第1部分：装置概况和咖啡萃取
到目前为止，Device Plus已经介绍过很多种使用Raspberry Pi的电子制作，本系列也同样是非常独特的、而且是轻松愉快的电子制作连载。这次为我们分享的嘉宾是阿矢谷充先生，他迄今为止在各种媒体上，面向喜欢自己动手制作的群体发表过很多电子作品制作类的文章。在本系列连载的第1部分中，介绍了作品概况，在第2部分中，将为大家介绍硬件制作方法，其中包括具体电路及其制作和安装方法。
目录
1. 电路结构
首先，请看本装置的整体电路图：
本装置的电路图
电路的左侧由控制器（Raspberry Pi 3A+）和与其相连的三个模块组成。右下方是控制咖啡机ON/OFF的SSR（固态继电器）单元，右侧中央是LCD（液晶显示器）单元，右上方是开关和LED的用户接入单元。
在接入Raspberry Pi的GPIO端口上，标有物理引脚编号和BCM引脚编号（例：11 GPIO-17表示物理引脚编号=11，BCM引脚编号=17）。下面为大家分别介绍一下所使用的零部件。
2. 所用零部件
Raspberry Pi 3 A+控制器
Raspberry Pi 3 A+比流行的3 B+要小，没有USB/Ether接口。CPU规格相同，也配备了Wi-Fi和蓝牙功能，价格更低廉。此次的软件并不会使用过多的CPU资源，但由于使用Wi-Fi和Web服务器功能，所以这款Raspberry Pi 3 A+的性能正合适。另外，这款控制器的外形尺寸与用来安装零部件的万用板尺寸相同，易于使用，这也是它的亮点。
需要将+5V的AC适配器等与控制器USB引脚连接来为Raspberry Pi供电。Raspberry Pi 3 A+的最大消耗电流是2.5A，所以最好是能够提供3A以上电流的适配器。
SSR（固态继电器）
本装置可以直接控制外接咖啡机的AC电源的ON/OFF。咖啡机的功耗大约是500W，因此AC线路中会流过5A以上的电流。因此，我们需要使用触点可以承受这么大的电流的继电器组件，并通过Raspberry Pi来控制该继电器组件。
触点和电磁机构相结合的机械式继电器比较常用，SSR是用半导体取代了触点和电磁机构的产品。由于没有机械的可动部件，所以使用寿命更长，而且可以高速工作。此外，由于无需驱动电磁体，因此导通期间的功耗也更低。只是由于是半导体而会产生损耗并产生热量，因此需要散热器。
这本装置中，我使用了秋月电子销售的“固态继电器（SSR）套件 8A型”产品。其电流容量为8A，相对于本次使用的咖啡机ET-102的5A额定电流而言，已经足够了。另外，它还配有由晶体管组成的电流缓冲器，可以直接由Raspberry Pi的GPIO逻辑输出+3.3V驱动，非常易用。从电路图中可以看出，Raspberry Pi只需要连接5V电源、GND和GPIO。
在AC线路中需要配置保险丝。这次我使用了小型玻璃管保险丝和面板安装型保险丝座。
SSR的最大容许电流是8A，所以保险丝使用8A的产品。
LCD液晶显示器
LCD液晶显示器是用来显示工作状态和设置的，是一种由I2C接口控制的显示器。实际上，Raspberry Pi的I2C接口的上拉电阻为1.8kΩ（通常在10kΩ左右）的固定低电阻值，因此，存在着因液晶单元中低功耗的器件电流汲取能力不足而无法显示的兼容性问题。
此次我使用的秋月电子的LED单元（Raspberry Pi字符型液晶显示模块成品）是一款出色的产品，电路板上已经安装了I2C中继器，不会出现这个问题。我选的是不需要精细焊接的成品。
接线有3.3V电源、GND、I2C的SDA和SCL共四处。电路板上的RST（复位）和LED（背光）没有使用，所以不连接。
微动开关和LED
