家用智能豆浆机课程设计.docx

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家用智能豆浆机课程设计

家用智能豆浆机

作者姓名

专业电气工程及其自动化

指导教师姓名

专业技术职务讲师

摘要

目前流行的智能豆浆机大都采用微电脑控制，只要启动豆浆机，磨浆、滤浆、煮浆完全自动化，短短十几分钟就自动做好豆浆，既卫生可靠，又快捷方便。

本文介绍的智能豆浆机系统由PIC16C54单片机、传感器、功能电路、沸腾检测电路、磨浆电路、加热控制电路和报警电路等组成，豆浆生产完全自动化。

其工作过程是：

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，蜂鸣器长鸣一声，提示已经接通电源，指示灯LED亮起，处于待命状态。

按下全自动启动键START开始加热，当温度达到75℃左右时，停止加热；搅拌马达运转，将黄豆粉碎，豆浆过滤，而后马达停转，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，停止加热，发出报警声。

若缺水，则关闭加热器和马达，按任意键不响应，并发出急促的报警声，直到关闭电源，加水后才能继续使用。

豆浆生产的工序包括磨浆、滤浆、煮浆，而三个工序又密切配合，使生产的豆浆味道更好。

如磨浆前进行预加热，既可以提高工作效率，又缩短煮浆的时间，防止磨浆后煮浆时间过长所易造成的糊锅现象。

关键词：

PIC16C54智能豆浆机控制系统稳压电源

ABSTRACT

Atpresent,mostoftheintelligentSoya-beanmilkmachineiscontrolbymicrocomputer.AslongastheSoya-beanmilkmachinestartsworking,theprocessofgrinding,leachingandcookingisfullyautomated.AshortspanoftenminutestheSoya-beanmilkwouldbeendone.Notonlyhygienicandreliable,butalsoquicklyandconveniently.

ThisarticlediscussesthesystemoftheintelligentSoya-beanmilkmachineincludingthesingle-chipofPIC16C54,Sensor,Functionalcircuit,Boilingdetectioncircuit,Grindingcircuit,HeatingcontrolcircuitandAlarmcircuit.Thecourseisthat:

Atfirst,addsomesoybeanintheblender'sfilter,pouredanappropriateamountofwaterintotheblenderandinstalledblender.Whenconnectedtopowersupply,thebuzzersoundedonce,tipshavebeenconnectedtopower,theLEDlightup,tipstheSoya-beanmilkmachineinthestandby.PressthebuttonofSTARTtostartheating.Whenthetemperaturereachedaround75℃stopheating,StirringmotoroperationwillbecrushedsoybeansandtheSoya-beanmilkisfiltered,thenthemotorstoppedandstartedheatinguntilboiling,andstopheating,issuedawarningsoundpromptedmilkhavebeendone.Ifalongtimenottodrinkandbecomecool,pressthebuttonofHEATtostartheatingagainuntiltoboilingandissuedawarningsound.Ifdry,turnofftheheaterandmotor,pressanybuttonnottorespond,andissuedaalarmsounduntiladdingenoughwatertocontinuetouseit.

TheSoya-beanmilkproductionprocessesincludinggrinding,leachingandcooking.Thethreeprocessesworkedclosely,sothatmilktastesbetter.Suchaspre-heatingbeforegrindingcannotonlyimproveefficiencyandshortenthecookingtime,preventthecookingtimeistoolongtocausethepastepot.

Keywords:

PIC16C54。

Intelligentsoya-beanmilkmachine。

ControlSystem。

Stabilizedvoltagesupply

第一章设计思路与方案

1.1设计思路

由于以前的豆浆机，磨浆要过滤豆渣，豆浆熬煮也要自己动手，还要特别注意豆浆溢锅的问题，程序繁琐麻烦，给人们带来不便，针对这些情况拟定开发家用豆浆机全自动控制电路装置。

家用豆浆机全自动控制装置是在单片机的程序控制下进行工作的。

打浆时，插上电源插头，接通电源,直接按“启动”键，控制电路控制豆浆机工作。

先给黄豆加热，并由传感器检测温度，当温度达到75℃左右时，停止加热。

启动磨浆电机开始磨浆，磨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5次。

磨浆完后，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16次，豆浆加工完成，间歇10秒后发出音响信号。

