无接触式暖风智能酸奶机——发热片暖冬开源挑战赛

一、项目背景

  VS. 

尽管市面上的酸奶机价格便宜，却存在几大不足：

1. 温控不精确：依赖加热片的固定温度特性或热变片进行控制，温度不可调节、不稳定、受环境影响大。
2. 加热区域不均匀：一般采用底部的小型加热片，容易导致酸奶底部过热烧焦，或者上层温度不足，影响酸奶的发酵质量。
3. 容器不灵活：市面上大多数酸奶机只能使用自带的容器，无法方便地分装不同口味或批次的酸奶，而且清洗难度较大。
4. 无法精准控制加热时间：许多酸奶机只有简单的开关，无法设定加热时间，过长的加热时间会影响酸奶的口感和质地。

因此，迫切需要一种可以根据不同菌种需求精确设定温度、均匀加热、支持自定义容器使用，并能精准控制加热时间的智能酸奶机。

 

二、项目简介与项目方案

本项目通过集成电热膜、风扇和ESP32单片机，提供更加精准的温控系统，确保酸奶的最佳发酵条件。具有以下特点：

1. 该设备通过电热膜提供持续稳定热量，风扇则实现热循环，确保温度均匀分布在整个发酵空间。
2. 使用ESP32单片机实时监测和调节温度，确保温度曲线符合不同菌种的发酵要求。
3. 基于ESP32的WiFi功能，用户可以通过手机设定温度曲线、加热时间，并随时监控酸奶机的温度状态。
4. 该酸奶机类似于高端热风循环烤箱，专为酸奶制作而优化设计，简化了操作流程并提高了制作效果。

项目实现方案如下：

1. 加热片+散热片：使用电热膜提供足够的热源，并配合散热片保障均匀加热，避免温度不均匀。
2. 热循环风扇：风扇促进热空气循环，确保整个空间内的温度均匀，从而保证酸奶制作过程中温度的稳定性。
3. 主控单元：采用ESP32作为主控单元，负责温度监控、控制及无线连接，实现智能化操作。
4. 温度监测：通过热敏电阻或NTC传感器实时监控酸奶机内部的空间温度及加热片温度，确保温度稳定，避免温度过高或过低。
5. PID控制：通过PID进行加热时间控制，保证温度稳定在设定目标区间。

 

三、原理图和PCB介绍

1. 输入与稳压电路：输入支持12V-20V，需要转换成5V输出给SEEED XIAO ESP32C6供电。使用芯片SY8205FCC，R3和R5进行分压，可以更具公式选择合适的电阻，电路图如下：

2. 加热板和风扇驱动电路：考虑到加热板大电流，需使用大电流的MOS管，然而ESP32可能无法驱动，因此使用NMOS+PMOS的组合，为其提供驱动；而风扇电流不大，只需要一个NMOS即可。电路图如下：

3. NTC电路：使用10k 3950B的NTC测温电阻，与10K电阻串联，进行ADC测量和分压计算即可得到电阻。XIAO ESP32C6正好引出三个模拟通道，分别为加热板、风扇前（环境温度）、和远端进行温度测量。电路图如下：

4. PCB介绍：合理设计PCB，输入和加热板引脚的走线和连接加粗，电感底去除铺铜。3D模型如下：

5. 加热板PCB：直接绘制80mm*80mm，添加两个连接线。在订单中加上焊线需求（20awg线束 4cm长度）。如果有需要，也可以直接加上NTC测温电阻在中心。

 

四、制作与组装

1. 所需基础：PCB+对应元器件焊接；SEEED XIAO ESP32C6核心板；20V65W加热片；8*8cm散热片；8025 24V静音风扇；3D打印外壳和螺丝；硅酮导热胶。
2. PCB焊接：按照原理图进行焊接，测量DC-DC输出电压是否在5.5V内，随后安装上ESP32核心板。
3. 硅酮导热胶涂抹：将其涂抹在风扇和散热片之间，放置8h以上待其凝固。（注意风扇的出风面，一般是贴了标签的面，与散热片接触）。对于加热板测温NTC，也可以用该导热胶进行连接。
4. 铜柱支撑：如果想要风扇和散热板更加稳固，可以使用5mm长度M3铜柱，固定在盖板上进行支撑。
5. 风扇前NTC安装：对于风扇前NTC，需要焊接在背面，然后通过3D打印外壳的小孔穿过，放在风扇前。

