基于单片机的自动豆浆机控制电路设计毕业设计论文Word文档下载推荐.docx

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打浆电路

温度传感器

加热电路

报警电路

表2.1方案一设计框图

方案2：

此方案由单片机、传感器、功能电路、沸腾检测电路、磨浆电路、加热控制电路、报警电路等组成。

如图1.2所示其工作原理是豆浆机加电后直接按“启动”键，控制电路控制豆浆机进行加热，当温度达到75度左右时，停止加热，开始打浆；

打浆电机按间歇方式打浆：

运转20秒后停止转运，间歇10秒后再启动打浆电机，如此循环进行打浆6次或者4次。

打浆结束后开始对豆浆加热，豆浆温度达到一定值时，豆浆上溢。

当豆浆沫接触到防溢电极时，停止加热，间歇20秒后再开始加热，如此循环6次或者4次，豆浆加工完成后发出声光信号。

单片机

防干烧、防溢电路

电源电路

表2.2方案二设计框图

2.3方案论证

方案一如图1.1所示，由单片机、电源电路、温度传感器、打浆电路、加热电路、报警电路等组成。

工作过程是，先将黄豆放入豆浆机的搅拌器滤网内，搅拌壶内倒入适量的水，装好搅拌机。

接上电源，按下“功能键”，开始加热，加热到一定温度后，开始打浆，打浆浆结束后,又加热直到豆浆沸腾煮熟，停止加热，发出报警声，提示豆浆已做好。

其缺点是：

没有防干烧、防溢功能。

方案二如图1.2所示,由单片机、电源电路、温度传感器、放干烧电路电路、防溢电路、打浆电路、加热电路、报警电路等组成。

先将黄豆放入豆浆的搅拌器滤网内,搅拌壶内倒入适量的水,装好搅拌机。

接上电源，蜂鸣器长鸣一声，提示已接通电源，指示灯LED亮，处于待命状态。

按下全自动启动键，开始加热，温度达到80度时，停止加热；

搅拌马达运转，将黄豆粉碎，豆浆过滤，然后马达停转，又开始加热，直到豆浆沸腾煮熟，停止加热，发出报警声，提示豆浆已做好。

若豆浆较长时间没喝而变凉，按下再加热键HEAT，加热至沸腾后，停止加热，发出报警声。

若缺水，则关闭加热器和马达，并发出急促的报警声,直到关闭电源，加好水后才能工作。

进行论证后,我选择第二方案。

其原因是:

（1）加工方式是全自动。

（2）粉碎黄豆前加热可以提高工作效率；

缩短粉碎后加热至豆浆沸腾时间，防止粉碎后煮浆时间过长所易造成的糊锅现象。

第三章豆浆机控制系统的功能分析

3.1控制系统的硬件分析

豆浆机的控制系统以单片机AT89C51为控制核心，结合控制传感器，加热及打浆电路，防干烧电路及防溢电路，声光报警等控制，达到只要启动豆浆机以后，所有的控制过程都实现完全自动化的目的。

硬件上豆浆机的控制系统首先需要有一个单片机芯片作为控制核心来控制它的工作过程，开始时需要把水加热到80℃，这久需要一个温度传感器，这里采用NTC热敏电阻温度传感器，因为它灵敏度高、反应快，只是因为该温度传感器采用模拟量测量过，需要A/D转换。

由于豆浆机需要使用防干烧电极防止出现干烧情况，所以这里采用一个探针来代替传感器。

给豆浆机加热完毕后，需要启动电机开始打浆，这里选用单相串励电机，因为串励电机具有机动转矩大、过载能力强、体积小、重量轻等很多优点，并且改类型电机在家用电器使用很普遍。

当打完浆后，需要对豆浆再次加热，这里就用到防溢的装置，与防干烧装置一样，沸腾溢出装置同样采用探针来替代了传感器。

对豆浆防溢延煮后，预示着豆浆加工完成了，最后发出声光报警信号，这里选用一个报警器和发光二极管。

3.2控制系统的软件分析

软件上就是对单片机的编程，在编程前需要画出一个流程图，根据豆浆机控制系统的设计要求及目的，即插上电源、按下启动按钮并且选择功能后，如果选择功能一（富纤豆浆），且没有出现水位过低的情况，就启动加热装置对水加热，当水温达到了80℃左右，豆浆机停止加热。

