家用智能豆浆机--毕业论文

家用智能豆浆机家用智能豆浆机 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 目录 摘要.1 第一章设计思路与方案.1 1.1 设计思路. 1 1.2 方案设计. 1 1.3 方案论证. 2 第二章单元电路设计.3 2.1 传感器的设计与选用.3 2.1.1 传感器的作用与组成3 2.1.2 传感器的设计 3 2.1.3 传感器的选用 6 2.1.4 传感器的工作原理6 2.2 单片机处理电路的设计与选用.6 2.2.1 单片机的选用 6 2.2.2 单片机作用及组成6 2.2.3 单片机的结构、引脚及功能7 2.3 缺水、沸腾溢出电路设计.9 2.3.1 缺水、沸腾溢出电路的作用及组成9 2.3.2 缺水、沸腾溢出电路工作原理9 2.4 报警电路设计.10 2.5 磨浆及加热电路设计.10 2.6 电源电路设计. 11 2.6.1 电源的作用及组成12 2.6.2 电源技术指标13 2.6.3 整流二极管、变压器选择13 2.6.4 滤波电路 14 2.6.5稳压器的选用.14 2.6.6 电源工作原理17 第三章系统组成及工作原理.17 3.1 系统组成. 17 3.2 系统工作原理.17 第四章程序设计.19 4.1程序流程图19 4.2 程序设计. 21 第五章结论与展望.22 5.1 结论22 5.2 展望23 参考文献24 附录25 致谢26 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 1 摘摘要要 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：关键词：PIC16C54智能豆浆机控制系统稳压电源 ABSTRACT At present, most of the intelligent Soya-bean milk machine is control by microcomputer. As long as the Soya-bean milk machine starts working, the process of grinding, leaching and cooking is fully automated. A short span of ten minutes the Soya-bean milk would been done. Not only hygienic and reliable, but also quickly and conveniently. This article discusses the system of the intelligent Soya-bean milk machine including the single-chip of PIC16C54, Sensor, Functional circuit, Boiling detection circuit, Grinding circuit, Heating control circuit and Alarm circuit. The course is that: At first, add some soy bean in the blenders filter, poured an appropriate amount of water into the blender and installed blender. When connected to power supply, the buzzer sounded once, tips have been connected to power, the LED light up, tips the 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 2 Soya-bean milk machine in the standby. Press the button of START to start heating. When the temperature reached around 75 stop heating, Stirring motor operation will be crushed soybeans and the Soya-bean milk is filtered, then the motor stopped and started heating until boiling, and stop heating, issued a warning sound prompted milk have been done. If a long time not to drink and become cool, press the button of HEAT to start heating again until to boiling and issued a warning sound. If dry, turn off the heater and motor, press any button not to respond, and issued a alarm sound until adding enough water to continue to use it. The Soya-bean milk production processes including grinding, leaching and cooking. The three processes worked closely, so that milk tastes better. Such as pre-heating before grinding can not only improve efficiency and shorten the cooking time, prevent the cooking time is too long to cause the paste pot. Keywords:PIC16C54;Intelligentsoya-beanmilkmachine;Control System ;Stabilizedvoltagesupply 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 1 传感器 加热电路 单 片 机 磨浆电路 报警电路 第一章第一章设计思路与方案设计思路与方案 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： 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 2 传感器 加热电路 缺水、沸腾 溢出电路 单 片 机 功能电路 磨浆电路 报警电路 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： 加工方式是全自动的。 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。 