单片机功能豆浆机设计.docx

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单片机功能豆浆机设计

摘要

本设计从现代化计算机控制技术入手，利用单片机的强大智能功能，通过完整的软件与硬件的结合，模拟了一种先进的豆浆制作的自动控制系统。

根据豆浆机的工作要求与单片机功能的特点，本设计提出出一套适合实验室条件下的豆浆机控制模拟设备，主要通过单片机、温度传感器，驱动与检测电路组成。

本次设计选择的电器设备有AT89S51单片机、DS18B20温度传感器，ULN2003驱动器，继电器等。

设计硬件控制流程图、控制电路图，软件中的主程序流程图及完整的控制程序。

工作过程：

硬件电路主要以单片机为核心，根据检测电路（温度传感器及其他检查电路）送来的不同信号做出处理后，通过改变单片机输出端口的状态，控制驱动电路做出与之对应的工作；整个工作过程的控制思想有软件编程来实现，控制程序的编写是根据豆浆机在工作过程中可能遇到的情况，及对其处理的判断直到工作结束，程序执行完毕，从而完成对整个工作过程的控制。

通过系统模拟实验与下载调试表明：

该系统设计合理，自动化程度高，实验过程时间短，工作稳定可靠，基本满足了设计的相关要求。

关键词：

单片机；温度传感器；驱动芯片；按键控制；

Abstract

Thedesignofmoderncomputercontroltechnologyfromthestart,usingthepowerofintelligentfeaturesmicrocontroller,throughthecompletecombinationofsoftwareandhardwaretosimulateanadvancedautomaticcontrolsystemofmilkproduction.

Soymilk'sworkaccordingtorequirementsandfunctionalcharacteristicsofMCU,thedesignofasetofsuitablelaboratoryconditionsforSoymilkcontrolanalogdevices,primarilythroughthemicrocontroller,temperaturesensor,driveanddetectioncircuit.ThedesignchoicesofelectricalequipmentAT89S51microcontroller,DS18B20thetemperaturesensor,ULN2003drivers,relaysandsoon.Designhardwarecontrolflow,controlcircuit,thesoftwareinthemainprogramflowchartandcompletecontrolprocedures.Theworkprocess:

hardwarecircuitsmainlymicrocontrollerasthecore,Accordingtodetectioncircuit（temperaturesensorsandotherexaminationscircuit）sentadifferentsignaltomaketreatment,bychangingthestateofmicrocontrolleroutputportstocontrolthedrivecircuittomakecorrespondingefforts;theentireworkprocesscontrolideologysoftwareprogrammingtoimplementation,preparationofcontrolprogramisbasedonsoya-beanmilklikelytobeencounteredinthecourseoftheirworksituation,andforitshandlingofthejudgeuntiltheconclusionofthework,theprogramisfinished,thuscompletingtheentireworkprocesscontrol.Throughthesystemanddownloadthedebuggingsimulationexperimentsshowthat:

thesystemdesignisreasonable,highdegreeofautomation,theexperimenttimeisshort,workstableandreliableandcanbasicallymeettherelevantrequirementsofdesign.

Keywords:

microcontroller;temperaturesensor;driverchip;keystocontrol

1系统总体设计

1.1引言

随着人类的进步与社会的发展，电子产品也在飞速的发展。

在人类科学不断的进步中，我们的生活随之发生改变，全自动豆浆机也逐渐变为热销家用电器。

豆浆机之所以成为家喻户晓的家用电器，其中有很多原因推动着豆浆机的发展，人们生活节奏的加快，对时间观念的重视及奶粉、饮料事件的不断出现等，使的人们对豆浆机更加偏爱。

单片机作为整个控制系统的核心，其性能好坏对整个系统起着至关重要的作用。

早期的单片机8031，89c51等，大多采用紫外线擦除或需要专用的烧录器，在实验调试仿真时比较麻烦，且存储容量低，做大型的控制程序时，需要外接扩展存储器，造价和电路设计上都不划算，因此不宜使用。