启动电机高速旋转打浆，打浆共6次，每次20秒，间隔10秒。

打浆结束后，电加热器继续加热，一直加热到豆浆第一次沸腾。

豆浆第一次沸腾后，本机防溢功能自动启动，进入延煮过程。

电热器间歇加热，是豆浆反复煮沸，充分煮沸并防止溢出。

防溢延煮约8分钟结束。

工作结束后，机器发出声光报警，提示豆浆已经做好。

此时关闭开关、拔下电源插头后，即可准备饮用豆浆。

如果选择功能二（浓香豆浆），并且没有出现水位过低的情况，就启动加热装置对水加热，但水温达到了80℃左右，豆浆机停止加热。

启动电机高速旋转打浆，打浆共4次，每次15秒，间隔10秒。

打浆结束后，电加热器继续加热，一直加热到第一次沸腾。

电热器间歇加热，使豆浆充分煮熟并防止溢出。

注：

豆浆机的防干烧功能在工作过程中，自动启动。

按照上述对豆浆机控制系统的要求，完成豆浆机控制系统设计的流程图后，对单片机进行软件设计的编程来配合硬件的设计以至于完成整个豆浆机控制系统的设计。

第四章豆浆机控制系统的硬件设计

4.1电源电路设计

电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标以及能否安全可靠的工作。

目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。

随着集成电路飞速发展，稳压电路也迅速实现集成化市场上已有大量生产各种型号的单片机集成稳压电路。

它和分立晶体管电路比较，具有很多突出的优点主要体现在体积小、重量轻、耗电省、可靠性高、运行速度快，且调试方便、使用灵活，易于进行大量自动化生产。

4.1.1电源的作用

各种电子电路都要求用稳定的直流电源供电，由整流滤波电路可输出较为平滑的直流电压，但当电网电压波动或负载改变时，将会引起输出端电压改变而不稳定。

为了获得稳定的输出电压，滤波电路的输出电压还应该经稳稳压电路进行稳压。

4.1.2电源的组成

电源由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。

电源变压器：

将电网提供的220V交流电压转换成为各种电路设备所需的交流电压。

整流电路：

利用单向导电器件将交流电转换成脉动直流电路。

滤波电路：

利用储能元件（电感或电容）把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。

稳压电源：

利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。

4.1.3变压器容量、整流二极管的计算与选择

据整流原理，因为UO=O.9U2，则可以得到U2=UO/O.9=5v/0.9≈5.56V。

在考虑到变压器、绕组损耗（压降）和整流二极管的压降，在T程中必须再在上述基础上增加5%，即U2=5.56*（1+5%）≈5.83V，整流二极管的承受最大的反向电压UDl=21/2U2≈5.83V，因为稳压器的最大电流是3A，所以流过二极管的最大电流ID1=1/2Ii=0.75ID2=0.75A；

D2中的四个二极管的耐压值至少应该为8.24V，允许流过的最大电流为0.75A。

由于变压器输入的电压是220V，而副线圈输出的电压时12V，故有线圈匝数N=

=

==0.003。

变压器副边的有效值:

I2=1.ll*l.5=1.67A.变压器的容量：

S=UI=5.83*1.67=9.74W。

4.1.4电源工作原理

整个电源电路如图4.1所示，控制电路采用变压器降压、晶体二极管整流等方法获得工作电源。

当电源接入220V交流电，TR1开始对220V交流电进行降压，从次级输出12V左右的低压交流电，从而适应电路的使用要求。

整流硅对次级输出的交流电进行桥式整流，再由E2、C2进行滤波，已形成较平滑的直流电，送给三端集成正输出稳压器78L05进行稳压调整。

经78L05稳压作用后输出+5V的直流电压，经E3、C3滤波后输出纹波很低的+5V电压，作为单片机的工作电源，以保证单片机工作时的稳定和可靠。

图4.1豆浆机控制系统的电源电路

4.1.5桥式整流电路简介

桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。

桥式整流电路图如图4.4，它的工作原理如下:

