家用豆浆机全自动控制装置课程方案设计.docx

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家用豆浆机全自动控制装置课程方案设计

毕业设计

家用豆浆机全自动控制装置

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　日　期：

指导教师签名：

日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　日　期：

摘要

单片机控制系统抗干扰能力强，安全可靠。

电路方面用继电器隔离强电和弱电，为了避免加热器感应电对缺水检测和沸腾溢出检测的干扰，参考地电极PG不直接接地，而是经R10（100Ω）接地；系统的内部程程序稳定。

为了防止加热器干热，在主程序和子程序中，不断检测是否缺水，一旦缺水，关闭马达或加热器，并发出报警声。

报警程序为多警声输出，接通电源时，发出“滴…，滴，滴”，便于区分工作状态。

经反复测试表明,该家用豆浆机使用方便。

它能够对按键操作命令和无水干烧、加热溢出等现象实时做出判断和响应，整个工作过程流畅顺利，它的运行达到了最初的设计要求。

由于整个工作过程完全采用程序控制,可根据不同的硬件和要求,很容易通过调整相关的指令和时间常数等,实现最佳的运行效果。

关键词：

单片机程序控制

Abstract

Single-chipmicrocomputercontrolsystemanti-interferenceabilityisstrong,safeandreliable.Circuitaspectswithrelayisolationandhighvoltageelectricity,inordertoavoidelectricwaterheaterinductionoftestingandboilingtheinterferenceofoverflowdetection,referencetoelectrodePGnotdirectlygrounded,buttheR10（100Ω）grounding。

System'sinternalprocessprocedurestability.Inordertopreventtheheaterdryheat,inthemainprogramandthesubroutine,andconstantlycheckwhetherashortageofwater,onceashortageofwater,closemotororheater,andissuedawarningofsound.Alarmprogramwhichispsoundoutput,connectthepowersupply,sendout"dripdrip,drip...,",easytodistinguishbetweenworkingstate.

AftertherepeatedtestshowthatthehouseholdDouJiangJieasytouse.Itisabletocommandandkeyoperatewithoutwater,heatingdryandoverflowthephenomenonsuchasreal-timejudgeandresponse,thewholeprocesssmoothandfluent,itsoperationachievedthedesignrequirements.Becausethewholeprocesscompletelyusingprogramcontrol,accordingtodifferenthardwareandrequirements,itiseasytoadjusttheinstructionsandrelatedbythetimeconstant,achievethebesteffectofoperation.

Keyword:

Single-chipmicrocomputer,Programcontrol

第1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度左右时，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。

如图1.1所示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。

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。

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，提示豆浆已做好。

其缺点是：

没有检缺水、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。

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START，开始加热，温度达到75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，按任何键不响应，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2章单元电路设计

2.1传感器的设计与选用

2.1.1传感器的作用及组成

传感器一般由敏感元件、传感元件、测量电路和辅助电源四部分组成，如图2.1所示。

在工业生产自动化过程中，检测、监视和控制温度、压力、流量、液位、PH等参数，以便设备工作在最佳状态，成本消耗最低，产品质量最高，同时，在生产过程中将各个环节的参数转为电信号，并与计算机接口，实现生产自动化。

图2.1传感器组成方框图

2.1.2传感器设计与选用

（1）传感器的设计

家用豆浆机的串励电机工作转速可达到12Kr/S左右,大约一分钟时间便可将豆粒彻底粉碎。

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度左右,所以需要设计传感器来作测温计。

在一定温度范围内，半导体材料的电阻RT和绝对温度T的关系可表示为

（2.2）

其中常数a不仅与半导体材料的性质而且与它的尺寸均有关系，而常数b仅与材料的性质有关。

常数a、b可通过实验方法测得。

例如，在温度T1时测得其电阻为RT1

（2.3）

在温度T2时测得其阻值为RT2

（2.4）

将以上两式相除，消去a得

再取对数，有

（2.5）

把由此得出的b代入（2.3）或（2.4）式中，又可算出常数a，由这种方法确定的常数a和b误差较大，为减少误差，常利用多个T和RT的组合测量值，通过作图的方法（或用回归法最好）来确定常数a、b，为此取（2.2）式两边的对数。

变换成直线方程：

（2.6）

或写作

（2.7）

式中

，然后取X、Y分别为横、纵坐标，对不同的温度T测得对应的RT值，经过变换后作X～Y曲线，它应当是一条截距为A、斜率为B的直线。

根据斜率求出b，又由截距可求出a＝eA。

确定了半导体材料的常数a和b后，便可计算出这种材料的激活能E＝bK（K为玻耳兹曼常数）以及它的电阻温度系数

（2.8）

显然，半导体热敏电阻的温度系数是负的，并与温度有关。

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，它的电阻—温度特性曲线如图2.9所示，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。