当前比较先进的ARM嵌入式芯片，存储容量大，运算速度快，智能度强大，外围引脚丰富，稳定性高，是比较合适的选择[1]。

但由于其价格昂贵，使豆浆机的成本大大增加，不适合大众消费。

而当前应用比较广泛的AT89s51单片机及其同类单片机，有智能度高，外围电路成熟，成本低且存储容量可以满足要求，使用比较方便。

所以无论从价格，还是功能上考虑，都是比较合适的选择。

1.2豆浆机控制系统的总体介绍

本设计控制电路要求：

首先，具有检测豆浆机缸体内是否有水，水量是否过少，以防加热器干烧，遭到损坏，造成不必要的损失。

其次，根据人们的放料及主观意识选择打浆方式。

本系统共设置了三种工作方式：

五谷浆，全豆豆浆及果蔬浆。

在打浆工作中能根据温度传感器输出信号，能分别控制高温煮豆，启动打浆，文火熬浆，防溢出和工作完毕自动报警等功能。

最后是电路板的设计，选用双层布线方式，既节省材料，又提高了集成度。

设计产品制作过程：

根据前期设想对部分电路进行模拟调试通过后，画出原理图，制作印制电路板文件，印制电路板，焊接元器件，调试电路板排查故障，通过后根据豆浆机功能要求编写程序并调试及在电路板上模拟仿真。

1.3豆浆机功能的设计

一般豆浆机可分为：

纯豆豆浆机，五谷豆浆机，多功能豆浆机和冷热多功能豆浆机。

本设计为多功能豆浆机，其他豆浆机只是在此基础上加减部分元件及改变部分模块程序，这里就不再叙述。

多功能豆浆机可以制作纯豆豆浆，五谷浆和果蔬浆。

它们的制作是有人们根据原料的不同，选择对应的功能键，然后调用相应的其工作程序。

纯豆豆浆的制作，根据大豆的成分，经过8小时左右的清水浸泡，使其变得疏松，既有营养价值，又方便研磨。

在加热器加热到一定温度时，有温度传感器发出信号，启动打浆，此时分别做打浆煮沸工作。

经过三遍后，开始文火熬浆及研磨搅拌工作（两遍），直到熬浆结束，报警提示，本次打浆即为五遍打浆法。

五谷浆的制作，由于五谷原料杂乱，浸泡不方便，一般就直接打浆，考虑到原料的硬度不同，并使五谷充分混合，本次打浆采用六遍打浆法，其具体做法与上同。

果蔬浆的制作，一般果树比较软，并要考虑其新鲜口感，所以无须多遍研磨及搅拌，本次打浆采用四遍打浆法。

1.4豆浆机控制电路的硬件选择

在硬件选择上为了有利于购买和实验方便，根据当前市场上各种处理器的性价比，本设计选择AT89C51单片机，温度检测采用DS18B20温度传感器，对交流电机的控制采用5V5脚继电器，对加热器的控制采用两个5V8脚继电器，因为豆浆机的功能要求，加热器具有“高温煮沸，文火熬浆”，所以对其控制采用两路电源。