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 3 敏感元件转换元件信号调理转换电路 辅助电源 被测量 第二章第二章单元电路设计单元电路设计 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： TB T AeR （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； 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 4 100 20 ln1366 R R B 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） )( 1 1 TB eRA （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： )( 1 1 TBTB T eRR (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 T1293K，T2373K 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 dT dR R a 1 （2-6） 2 1 2 12 1 ln R R T TT T 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 5 由式（2-4）可求得 2 TBa （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： )( 0 0 TBTB T eRR 。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 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 6 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（RISCReduced Instruction Set Computer ) 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 (OTPOne Time Programanable ) 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 51212 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。 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 7 PIC16C54 主要资源： 51212 位 EPROM25 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 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 8 （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 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 9 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 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。 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 3.5m，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（100）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。 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 10 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。 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 11 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 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 12 电源变 压器 整流 电路 滤波 电路 稳压 电路 + u2 + u1 + u3 + uI + u0 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 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 13 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：I01A 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： 0 2)(3 )(2 1 wtSinwtdUU AV （2-8） 解得： 2 2 )(3 9 . 0 22 U U U AV （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 2 )(3 45. 0 2 U U U AV （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： 2max 2UUR（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 L AV AVD R U I I 2 )(0 )( 45. 0 2 （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和最高反向工作电压 UR分别为： L AV R R U I I 2 )(0 2 1 . 1 2 1 . 1 2 21.1UU R （2-13） 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 14 由于变压器输入的电压是 220V，二副线圈输出的电压是 12V，故有 18.1220/12/UUN 21 又线圈匝数比只能为一个整 数，因此匝数比取 18。 在稳压电源中一般用四 个二极管组成桥式整流电路 如图 2-12 所示： 2-12桥式整流电路 2.6.4 滤波电路 滤波电路一般由电容组成， 其作用是把脉动直流电压 u3中的大部分纹波加以 滤除，以得到较平滑的直流电压 UI。UI与交流电压 u2的有效值 U2的关系为： 2 )2 . 11 . 1 (UUI（2-14） 为了获得较好的滤波效果，在实际电路中应选择滤波电容的容量满足： 2 )53(T RC （2-15） 其中：T=20ms 是 50Hz 交流电压的周期。 2.6.5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的工作。 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为 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有较大的“热损失” ，其工作效率也仅为 30%50%。 