图2.9温度特性曲线

为了用它来制作测温计，首先要测定它的电阻—温度特性。

这里介绍一种简单测试方法。

①取热敏电阻，如型号是RRC6型的小型热敏电阻，按图2.10所示的结构，焊上引线，套上一段塑料套管，再把它浸在熔化的石蜡锅里浸蜡封口。

图2.10热敏电阻

②把上述热效电阻接在图2.11所示的电桥臂中，图中检流计用50微安的微安表，R3为电阻箱，取R1＝R2≈4KΩ，毫安表量程可取5毫安。

图2.11

③把热效电阻放在如图2.14所示的热水瓶中，瓶中开始放冰水混合物，用0．2℃分度值的水银温度计测量水温。

图2.14

④接通电桥电源，调节W，使毫安表读数不大于1毫安，再调节R3，使电桥平衡，测出对应温度下热敏电阻的阻值。

⑤逐步提高水温，测出不同温度下的热敏电阻阻值。

图2.15伏安特性

顺便说一下，为什么测量时电桥干路中的电流不能超过一定值，这是由于热敏电阻伏安特性决定的。

热敏电阻在同一室温下的伏安特性如图2.15所示。

为什么当电流I上升到一定值后，它两端的电压U反而下降，这是由于通过热敏电阻的电流过大使它本身发热造成的（自热）。

设计热效电阻温度计应避免它进入特性的这一阶段（称为负阻段）。

设计热敏电阻温度计的电路如图2.16所示。

取R2＝R3，R1值等于测温范围最低温度（0℃）时热敏电阻的阻值。

R4是校正满刻度电流用的。

取R4值等于测温范围最高温度（100℃）时热敏电阻的阻值。

测量时首先把S2接在R4端，改变W使微安表指示满刻度，然后再把S2接在RT端，如果在0℃时，RT＝R1，R3＝R2，电桥平衡，微安表指示为零。

温度越高，RT值越小，电桥越不平衡，通过表头的电流也就越大。

这样就可以用通过表头的电流来表征被测温度的高低。

图2.16热敏电阻温度计的电路图

（2）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,电阻率高,热惯性小,所以选用它作为家用豆浆机的测温计。

2.1.3传感器的工作原理

金属导电是靠自由电子在电场作用下作定向运动,当温度升高时,自由电子的数目基本不增加,只有自由电子杂乱无章的动能增加了。

因此,在一定电场作用下,使自由电子作定向运动就会遇到更大的阻力,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及选用

2.2.1单片机处理电路的设计

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，涉及的领域也十分广泛。

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,完成从加热到磨浆再到加热烧开的过程，都不需要人工操作。

采用模糊控制的控制理念，使豆浆机具有智能控制功能，而赢得市场的认同。

如图2.17所示

图2.17单片机机处理电路图

2.2.2单片机的选用

单片机种类较多，使用较多的是MCS-51系列。

但美国Zilog公司的Z8系列单片机新颖、品种多，特别适合-家电智能化和更新换代。

Z8具有下列主要特点：

1）多累加器的结构。

内部RAM128字节或256字节单元均可作为累加器使用，方便了软件的编写，减少了软件的长度，提高了内存的利用率。

2）端口3的一些引脚可通过软件接通内部的模拟器，可用于过零检测、A/D转换。

3）矢量中断。

4）有看门狗，提高抗干扰能力。

我选用Z86E02单片机，内含512字节ROM，128字节RAM，18引脚，体积小，价格廉，特别适合小家电智能控制。

2.2.3单片机的作用及组成

单片机控制家用豆浆机完成了从加热、打浆、再加热、报警整个工序，减少人们的繁琐操作和劳动程度。

它由时钟OSC、中央处理器CPU、程序存储器ROM、数字存储器RAM、内部总线、各种I/O、定时器/计算器CTC等组成。

2.2.4单片机的结构、引脚及功能

（1）单片机结构

Z86E02单片机引脚功能图

（2）单片机的引脚

Table1.18-PinStandardModeIdentification

Pin#SymbolFunctionDirection

1-4P24-P27Port2,Pins4,5,6,7In/Output

5VCCPowerSupply

6XTAL2CrystalOscillatorClockOutput

7XTAL1CrystalOscillatorClockInput

8P31Port3,Pin1,AN1Input

9P32Port3,Pin2,AN2Input

10P33Port3,Pin3,REFInput

11-13P00-P02Port0,Pins0,1,2In/Output

14GNDGround

15-18P20-P23Port2,Pins0,1,2,3In/Output

（3）单片机的功能

Z86E02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家用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。

其碳膜湿敏传感器形状如图2.18所示

图2.18碳膜湿敏传感器形状

在绝缘的聚苯乙烯基片上制备两个电极,然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。

湿敏膜主要由直径约为3.5um的碳粉粒、随温度稳定的水溶性纤维乙醚粘合剂、湿润性可塑剂、分散剂等组成。

碳粉粒主要用来构成连接两电极的导电网；粘合剂用来固定碳颗粒；可塑剂用来增强粘合剂的亲水性；分散剂用来使碳颗粒均匀分散。

当湿敏膜吸湿后发生膨胀,由于体积增大使碳颗粒的密度降低,碳颗粒间距增加,造成电阻值增大；干燥时,湿敏膜脱水收缩,碳颗粒间距缩小,又使电阻变小。

2.3.2缺水、沸腾溢出电路工作原理

缺水、沸腾溢出检测原理如图2.19所示。

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之间电阻较大，与R7、R6共同对+5V分压，P3.1得到比P3.3高的电压,比较器1输出高电平。