报警装置采用普通蜂鸣器。

对继电器，蜂鸣器的驱动采用ULN2003，它即可满足由单片机输出端口直接控制驱动，同时可兼做无水防干烧与防溢出用。

只是2003是高电平有效，这与单片机个管脚上电就输出高电平有点冲突，但考虑到其价格低廉，控制简单，在这里仍然用它，只需在其前段加一电平转换即可。

各器件的具体用法将在下文一一说明。

1.5豆浆机工作算法的构思

根据家用电器的特点：

控制电路简单，使用方便易学、易懂等。

编程思路如下图1—1。

图1-1豆浆机工作的算法

本设计从无水防干烧开始，缸体内水量达到，检测电路送出一个高电平，无水则报警。

编程容易实现，只是检测信号电路不好设计。

整个烧水煮豆过程是不确定的，当温度达到以后定时器开始计时，以后的工作有时间的限制。

对温度传感器的启用与控制需要严格的时间限制，这部分程序的编写是复杂而繁琐的。

在进行煮豆与打浆的切换，高温与文火的切换都有时间的控制，需要用到定时器中断中断；在煮豆防益，熬浆防益上不仅要用到外部中断，还要用到记时延时。

这些部分是一个连贯的过程，又有着不确定时间。

因此，实现起来不太容易，这正是整个程序核心。

整个程序调试过程中，这部分出现的问题最多。

对问题的排除是，整体改过后，在逐步调试，一点一点添加功能模块，最终得到实现。

软件编程语言采用C语言。

2硬件电路设计

2.1控制电路硬件简述

一个完整的控制系统，单纯依靠一块单片机是远远不够的。

它必须与外围电路元件相互搭配，共同完成任务[2]。

本设计用到的外围电路有：

温度检测电路，驱动电路，LED显示电路，按键接口电路等。

要是个部分电路能在一起稳定的工作，就要让他们衔接的很匹配，如各部分电路对电压、电流的要求等都要合理的设计。

下面是对各部分硬件电路的介绍。

如图2-1所示。

图2-1硬件流程图

2.2硬件电路设计

以下是对本设计中的电路设计部分、硬件选取及元器件的用法等的介绍。

2.2.1单片机的简介

单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）简称单片机，是指集成在一块芯片上的计算机，它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低、等优点。

单片机技术作为计算机技术的一个重要分支，广泛地应用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器、电子玩具等各领域。

尽管单片机种类很多，但无论是从世界范围还是从全国范围来看，使用最为广泛的应属MCS-51系列单片机。

其生产厂家有：

Intel公司、Atmel公司、Philips公司等。

本设计采用Atmel公司的AT89S51，其它厂家单片机这里不再多说，以下是对AT89S51的介绍。

2.2.2AT89S51单片机

Atmel公司生产的AT89S51单片机是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，内部除CPU外，还包括128B的内部用户数据存储器RAM，4KB的内部用户程序存储器，4个8位并行可编程I/0口，2个16位计数/定时器，5个中断源，2个优先级别，1个可编程的串行通信口。

以下是对各部分的具体介绍：

内部介绍：

（1）中央处理器又称CPU，是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

（2）数据存储器又称RAM，S51（AT89S51）内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型数据。

并具有64KB外部数据存储器寻址空间。

（3）程序存储器又称ROM，S51共有4KB的掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

并具有64KB外部程序存储器寻址空间。

（4）定时/计数器，S51有两个16位的可编程定时/计数器，称为定时器0（T0）和定时器1（T1）。

T0有专用寄存器TH0和TL0组成，T10有专用寄存器TH1和TL1组成。

并且可编程定时/计数器的工作方式、定时时间、计数值、启动、中断请求等都可以由程序设定。

（5）中断系统，S51的中断功能较强，可满足控制应用的需要。

共有5个中断源，即两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，并具有两个优先级别的选择。

（6）时钟电路，S51内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。

用于产生整个单片机运行的脉冲时序，系统允许的晶振频率一般位6MHz和12MHz，在应用精度要求较高的场合一般选用11.0592MHz，可以使定时器/计数器更精确。

以上是从S51单片机的内部介绍，下面再从外部看其结构。

如图2-2所示。

图2-2S51的外部结构

外部介绍：

有外部结构图我们可以看到，S51单片机有40个管脚。

正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，一个复位端RESET,/EA,ALE,/PSEN三根线，P0-P3共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。