1.2方案设计

方案1：

此方案由单片机、传感器、加热电路、磨浆电路、报警电路组成。

其工作原理是先加热，加热到一定温度后，开始磨浆，磨浆完后，磨浆停止，又开始加热即煮沸后，立即停机，报警提示。

如图1-1所示

图1-1方案1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。

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5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16次，豆浆加工完成，间歇10秒后发出音响信号。

如图1-2所示：

图1-2方案2设计框图

1.3方案论证

方案一如图1-1所示，由单片机、传感器、加热电路、磨浆电路、报警电路组成。

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“加热”键开始加热，加热到一定温度后，开始磨浆。

磨浆结束后，又加热直到豆浆沸腾煮熟，停止加热，发出柔和的报警声，提示豆浆已经做好。

其缺点是：

没有检测缺水和沸腾溢出。

方案二如图1-2所示，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。

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，蜂鸣器长鸣一声，提示已经接通电源，指示灯LED亮起，处于待命状态。

按下全自动启动键START开始加热，当温度达到75℃左右时，停止加热；搅拌马达运转，将黄豆粉碎，豆浆过滤，而后马达停转，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，停止加热，发出报警声。

若缺水，则关闭加热器和马达，按任意键不响应，并发出急促的报警声，直到关闭电源，加水后才能继续使用。

进行论证后，选择第二种方案。

其原因是：

①加工方式是全自动的。

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的时间，防止粉碎后煮浆时间过长所易造成的糊锅现象。

第二章单元电路设计

2.1传感器的设计与选用

2.1.1传感器的作用与组成

传感器一般由敏感元件和转换元件组成。

其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分，由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源。

随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理转换电路与敏感元件一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里，如图2-1所示。

图2-1传感器组成框图

工业生产自动化过程中，传感器与计算机结合在检测、监视和控制温度、压力、流量、液位、PH等参数时发挥至关重要的作用，以此设备工作在最佳状态，成本消耗最低，产品质量最高。

2.1.2传感器的设计

家用豆浆机的串励电机工作转速可以达到12Kr/min左右，大约一分钟就可将豆子彻底粉碎。

但由于该电机不可长时间连续运转，为了提高工作效率，粉碎前需要将水温加热至75℃左右，所以需要先设计传感器来作测温计。

热敏电阻的基本特性是电阻与温度之间的关系，其曲线是一条指数曲线，可用式2-1表示：

（2-1）

式中：

RT——温度为T时的电阻值；

A——与热敏电阻尺寸、形式、以及它的半导体物理性能有关的常数；

B——与半导体物理性能有关的常数；

T——热敏电阻的绝对温度。

若已知两个电阻值R1和R2以及相应的温度值T1和T2，便可求出A，B两个常数。

（2-2）

（2-3）

将A值代入式（2.1）中，可获得以电阻及R1作为一个多数的温度特性表达式：

（2-4）

通常取20℃时的热敏电阻的阻值为R1，称为额定电阻，记作R20；取相应于100℃时的电阻R100作为只R2，此时将T1＝293K，T2＝373K代入式（2-2）可得：

（2-5）

一般生产厂都在此温度下测量电阻值。

而可求得B值。

将B值及R20代人式（2-4）就确定了热敏电阻的温度特性，如图2-2所示。

称B为热敏电阻常数。

图2-2温度特性曲线

热敏电阻在其本身温度变化1℃时，电阻值的相对变化量，称为热敏电阻的温度系数。

即

（2-6）

由式（2-4）可求得

（2-7）

a值和B值都是表示热敏电阻灵敏度的参数，热敏电阻的电阻温度级系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。