缺水时，PW露出水面，和PG之间电阻很小，与R7、R6共同对+5V分压，P3.1得到比P3.3低的电压,比较器1输出低电平。

用软件检测比较器1的输出电平，便知是否缺水。

用同样方法检测豆浆是否沸腾溢出。

豆浆沸腾之前，电极PF远离水面，PF和PG之间电阻很小，与R9、R8共同对+5V分压，P3.2得到比P3.3低的电压,比较器2输出低电平。

豆浆沸腾时，泡沫淹没PF，和PG之间电阻大，与R9、R8共同对+5V分压，P3.2得到比P3.3高的电压，比较器2输出高电平。

用软件检测比较器2的输出电平，便知豆浆是否沸腾溢出。

图2.19缺水、沸腾溢出检测电路

2.4报警电路设计

2.4.1报警电路的作用

报警电路的作用是通过蜂鸣器发出声音信号，提醒主人豆浆以经煮好了。

2.4.2报警电路的设计

声音信号电流从单片机的P2.4脚输入到三极管T4，使功率放大，以驱动蜂鸣器B2发出声音。

报警电路如下图2.20所示

图2.20报警电路图

2.4.3报警电路的工作原理

报警电路由单片机Z86E02、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P2.4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发出报警声音,提醒主人加热完成。

2.5磨浆及加热电路设计

2.5.1磨浆电路的作用

磨浆电路的作用是通过电机，把黄豆搅拌成粉沫。

2.5.2加热电路的作用

加热电路的作用是通过加热管，把搅拌成粉沫的黄豆以经煮熟。

2.5.3磨浆及加热电路的设计

单片机输出电流经三极管放大，来驱动继电器闭合，使电机转动，把东西搅拌成粉粒。

同理，使加热管发热把东西煮熟。

磨浆及加热电路图如图2.21所示

图2.21磨浆及加热电路图

2.5.4磨浆及加热电路的工作原理

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，单片机Z86E02组成。

当按下加热键HEAT时，赋给P0.0一个低电平，软件检测到P0.0变为低电平后,赋给单片机P2.6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,于是电机得电开始打浆。

在系统程序的控制下,打浆机按间歇方式打浆。

电机运转20秒后,单片机P2.6脚变为低电平,使三极管T2截止,继电器K1断开,电机停止打浆,间歇10秒后,单片机P2.6脚又恢复为高电平,从而继续驱动电机工作。

如此循环5次后打浆结束,单片机P2.5脚变高电平,使三极管T3饱和导通,从而让继电器K2闭合,电阻丝R（HEAT）得电开始对豆浆加热。

当豆浆温度加热到75度时,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时,使P2.5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。

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。

它和分立的晶体管电路比较,具有很多突出的优点,主要体现在在体积小、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。

稳压电源的组成方框图如图2.22所示。

①电源变压器：

将电网提供的220V交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压。

②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。

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比较平坦的直流电。

④稳压电路：

利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。

2.6.2电源技术指标

输入电压AC220V

输出电压DC5V

输出电流I01A

2.6.3整流二极管、变压器容量的计算与选择

据整流原理，因为Uo=0.9U2则可以得到U2=Uo/0.9=5V/0.9≈5.56V。

再考虑到变压器、绕阻损耗（压降）和整流二极管的压降,在工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UD1=21/2U2≈8.24V,同理,UD2=21/2U2≈8.24V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=0.75AID2=0.75A。

综上所序,D1中的四个二极管的耐压值至少为8.24V,允许流过的最大电流为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是12V，故有N=U1/U2=220/12=18.1

由于线圈匝数比只能为一个整数，因此匝数比取18。

变压器副边的有效值：

I2=1.11×1.5=1.67A。

变压器的容量：

S=UI=5.83×1.67=9.74W。

2.6.4稳压器的选用

嵌入式控制系统的MCU一般都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作。

而设计者多习惯采用线性稳压器件（如78xx系列三端稳压器件）作为电压调节和稳压器件来将较高的直流电压转变MCU所需的工作电压。

这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会大的“热损失”（其值为V压降×I负荷），其工作效率仅为30%～50%。

加之工作在高粉尘等恶劣环境下往往将嵌入式工业控制系统置于密闭容器内的聚集也加剧了MCU的恶劣工况，从而使嵌入式控制系统的稳定性能变得更差。

而开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作。

因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、要么是完全截止无电流流过。

因此，开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达70%～90%。

在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。

因此，开关稳压电源可大大减少散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对MCU工作环境的有害影响。

  采用开关稳压电源来替代线性稳压电源作为MCU电源的另一个优势是：

开关管的高