现在我们对这些引脚的功能加以说明：

（1）主电源引脚Vcc和Vss

Vcc（40脚）：

主电源接＋5V

Vss（20脚）：

接地

（2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2：

接外部晶体振荡器的引线端。

当使用芯片内部时钟时，两引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

这两个引脚连接的电路成为时钟电路，用来产生单片机正常工作时所需要的时钟脉冲信号。

（3）控制信号RST/Vpd、ALE/（/PROG）、/PSEN和（/EA）/Vpp

RST/Vpd（9脚）：

复位端。

高电平有效，保持在2个机器周期宽度以上，使单片机复位，用于完成单片机的复位初始化操作。

在进行单片机应用系统设计时，这个引脚一定要连接相应的电路，即复位电路。

该引脚有复用功能，Vpd为备用电源输入端，防止主电源掉电。

ALE/（/PROG）（30脚）：

地址锁存信号端。

访问片外存贮器时，ALE作低八位地址的锁存控制信号。

平时不访问片外存贮器时，该端以六分之一的时钟振荡频率固定输出脉冲。

ALE端负载驱动能力为8个LSTTL门。

该引脚有复用功能，为片内程序存贮器编程（固化）的编程脉冲输入。

/PSEN（29脚）：

片外程序存贮器读选通信号端。

负载能力为8LSTTL门。

（/EA）/Vpp（31脚）：

/EA端接高电平时，CPU取指令从片内程序存贮器自动顺延至片外程序存贮器。

/EA端接低电平时，CPU仅从片外程序存贮器取指令。

该引脚有复用功能，Vpp为片内程序存贮器编程时的编程电压。

（4）输入/输出引脚P0、P1、P2和P3口

P0.0～P0.7（39～32脚）：

访问片外存贮器时作为低八位地址线和八位数据线（复用）。

负载能力为8个LSTTL门。

P1.0～P1.7（1～8脚）：

8位准双向I/O口。

负载能力为3个LSTTL门。

P2.0～P2.7（21～28脚）：

访问片外存贮器时作为高八位地址线。

P3.0～P3.7（10～17脚）：

8位准双向I/O口。

负载能力为3个LSTTL门。

另外还有专门的第二功能。

P3口的第二功能是

P3.0（10脚）：

RXD（串行口输入端）

P3.1（11脚）：

TXD（串行口输出端）

P3.2（12脚）：

/INT0（外部中断0输入端）

P3.3（13脚）：

/INT1（外部中断1输入端）

P3.4（14脚）：

T0（定时器/计数器0外部输入端）

P3.5（15脚）：

T1（定时器/计数器1外部输入端）

P3.6（16脚）：

/WR（片外数据存贮器写选通信号输出端）

P3.7（17脚）：

/RD（片外数据存贮器读选通信号输出端）[3]

下图是单片机工作的最小模块，如图2-3所示。

图2-3单片机最小工作模块

2.2.3驱动及检测电路

本设计选用的驱动芯片是ULN2003，它具有价格便宜、原理简单易使用、工作稳定性高，并且可兼做豆浆机的无水防干烧和防溢出检测器用。

以下将对其进行详细介绍。

ULN2003的外部结构如图2-4所示。

图2-4ULN2003的外部结构

从ULN2003外部结构图上，可以很轻松的看出各管脚的功能，这足以说明它的使用相当简单。

它有一个接电源引脚，一个接地引脚，六路输入对应着六路输出。

ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。

其特点是：

①ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

②ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

③ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装。

由于其接口可以与多种元件直接连用，且封装常规已购买、驱动电流大使用方便等特点。

因此常被用在数字电路及大电流高电压的灯、继电器、打印机锤和其它类似负载电路的接口处。

也是本设计比较理想的驱动芯片。

图2-5内部构造图

图2-6工作原理图

由其内部构造图和原理图可知，该芯片是高电平有效、集电极输出的开关元件。

这里画出原理图供大家参考一下，其原理不再多说，只要懂得它的用法即可。

下图是ULN2003在电路中的用法，如图2-7所示。

图2-7驱动电路

电路图中的PA是豆浆机的两路检测电路：

无水防干烧与防溢出。

实现方法是：

利用水的导电特性，将5V电压放入缸体中及PA的1端放入缸体，再将PA的2端放入缸体，如果有水的话它们即通过水连接在一起，因为水的电阻在15K欧姆左右，不会引起电流过大，烧坏元器件。

因而可以利用检测ULN2003的2脚是否有高电平来判断缸体内是否有水。

其具体方法是：

将PA的2脚接在ULN2003的2脚，由于ULN2003的输入端是高电平有效，当某一输入端有效时，对应输出端变为接地，这样再将ULN2003输出端的2脚接在单片机的P27脚上，通过单片机检测其指定端口电平的高低，即可作出有水无水的判断。