这些是LED闪烁项目中常用的器件。首先，微动开关我选用的是秋月电子销售的旋钮长10mm的长款开关。这是为了使旋钮在安装到壳体中之后能够面板中伸出来。我决定用黑色开关来确定萃取杯数，用红色开关来开始萃取。
由于GPIO引脚要在INPUT模式下设置为下拉状态使用，因此开关的一端需要连接3.3V（逻辑高电平）。按下开关会使GPIO引脚变为逻辑高电平。
关于LED，我使用的也是秋月电子销售的产品，是“内置电阻器的5mmLED（5V用）”。
通常，要想将LED连接GPIO引脚并使之点亮，是需要限流电阻的。此次使用的LED内置有这种限流电阻，可以直接连接GPIO引脚。电阻值适用于5V连接，不过在与Raspberry Pi的3.3V输出配合使用时也能确保足够的亮度。本装置使用红色LED表示“开始萃取～工作中”，用黄色LED表示“通电中”。
3. 壳体安装方法
接下来，我来为大家介绍电路的安装方法。在实际组装设备时，我建议给电子电路配上外壳，将电路收纳在其中。尤其是本装置，使用的是AC100V，因此如果接线暴露在外，就会有触电的危险。
另外，电子电路需要通过焊接来安装。对于非试制类的、要实际使用的设备而言，通过焊接安装比较可靠。因此，本装置的制作和安装，需要具备焊接和外壳加工技能。如果您对焊接没有信心，我建议您通过尝试组装市售的一些套件来练习一下。
至于外壳加工，如果您使用的是塑料外壳，那么加工难度会低很多。由于我们不需要达到制造商级别的精度，所以我认为粗略加工一下就足够了（这个程度也比较适合进行电子制作）。
不过我建议您还是要练就焊接和外壳加工的能力，以便未来能更好地长期从事电子制作（本系列连载中将省略与此相关的细节知识介绍）。
首先，关于安装本装置的外壳，我使用的是TAKACHI的SS-125B塑料外壳，其尺寸为（125mm x 80mm x 32mm）。
使用这个外壳正好可以收纳主要部件Raspberry Pi 3 A+（放在左半部分）和SSR（放在右上方）。
要固定Raspberry Pi，需要与电路板四角的安装孔相匹配的直径为2.6mm的螺钉和垫片。垫片长11mm，将底座安装在Raspberry Pi上方时正好够用。该产品在千石电商和SwitchScience上作为专用产品有售。
https://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/detail.php?code=EEHD-4UUR
在放入Raspberry Pi底座时，外壳内部的螺丝柱会有部分干涉，可以用钳子之类的工具将其剪断。还需要开一个足够大的长方形孔，以便将连接器插入连接电源适配器的USB端口。还有，虽然这次没有使用，但是我还是在左侧打了孔以便可以接入USB接口。
接下来是SSR电路板的安装。需要在芯片上安装散热器。
我使用的是可以在秋月电子购买的“46×25×17mm”的散热器。SSR电路板使用的芯片是塑料成型的，不需要绝缘，所以可以直接用普通的3mm金属螺丝固定。当与咖啡机ET-102连接并实际工作时，散热器会发热，但不会热到无法用手碰触的程度。如果您担心这一点，最好在外壳的顶部和底部开孔让空气上下流通。
SSR电路板用螺丝和3mm高的垫片固定在外壳上。这样，可以在安装了散热器的状态下，正好把电路板放进去。
最后是连接咖啡机的AC100V线的处理。下图是安装了电线后的样子。
是使用了以前留下来的带有AC100V插头的电线。连接咖啡机的适配器我使用的是市售适配器（下图中的Panasonic WH 4615HP）。
需要注意电线的电流容量。咖啡机ET-102的规格为500W、额定电流5A，所以请使用容量充足的电线。上图所用电线的电流容量为12A。
