、温度、大中小杯指示、一杯两杯指示。
1）待机：默认待机模式，点击按键开机，指示灯亮，LCD屏显示；开机状态下长按该键5S可以进入蓝牙配对模式。待机时，指示灯灭，LCD灭。
2）童锁功能：默认启用童锁功能，当童锁功能启用时，其他任何操作按键都会暂时失去其控制功能，避免了儿童因好奇误操作而导致发生危险。童锁功能开启时，该按键指示灯亮红色；关闭时，指示灯不亮。
3）大中小杯选择：咖啡量选择包括大、中、小杯。第一次点击显示当前选择，此时该按键指示灯亮，再次点击可以切换选择，每点击一下，指示灯会闪烁一下，同时LCD会全程显示当前选择项。带记忆功能，只需设置一次。
4）杯量控制：可选择制作一杯咖啡，还是同时制作两杯咖啡。第一次点击显示当前选择，此时该按键指示灯亮，再次点击可以切换选择，每点击一下，指示灯会闪烁一下，同时LCD会全程显示当前选择项。带记忆功能，只需设置一次。
5）咖啡豆研磨粗细度设置：13档咖啡豆研磨程度，配合咖啡豆和口味，调节咖啡油脂的丰富程度。第一次点击显示当前选择，此时该按键指示灯亮，再次点击可以切换选择，每点击一下，指示灯会闪烁一下，同时LCD会全程显示当前选择项。带记忆功能，只需设置一次。
6）咖啡浓淡口味设置：咖啡豆用量调节，咖啡豆使用越多，咖啡越浓。第一次点击显示当前选择，此时该按键指示灯亮，再次点击可以切换选择，每点击一下，指示灯会闪烁一下，同时LCD会全程显示当前选择项。带记忆功能，只需设置一次。
7）温度设置：4档可调节咖啡温度。第一次点击显示当前选择，此时该按键指示灯亮，再次点击可以切换选择，每点击一下，指示灯会闪烁一下，同时LCD会全程显示当前选择项。带记忆功能，只需设置一次。
8）蒸气模式选择：当选择蒸气模式时，会开始加热直至达到设定值，在此过程中该按键指示灯闪烁，达到设定值时指示灯常亮。
9）咖啡模式选择：程序默认为咖啡模式，点击开始制作咖啡，在出咖啡时，用户可以通过点击该按键在任意时刻停止咖啡流出。
可通过BLE蓝牙连接手机，支持手机一键启动；可通过手机设置大中小杯、咖啡豆研磨程度、口味、温度等参数；还支持一键预约，咖啡机会根据设置，制作咖啡，制作好后，咖啡机进入等待出咖啡状态，并通知手机。
1）实现咖啡机初始化
咖啡机连接电源上电，点击待机键开机，MCU会控制整个咖啡机系统进行系统安全检测、多位行程开关常态检测、水箱水量、咖啡豆量检测、排空残渣等一系列初始化，为制作咖啡或蒸汽做好必要的准备。初始化过程中，如果上述任何一项出现问题，MCU立马发出报警信号，使报警指示灯闪烁，蜂鸣器鸣叫，只有在排除报警后，方可进行其他操作。
2）制作咖啡
在咖啡机完成初始化后，系统默认进入咖啡模式，MCU控制加热器工作，水温上升，此时咖啡指示灯闪烁，在加热过程中，可以点击温度设置按键，调节温度，温度传感器实时检测水温，达到设定值时，咖啡机转入保温状态，咖啡指示灯转为常亮状态，泡咖啡准备就绪。
MCU可以控制制作咖啡单、双杯且容量可调，第一次点击一杯两杯按键，显示当前选择，再次点击可以切换选择，如果当前是单杯，就切换成双杯；如果当前是双杯，就切换成单杯，在制作两杯咖啡过程中，无法切换成单杯。通过大中小选择键可以选择咖啡的制作量，一般为大、中、小杯。MCU通过控制水泵的运作，达到对水量的控制。
研磨咖啡粉电机的控制，保证咖啡粉制作量的调节和粗细度，从而控制咖啡口味和口感。此外当检测到有硬物卡在磨中时，最迟在2秒后，MCU控制电机停止运转。
在咖啡制作时，MCU通过控制电机移动核心部件，将装有咖啡粉不好对齐出水口；在泡完咖啡后再复位，同时将咖啡豆残渣倒入残渣盒。
在出咖啡时，用户可通过按咖啡模式键在任意时刻停止咖啡流出。
3）制作蒸气
在默认咖啡模式下，按下蒸气模式键，MCU会控制加热器加热，水温继续升高至产生蒸气为止，后续会保持该温度。期间蒸气指示灯由闪烁转为常亮状态。同时MCU还要控制对蒸气气压的检测，必须保证气压在规定范围内，保证安全。
在蒸气模式下，按下咖啡模式键，系统会切换成咖啡模式。此时会产生报警，蜂鸣器鸣叫三声，蒸气指示灯、咖啡指示灯、报警指示灯同时闪烁。因为制作蒸气的温度高于制作咖啡的温度，所以需要降温。降温过程中，MCU会通过温度传感器实时检测水温，当达到制作咖啡要求时。蒸气指示灯、报警指示灯由闪烁变暗，而咖啡指示灯由闪烁变常亮，此时表明咖啡制作准备就绪。
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本文提出的设计方案主旨是将咖啡机智能化、平民化、提高工作效率、节约时间、解放双手。在提高人们生活的舒适度、便利度的同时，也能达到进一步保证人们生活品质的目的。