同理，将PA的3脚放在接近缸口的地方，利用水的导电性与ULN2003的输出端，单片机即可检测有无溢出。

值得注意的是，豆浆机什么时候溢出，是一个不确定的因素。

根据单片机针对突发事件处理的功能，这里要接指定端口，即外部中断端口P32或P33。

因为单片机不能直接对交流电进行控制，但可以控制继电器的断开与闭合，从而实现对交流电的控制。

ULN2003的12脚、13脚，即输出端的4脚、5脚为加热器继电器，即8脚继电器的驱动控制端，因为豆浆机在工作的时候分为：

高温煮豆与文火熬浆，所以这里选用两个继电器来控制。

在高温煮豆时有继电器K2工作，为加热器接通220V电源。

在文火熬浆时让继电器K3工作，为加热器接通110V电源。

为了安全期间，以防驱动芯片损坏，造成220V与110V同时导通。

这里采用具有互锁功能的继电器，确保它们不会同时得电而损坏元器件的器件[4]。

接着是研磨、搅拌电机的继电器驱动控制端ULN2003的11脚，即输出端的6脚。

这里没有必要为豆浆机的电机采用调速控制，因为采用调速控制与不用调速控制，对豆浆的味道几乎都没有区别。

但采用调速控制虽然可以减少电能损耗，却要使豆浆机的成本增加。

以企业对现在市场上豆浆机的定位及大众对豆浆机的消费情况来看，不易采用调速控制。

在所有继电器下面都并联了一个续流二极管，用来对继电器断电后产生的电流进行处理。

最下面ULN2003的第10脚，即输出端的7脚，接的是蜂鸣器的驱动控制端，用于报警作用。

ULN2003的所有驱动控制端，全部接在单片机上，由单片机根据情况来做出具体控制。

对于ULN2003的部分输入端口，驱动电流要求交大一点，可以在其对应段加一上拉电阻皆即可。

由于单片机上电时瞬间各I/O管脚默认为高电平，而ULN2003的输入端是高电平有效，这样在上电的一瞬间将会造成加热器继电器、电机继电器误动作。

而加热器继电器电路才拥有互锁功能，上电瞬间系统不会有什么表现。

只需要在ULN2003驱动电机的控制端加一电平转换即可，电路原理如图2-8所示。

图2-8电平转换电路

电路原理是：

在ULN2003的电机控制端加一PNP三极管，使其工作在饱和与截止状态，因三极管是PNP型，在其控制端基极为低电平有效，这样就可以完成电平转换了。

2.2.4温度传感器的控制电路

温度传感器的选择

温度传感器有很多种，如热电偶温度传感器、铂电阻温度传感器、红外温度传感器、数字温度传感器等。

为了便于实验，并且自己有实物，本设计采用数字温度传感器DS18B20。

DS18B20的简介

DS18B20是美国DALLAS半导体器件公司推出的单总线数字化智能集成温度传感器。

单总线（1-Wire）是DALLAS公司的一项专有技术,它采用单根信号线,既传输时钟又传输数据,而且数据传输是双向的,具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。

[5]

DS18B20的特点及内部构造

特点如下：

①采用独特的单总线接口方式，即只有一根信号线与控制器相连，实现数据的双向通信，不需要外部元件；

②测量结果直接输出数字温度信号，以单总线串行传送给控制器，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；

③支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三根线上，实现组网多点测量；

④适应电压范围宽3.0-5.5V，不需要备份电源、可用数据线供电，温度测量范围为-55℃~125℃，-10℃~85℃时测量精度为±0.5℃；

⑤通过编程可实现9~12位的数字值读数方式，对应的可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃，0.0625℃，实现高精度测温；

⑥负压特性。

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

封装图及内部构造，如下图所示。

图2-10DS18B20的封装

引脚功能如下：

NC:

空引脚,悬空不使用;

VDD:

可选电源脚,电源电压范围3~5.5V。

工作于寄生电源时,此引脚应接地;

I/O:

数据输入/输出脚,漏极开路,常态下高电平。

DS18B20采用3脚TO-92封装或8脚SOIC及CSP封装方式。

图2-8所示为DS18B20的内部结构框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位光刻ROM及单总线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM）、存储与控制逻辑、用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器、结构寄存器、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等八部分。

64位ROM的结构如图2-11所示，开始8位是产品类型的编号；接着是每个器件唯一的序号，共48位；最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可采用单线进行通信的原因。

非易失性温度报警触发器TH、TL，可以通过编程写入用户报警上下线数据。

图2-1164位ROM示意图

DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPROM。

高速暂存RAM的结构位9