热敏电阻在不同温度时的电阻值，可用惠斯通电桥测得。

半导体热敏电阻是一种新型的测温元件，由其电阻-温度特性曲线，可以看出其阻值随温度升高而很快减小，用它来设计测温计或传感器是很灵敏的。

比较器电路由双运放LM358和电阻、电容等组成，LM358采用12V供电，当LM358的负输入端电压高于正输入端电压时，输出为低电平，RB7输入为低电平；当LM358的负输入端电压低于正输入端电压时，RB7输入为高电平。

负端输入电压随热敏电阻RT阻值的变化而变化。

负温度系数（NTC）热敏电阻RT是采用单一高纯度材料、具有接近理论密度结构的高性能陶瓷，它最基本的性质就是电阻值随温度上升而下降。

电阻变化与温度变化的具体关系如式（2-4）所示：

。

其中，RT和R0为电阻值，T和T0为绝对温度，B值是一个表征NTC的电阻值与绝对温度的关系的常数。

热敏电阻的B值并非是恒定的，其大小因材料构成而异，最大甚至可达5K/℃，因此在较大的温度范围内应用式（2.4）时，将会与实测值之间存在一定误差。

本系统中使用的NTC热敏电阻的参数为：

25℃时的阻值为22K，B值为4200，代入式（2-4）可以求得RT为2.2K时的温度为75℃。

当温度小于75℃时，热敏电阻的阻值大于2.2K，此时负端输入电压低于正端输入电压，输出为高电平，当温度高于75℃时，热敏电阻的阻值小2.2K，此时负端输入电压高于正端输入电压，输出为低电平，停止加热，开始打浆。

75度检测电路如图2-3所示：

图2-375℃检测电路

2.1.3传感器的选用

要测量壶中水的温度，需要体积小的温度计，而热敏电阻传感器的结构简单，体积小，电阻小，电阻率高，热惯性小，所以选它作为豆浆机的测温计。

2.1.4传感器的工作原理

金属的导电是靠自由电子在电场的作用下作定向运动，当温度升高时，自由电子的数目基本不增加，只有自由电子做无规则运动的动能增加了。

由此，在一定电场作用下，使自由电子作定向运动就会遇到更多的阻力，即电阻值增加了。

而半导体参加导电的是载流子（为自由电子和空穴两种异性电荷），由于半导体中的载流子数目要比原子的数目少几千倍到几万倍，相邻自由电子之间的距离是原子之间距离的几十倍到几百倍，所以在一般情况下它的电阻值很大。

当温度升高时，半导体中更多的价电子获得热能而激发，挣脱核束缚成为载流子，因而参加导电的载流子数目增加了，所以半导体的电阻值随温度升高而急剧减小，且按指数规律下降，呈非线性。

2.2单片机处理电路的设计与选用

随着科学技术的不断发展，采用单片机控制的产品已经十分普遍，涉及的领域也越来越广泛。

在家电领域中，如豆浆机，它以单片机为核心，在单片机控制下，完成从预热、打浆、煮浆和报警等过程全自动化，使豆浆营养更加丰富，口感更加香泽。

2.2.1单片机的选用

单片机种类繁多，使用较多的是MCS-51系列。

美国Microchip公司推出的PIC系列8位单片机是业界率先采用的精简指令集计算机（RISC—ReducedInstructionSetComputer）结构，是一种具有高性价比的嵌入式控制器。

PIC系列单片机具有高速度、低工作电压、较大的输入输出直接驱动能力（可直接驱动LED负载）、低价一次性编程（OTP—OneTimeProgramanable）技术、低功耗、小体积等优点。

在全球各地，目前都可以看到PIC系列单片机在办公自动化设备、消费电子产品、电讯通信、智能仪器仪表、汽车电子、金融电子等领域中的广泛应用。

我选用PIC16C54单片机，内含512×12位EPROM，25字节通用RAM，18引脚，内部自振式看门狗（WDT），支持低成本的RC振荡，体积小，价格低廉，适合小家电智能控制。