4. 在万用板上的安装方法
下面为您介绍如何将电路元器件安装在万用板上。市场上有各种很方便的万用电路板，可以接入Raspberry Pi的GPIO引脚并安装电子元器件。此次我使用的是秋月电子销售的“Raspberry Pi用的万用板”。
在这种万用板的上方，设有与Raspberry Pi的40pin GPIO排针对应的针座。其下方也同样设有40pin的针座，由于GPIO排针已经安装在上方针座，所以下方针座可以用来焊接电缆和元器件。万用板的左边设有可以接入GND和5V、3.3V电源线的图案（白框包围的竖线）。这三处是最常用的，而且可以多次插拔，非常方便。万用板的通孔均已电镀，因此元器件和导线的焊接都非常容易。另外，虽然是品质非常好的产品，价格却只有150日元左右，很便宜。
首先，请看下图，图中是万用电路板表面的元器件配置。
为了使LED的位置与前面制作的面板一致，我是将引脚弯曲后安装的。您在制作的时候，最好将LED的位置移到万用板的左侧，这样就不必弯曲引脚了，总之，您可以根据自己的设计来改变LED的位置。
LCD显示器的安装是通过在万用板上安装一个6P的针座，然后将L型排针（弯排针）插入LCD电路板来连接的。为了使LCD显示器的上部不下沉，我用双面胶在万用板上粘了一块海绵来调整高度，然后将LCD单元放在上面。
万用板背面的照片和接线图如下：
从万用板背面看40P连接器的视图如下。接线时可以用它来确认引脚。
接线我用的是乙烯基绝缘线，导线选择的关键在于“耐热绝缘线”。耐热型导线不会因焊接过程中的热量而使绝缘层熔化或收缩。比如在秋月电子和千石电商等零部件商店可以买到下图中的导线。
接线图中的导线颜色不同只是为了更方便查看，您在实际制作过程中可以适当改变。
5. SSR电路板和AC100V系统的接线
最后，我来为大家介绍SSR电路板与AC100V系统的接线。下面的照片是这部分的放大图。
100VAC系统用的电线用扎带固定，以免从壳体中拔出来。为了让走线看起来更整齐，我用了“弯角接线片”。
照片中是4P的，但由于我只使用1P，所以我用钳子剪断了不用的部分。壳体上有可以拧螺丝的螺柱，可用自攻螺丝固定。将AC电源线焊接在接线片的上孔和下孔上，用作连接点。由于AC100V部分会流过较大电流，所以请务必切实可靠地进行焊接和接线。在外壳打开的状态下通电时有触电的危险，所以请格外小心操作。
SSR控制单元和Raspberry Pi电路板之间的接线需要使用针座。我经常使用针座作为简单的插拔连接器，可以切割成所需针数的“可分割式长款针座”使用起来非常方便。
至于万用板，如本文开头所述，这块万用板上设有+5V和GND等线路图案，只要将排针焊接到相应的图案即可轻松获取相应的信号。这些也是这种万用板的易用亮点之一。
6. 壳体面板部分的加工
在外壳的盖板上，打了LCD液晶单元、微动开关和LED用的孔。这部分会根据安装在外壳上的Raspberry Pi的位置以及安装在万用板上的零部件的位置而有所不同。因此，比较可靠的做法是，在所有零部件安装完毕后，再测量实际尺寸并确定打孔位置。
此外，外壳背面带有防滑橡胶脚垫。最好选用可以用双面胶粘贴的脚垫类型，这样比较方便。
硬件安装到此结束。另外，外壳等的选择是灵活的，我介绍的只是其中一个例子。希望您使用自己喜欢的外壳不受拘束地制作属于自己的作品。
这次我使用的零部件清单可以点击以下链接下载：
在下一部分，将为您介绍使用Python编写的装置控制程序，敬请期待！
本系列连载的内容
第1部分：装置概况和咖啡萃取
第2部分：硬件制作（本文）
第3部分：使用Python完成控制软件
第4部分：远程设置软件