输入为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl、D3导通;

对D2、D4加反向电压,D2、D4截止。

电路中构成ab、D1、R、D3通电回路，在R上形成上正下负的半波整洗电压,输入为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；

对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。

电路中构成ab、D2、R、D4通电回路,同样在R上形成上正下负的另外半波的整流电压。

图4.2

如此重复下去,结果在R上便得到全波整流电压。

其波形图和全波整流波形图是一样的。

从图4.4中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。

桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。

半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。

桥式整流器利用四个二极管，两两对接。

输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；

输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。

桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。

4.1.6稳压器的选用

集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。

由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显著优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。

常用的集成稳压器有：

金属圆形封装、金属菱形封装、塑料封装、带散热板塑封、扁平式封装、双列直插式封装等。

在电子制作中应用的较多的是三端固定输出稳压器。

78XX系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等规格，最大输出电流为1.5A。

它的工作原理：

取样电路将输出电压按比例取出，送入比较放大器与基准电压进行比较，差值被放大后去控制调整管，以使输出电压保持稳定。

它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度飘逸小的基准电压源，工作稳定可靠。

78XX系列集成稳压器为三端器件，一脚为输入端，一脚为接地端。

一脚为输出端，使用十分方便。

在此设计中我选用的是78XX系列中的78L05，它能够提供多种固定的输出电压，应用范同广。

内含过流、过热和过载保护电路。

带散热片时，输出电流可达1A，虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。

在本设计中就是利用它把12V的直流电压变成5V的稳定电压给单片机提供电源，以确保正常工作。

4.1.7稳压器简介

78L05是一种固定电压（5V）三端集成稳压器,其适用于很多应用场合.象牵涉到单点稳压场合需要限制噪声和解决分布问题的在-卡调节.此外它们还可以和其它功率转移器件一起构成大电流的稳压电源,如可驱动输出电流高达100毫安的稳压器。

图4.2为几种三端集成稳压器。

.

其卓越的内部电流限制和热关断特性使之特别适用于过载的情况。

当用于替代传统的齐纳二极管-电阻组的时候，其输出阻抗得到有效的改善,其偏置电流大大减少。

78L05特性：

　　*三-端稳压器；

　　*输出电流可达到100mA；

　　*无需外接元件；

　　*内部热过载保护；

　　*内部短路电流限制；

　　*从2004年底开始，提供的各类封装形式，均为无铅封装产品。

78L05应用须知：

　　*如果稳压器离电源滤波器有一段距离,Cin是必需的；

　　*Co对稳定性而言是可有可无的,但的确能够改善瞬态响应。

78L05典型线路图（图4.3）:

图4.3

　　注:

（1）为确定输出电压值，请选择电压值后缀（xx）

（2）为获得最佳的稳定性和瞬态响应，建议使用旁边电容并尽量可能挨着电路安装。

4.2单片机的选用

市面上的单片机很多，本设计采用AT89C51。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采ATMEL

公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可适用于提高许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

4.2.1单片机的简介

（1）主要性能参数：

兼容MCS-51产品指令系统完全兼容

4K字节可重擦写Flash闪速存储器

1000次擦写周期

全静态操作：

0Hz-24MHz

128×

8字节内部RAM

32个可编程I/O口线

2个16位定时/计数器

6个中断源

可编程串行UART通道

低耗空闲和掉电模式

（2）引脚功能

引脚如图4.2所示

图4.2

引脚功能说明：

VCC：

电源电压

GND：

地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序检验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口:

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I）。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX，@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX，@RI指令）时，口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I／O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表4.1所示

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时／计数器0外部输入）

P3.5

T1（定时／计数器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

表4.1

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE／PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的l／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的DO位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

再此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。

EA／VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

4.3温度检测电路的设计

当豆浆机正常工作时，需要先加热到80℃左右的温度，然后停止加热继续下一步的工作，所以这就需要一个温度传感器来检测水温，这里我选用的是NTC热敏电阻温度传感器，选择它是灵敏度高、反应迅速；