2.2.2单片机作用及组成

单片机自动控制豆浆机完成从预热、打浆、煮浆和报警整个工序，避免了繁

琐的手工操作。

PIC16C54主要资源：

·512×12位EPROM·25字节通用RAM

·12根双向I/O线·TMRO定时/计数器

·上电复位POR电路·复位定时器

·自振式看门狗WDT

PIC16C54采用8位宽的数据总线和12位宽指令总线相互独立的哈佛（Harvard）结构，与其它一些单片机相比，程序代码更紧凑，指令执行速度更快。

从引脚OSC1输入或振荡电路产生的时钟信号在内部经四分频产生四个不重叠的时钟Q1，Q2，Q3，Q4。

程序计数器PC在每个Q1节拍间加1，指令在Q4节拍从程序存储器中取出并锁存于指令寄存器中，在下一指令周期被译码并执行。

因此，在程序执行过程中，取指令与执行指令可重迭进行，即当一条指令被执行时，下一条指令已从程序存储器中读出。

其时钟指令时序如图2-4所示：

图2-4时钟、指令时序

2.2.3单片机的结构、引脚及功能

（1）PIC16C84单片机结构如图2-5所示

图2-5PIC16C54单片机结构

（2）单片机的引脚：

RA0-RA3：

可位控4位双向I/O口，输入为TTL电平。

RB0-RB7：

可位控8位双向I/O口，输入为TTL电平。

T0CKI：

定时器/计数器TMR0的外部触发计数信号输入端。

软件定TMR0为计数器时，此引脚上的信号上升沿或下降沿用于计数，可通过软件设置OPTION寄存器相应的控制位选择触发边沿，当TMR0为内部时钟源时，该引脚当接VDD或VSS，以减少功耗。

MCLR：

当为低电平时，单片机复位

VSS：

地端

VDD：

电源电压

OSC1：

振荡信号输入端

OSC2:

振荡信号输出端

（3）单片机内部功能，如图2-6所示：

图2-6PIC16C54单片机内部功能

2.3缺水、沸腾溢出电路设计

2.3.1缺水、沸腾溢出电路的作用及组成

①缺水、沸腾溢出电路的作用是以传感器作为信息采集系统的前端单元来控制豆浆机缺水时干烧和沸腾溢出等问题。

②缺水、沸腾溢出电路由碳膜湿敏传感器、单片机和电阻组成。

在绝缘的聚苯乙烯基片上制备两个电极，而后在电极之间喷涂一层含有碳粉粒的有机胶状纤维素湿膜，便构成了碳膜湿敏传感器。

湿敏膜由下列材料组成：

　　1）碳粉粒。

碳粉粒的直径约为3.5µm，主要用来构成连接两电极的导电网。

　　2）水溶性粘合剂。

粘合剂一般选用体积随温度变化而变化的粘接剂材料，如纤维乙醚等。

它的主要作用是用来固定碳粉粒。

　　3）湿润性可塑剂。

可塑剂的作用是使粘合剂的亲水性增加。

　　4）分散剂。

分散剂的功能在于使碳粉粒芬散均匀。

　　当碳膜湿敏电阻器吸湿后，由于体积增大使碳颗粒的密度降低，碳颗粒之间的距离增加，从而造成电阻值的增大；当干燥时，湿敏膜脱水收缩，碳颗粒之间的距离减小，从而又使电阻值变小。

其碳膜湿敏传感器形状如图2-7所示：

图2-7碳膜湿敏传感器

2.3.2缺水、沸腾溢出电路工作原理

PG是装在豆浆机搅拌壶底的参考地电极，经R10（100Ω）接地。

PW是装在搅拌壶中部的缺水检测电极，PF是装在搅拌壶顶部的沸腾溢出检测电极。

正常工作时，PW和PG被水淹没，PW和PG之间的电阻很小，RA0脚输人低电平；若缺水，PW露出水面，与PG之间的电阻很大，此时RA0脚输人高电平，加热管、马达均不工作，从而实现缺水保护，同时蜂鸣器发出急促报警声。

用软件检测RA0脚的输人电平，便知豆浆是否缺水。

用同样方法可检测豆浆是否沸腾溢出。

豆浆沸腾之前，PF远离水面，PF和PG之间的电阻很大，RA1脚为高电平，当泡沫上升，接触到防溢电极时，PF和PG之间电阻较小，RA1脚转为低电平，用软件检测RA1脚的输人电平，便知豆浆是否沸腾溢出。