 

 

五、使用教程

1. 按要求接上远端NTC测温模块，插上12V-20V的电源，电流应该大于3A。

2. 手机查看WiFi，有一个为YogurtMaker的热点，连接上后应该会自动跳转页面（也可以浏览器输入192.168.4.1进入页面），随后可以看到相关信息，并设置目标温度和达到目标温度后的持续时间。

   

 

六、代码逻辑

1. 程序使用VSCode + ESP IDF开发，使用了FREERTOS。
2. 代码首先初始化相关的外设，并设置一个WiFi AP。
3. 随后根据目标温度，PID控制加热板输出占空比，先加热至远端传感器温度到（目标温度-1℃），网页显示系统状态为加热。
4. 然后PID控制加热板，让风扇前温度保持目标温度左右。
5. 最后完成指定时间的维持温度后，关闭加热器和风扇。
6. 考虑到安全性，检测到NTC数据错误、加热板温度过高均会关闭加热板输出。

 

七、发热片订单

订单编号：M202511050082

 

八、效果和测试视频

1. 将玻璃容器开水消毒后，加入纯牛奶、发酵菌、白糖后，混合均匀盖上保鲜膜。

2. 放置在密封泡沫箱内，酸奶加热器一同放入，其中远端加热器放置在玻璃容器旁边。

3. 接入12V电源（12-20V电源均可），设置温度为42°，持续时间为8h。

4. 第二天即可尝到新鲜、美味、健康的酸奶。

5. 效果：酸奶浓稠、侧杯不流动、味道纯正。

 

 

九、遇到的问题和注意事项

1. 几个NTC测温不一致

开始以为是NTC的一致性问题，或者是上拉电阻10k不标准，通过替换和测量发现都没问题。后面才发现是通电自发热、ESP32C6发热导致的NTC温度上升，观测到的为远端金属封装NTC温度最低，靠近ESP32C6的NTC温度最高。通过强力风扇为其送风，温度一致在±0.1℃。

然而该bug不会导致设备失效，因为远端的温升较低、风扇前NTC由于风扇不断送风，是其与实际测量目标的温度基本一致。加热板的NTC的温升不影响安全防护，因此可以正常使用。

2. WiFi自动跳转失败

单片机配置了自动跳转页面，实现快速读取数据和跳转。然而最开始的移植并未成功实现该功能，发现是Wifi_AP代码中去除了失败网页的响应，增加该代码即可。

3. 输入温度最高从24V变为20V

开始的24V是考虑加热片功率、常见电源设备和DC-DC芯片而设定的。然而，通过查看MOS的手册，例如PMOS的Vgs最高为±20V，此电路在开启时会导致Vgs为-VIN，可能导致MOS隧道击穿和损毁。虽然一般会说明短期Vgs可以在30V以内，但不建议尝试。常见的20V电源，可以通过PD诱骗器诱骗手机充电头得到、或常见的电脑充电器在19V-20V之间。

如果需要在24V下安全使用，可以考虑如下修改：

4. 设定环境温度42°，远端温度只有39°

虽然循环风提供了保温箱的热循环，但是因为是抽风形式导致循环能力不足，保温箱的温差还是不可避免的。39°仍然能够完成酸奶的发酵。后续可以根据需要，设置温度更高如44°即可。

5. 制作的酸奶太酸或不成形

不成形：容器不干净（未消毒、有油），牛奶蛋白质含量不足（小于3.2g），牛奶为脱脂牛奶，温度不足（小于38°），温度太高（大于45°）

太酸：发酵时间太久，没有放糖