电阻值和B值精度高、一致性互换性好；

采用双层密封工艺，具有良好的绝缘密封性和抗机械碰撞、抗折弯能力、稳定性好、可靠性高。

4.3.1NTC热敏电阻温度传感器简介

热敏电阻传感器是对温度敏感的电阻器的总称，是半导体测温元件。

按温度系数分为负温度系数热敏电阻（NTC）和正温度系数热敏电阻（PIC）两大类。

NIC热敏电阻以MF为其型号，PIC热敏电阻以MZ为其型号。

负温度系数热敏电阻大多是由Mn（锰）、Ni（镍）、Co（钴）、Fe（铁）、Cu（铜）等金属氧化物经过烧结而成的半导体材料制成，具有很高的灵敏度和良好的性能，被大量作为温度传感器使用。

NTC负温度系数热敏电阻传感器是温度下降时它的电阻值会升高。

在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度（即温度每变化1。

c日寸电阻的变化）最高，但热敏电阻的电阻腽度曲线是非线性的。

表4.2中数据是对Vishay-Dale热敏电阻系列测得的NIC热敏电阻器性能参数。

表4.2

从数据可以看出：

25℃时阻值为10ΚΩ的电阻，在0C℃寸电阻为28.1ΚΩ，60℃时电阻为4.086ΚΩ。

与此类似，25℃时电阻为5ΚΩ的热敏电阻在0℃时电阻则为14.050ΚΩ。

其中电阻值以一个比率形式给出（R。

/R2），该比率表示当前温度下的阻值与25℃时的阻值之比，通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻温度曲线。

如果想要知道两点之间某一温度下的阻值，可以用这个曲线来估计，也可以直接计算出电阻值，计算公式如式4.1所示：

式4.1

这里T指开氏绝对温度，A、B、C、D是常数，根据热敏电阻的特性而各有不同，这些参数由热敏电阻的制造商提供。

热敏电阻一般有一个误差范围，用来规定样品之间的一致性。

根据使用的材料不同，误差值通常在1%至10%之间。

有些热敏电阻设计成应用时可以互换，用于不能进行现场调节的场合，例如一台仪器，用户或现场工程师只能更换热敏电阻而无法进行校准，这种热敏电阻比普通的精度要高很多，价格也要贵得多。

利用电阻器财热敏电阻传感器进行线性化的接口电路。

具有高增益的运算放大器，加上负反馈构成的线性电路，其闭环增益和传输特性以及它的输入、输出阻抗基本上取决于外部的反馈元件，因此，使用运算放大器进行线性信号的处理是非常方便的。

实际中常用运算放大器构成反相放大电路和同相放大电路作为测量温度的接口电路，如图2为热敏电阻传感器运用同相放大电路进行温度测量的接口电路，该接口电路利用电阻器对热敏电阻传感器进行线性化，接口电路有电压模式和电阻模式。

二者的作用都是实现线性化。

图4.3用固定电阻器R．就可以实现线性化，称为电压模式。

图4.3热敏电阻传感器的测温接口电路

式4.2中，电阻Rl将热敏电阻的电压拉升到参考电压，一般它与ADC的参考电压一致，因此如果ADC的参考电压是5V，Vref也将是5V。

热敏电阻和电阻串联产生分压，其阻值变化使得节点处的电压Vl也产生变化，该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。

式4.2

由于热敏电阻是一个电阻，电流流过它时会产生一定的热量，热敏电阻消耗的能量对温度的影响用耗散常数来表示，它指将热敏电阻温度变化1。

G昕耗散的功率。

耗散常数与热敏电阻的结构、形状以及所处介质的种类、状态等有关[H1。

因此设计测温接口电路时应确保拉升电阻足够大，拉升电阻的阻值毖须进行计算，以限定整个测量温度范围内的自热功耗，防止热敏电阻自热过度导致系统产生测量误差。

一般系统所允许的自热量及限流电阻大小由测量精度决定，测量精度为±

5。

C白勺测量系统比精度为±

1。

C测量系统可承受的热敏电阻自热要大。

给定出电阻值以后，由于热敏电阻阻值变化，耗散功率在不同温度下也有所不同。

拉升电阻Rl的值由使用温度和热敏电阻传感器的特性决定，可以用下式计算出来口1，即：

式4.3

式4.3中R是热敏电阻传感器在使用温度下