缺水、沸腾溢出检测原理如图2-8所示。

图2-8缺水、沸腾溢出检测电路

2.4报警电路设计

报警电路的作用是通过蜂鸣器发出声音信号，提示主人豆浆已经煮好。

声音信号电流从单片机的PB4脚输入到三极管T4，使功率放大，以驱动蜂鸣器B2发出声音。

报警电路如图2-9所示：

图2-9报警电路

报警电路由单片机PIC16C54、电阻R4、三极管T4、与蜂鸣器B2组成。

通过事先编写的程序，在单片机的控制下，系统开始工作，当加热完成后，单片机RB4脚自动输出一个高电平，通过电阻R4使三极管T4饱和导通，于是蜂鸣器B2发出报警声，提示主人加热完成。

2.5磨浆及加热电路设计

磨浆电路的作用是通过电机，把豆子搅拌成粉沫。

加热电路的作用是通过加热管，把搅拌成粉沫的豆子加热煮熟。

单片机输出电流经三极管放大，以此驱动继电器闭合，使电机转动，将豆子搅拌成粉粒。

同理，使加热管把东西煮熟。

磨浆及加热电路由继电器K1、K2，三极管T2、T3，电阻R15、R16，电容C6、C7以及二极管D1、D2，单片机PIC16C54组成。

当按下加热键HEAT时，赋给RA3一个低电平，软件检测到PA3变为低电平后，赋给单片机RB6脚一个高电平，使三极管T2饱和导通，电流流过继电器K1，使K1闭合，于是电机开始磨浆。

在系统程序控制下，打浆按间歇方式进行。

电机运转20秒后，单片机RB6脚变为低电平，使三极管T2截止，继电器K1断开，电机停止工作。

间歇10秒后，单片机RB6脚又恢复为高电平，从而继续驱动电机工作。

如此循环5次后磨浆结束，单片机RB5脚变为高电平，使三极管T3饱和导通，从而让继电器K2闭合，电阻丝R（HEAT）开始工作对豆浆加热。

当豆浆加热至75℃时，单线数字温度传感器DS1820将温度信号传给单片机，单片机检测到这个信号后，使RB5脚变为低电平，三极管T3截止，继电器K2断开，电阻丝停止加热。

磨浆及加热电路如图2-10所示：

图2-10磨浆及加热电路

2.6电源电路设计

电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性质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。

随着集成电路的飞速发展，稳压电源也迅速实现集成化，市场上已经出现各种型号的单片机集成稳压电路。

它和分立的晶体管电路比较，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。

2.6.1电源的作用及组成

（1）电源的作用：

各种电子电路都需要用稳定的直流电源供电，由整流滤波电路可以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。

为了避免这个问题，滤波电路的输出电压还应经稳压电路进行稳压。

（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。

稳压电源的组成框图如图2-11所示：

（a）稳压电源的组成框图

（b）整流与稳压过程

图2-11稳压电源组成框图及整流与稳压过程

1）电源变压器：

是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

2）整流电路：

利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。

3）滤波电路：

利用储能元件（电感或电容）把脉动直流电转换成较平坦的直流电。

4）稳压电路：

利用电路的调整作用使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

2.6.2电源技术指标

输入电压：

AC220V

输出电压：

DC5V

输出电流：

I0　1A

2.6.3整流二极管、变压器选择

据整流原理，图2-11（b）所示u3的波形可知，输出电压的平均值：

（2-8）

解得：

（2-9）

当采用半波整流电路时，由于它只利用U2的正半周，所以

（2-10）

根据图2-11（b）中所示u3的波形可知，整流二极管承受的最大的反向电压：

（2-11）

与半波整流电路中的二极管承受的最大反向电压也相同。

在单相桥式整流电路中，因为每只二极管在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半，即

（2-12）

与半波整流电路中二极管的平均电流相同。

考虑到电网电压的波动范围为±10%，在实际选用二极管时，应至少有10%的余量，选择最大整流电流IR和最高反