加之工作在高粉尘等恶劣环境下，往往将嵌入式控制系统置于密闭容器内，这也 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 15 加剧了 MCU 的恶劣工况，从而使嵌入式控制系统的稳定性变得更差了。 而开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作， 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有更少的“热损失” 。由此，开关稳压电源可大大 减少散热片的体积和 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压作为 MCU 电源的另一优势是： 开关管 的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的 抑制作用。此外，由于“热损失”的减少，设计时还可提高稳压电源的输入电压， 这有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力。 LM2576 系列开关稳压集成电路是线性三端稳压器件（如 78xx 系列端稳压集 成电路）的替代品，它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流 驱动能力，从而为 MCU 的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。 由 LM2576 构成的基本稳压电路仅需四个外围器件，其电路如图 2-13 所示： 图 2.13稳压器电路 LM2576 系列开关稳压集成电路的主要特性如下： 最大输出电流：3A； 最高输入电压：LM2576 为 40V，LM2567 为 60V； 输出电压：3.3V、5V、12V、15V 和 ADJ（可调）等可选； 振荡频率：52kHz； 转换效率：75% 88%（不同电压输出时的效率不同） ； 控制方式：PWM（脉宽调制） ； 工作温度范围：-40+125； 工作模式：低功耗/正常两种模式可外部控制； 工作模式控制：TTL 电平兼容； 所需外部元件：仅四个（不可调）或六个（可调） ； 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 16 器件保护：热关断及电流限制； 封装形式：TO-220 或 TO-263。 LM2576 内部包含 52kHz 振荡器、1.23V 基准稳压电路、热关断电路、电流限 制电路、放电器、比较器及内部稳压电路等。为了产生不同的输出电压，通常将 比较器的负载接基准电压（1.23V） ，正端接分压电阻网络，这样可根据输出电压 的不同选定不同的阻值，其中 R1=1k（可调-ADJ 时开路） ，R2分别为 1.7 k （3.3V） 、3.1 k（5V） 、8.84 k（12V） 、11.3 k（15V）和 0 （可调-ADJ 时） ，上述电阻依据型号已经在芯片内部做了精确调整，因而无需使用者考虑。 将输出电压分压电阻网络的输出同内部基准稳压值 1.23V 进行比较， 若电压有偏 差，则可用放电器控制内部振荡器的输出占空比，从而使输出电压保持稳定。 电感 L1 的选择要根据 LM2576 的输出电压、最大输入电压、最大负载电流等 参数选择。首先，依据如下公式计算出电压微秒常数（ET） ： 10 )(TE 6 sV HzFV V VV in out outin （2-16） 上式中， Vin是LM2576的最大输入电压， Vout是 LM2576的输出电压， F是LM2576 的工作振荡频率值（52kHz） 。 该电路中的输入电容 C2一般应大于或等于 100F，安装时要求尽量靠近 LM2576 的输入引脚，其耐压值应与最大输入电压值匹配。而输出电容 C1的值应 依据下式进行计算： 13300F HLV V C out in （2-17） 上式中，Vin是 LM2576 的最大输入电压，Vout是 LM2576 的输出电压，L 是经 计算并查表选出的电感 L1的值。电容 C 的耐压值应大于额定输出电压的 1.5 2 倍。对于 5V 电压输出而言，推荐使用耐压值为 16V 的电容器。 二极管 D1的额定电流值应大于最大负载电流的 1.2 倍， 考虑到负载短路的情 况，二极管的额定电流应大于 LM2576 的最大电流限制。二极管的反向电压应大 于最大输入电压的 1.25 倍。 Vin的选择应考虑交流电压最低跌落值 （Vac-min） 所对应的 LM2576 输入电压 值机 LM2576 的最小输入允许电压值 Vmin（以 5V 电压输出为例，该值为 8V） ，因 此 Vin可依据下式计算: min min 220 ac in V V V （2-18） 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 17 如果交流电压最低允许跌落 30%（即 Vac-min=154V） ，LM2576 的输出电压为 5V（Vmin=8V） ，则 LM2576 的输入直流电压应大于 11.4V，通常可选为 12V。 2.6.6 电源工作原理 接通电源后，220V 交流电经变压器 T1降压，得到+12V 的交流电压，再经过 整流滤波电路，得到+12V 的直流电压，又经稳压器 LM2576 输出+5V 电压给单片 机供电。 整个电源电路如图 2-14 所示： 图 2-14电源电路 第三章第三章系统组成及工作原理系统组成及工作原理 3.1 系统组成 系统主要由稳压电源、PIC16C54 单片机、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 3-1 所示： （见附录） 由于该电路要控制高速电机，因此对抗干扰的要求很高。从电路方面考虑， 应充分考虑接地及屏蔽措施。另外，全部电路装在两块线路板上：单片机和按键 在小板上，安装在豆浆机的面板上；继电器、电源在一块较大的线路板上，安装 在豆浆机内部。两板间用一根 5 芯电缆连接，以提高抗干扰能力。 3.2 系统工作原理 电路由 PIC16C54 单片机控制，要全自动打浆时，插上电源插头接通电源， 220V 交流电经变压器 T1降压，得到+12V 的电压，给继电器 J1、J2和报警蜂鸣器 B2供电，稳压器输出+5V 电压给单片机。 PIC16C54 振荡频率为 500KHz，由 R11的电阻和 C5的电容值确定。如果电阻低 于 2. 2 k，振荡不稳定，甚至不能振荡；电阻高于 1 M，则振荡易受干扰。 所以电阻值最好取 5 k-100 k 之间。尽管电容值为 0 时，电路也能振荡， 但易受干扰且不稳定， 所以电容值应取 20 pF 以上。 本系统 R11的电阻值取 10k， 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 18 C5的电容值取 100 pF。 RA3 接加热键 HEAT，RA2 接全自动启动键 START。键未按下时，RA3、RA2 分 别由电阻 R13、R14拉成为高电平（+5V） 。当 START 键或 HEAT 键按下时，RA3、RA2 变为低电平，软件不断检测 RA3 和 RA2 的电平，便知道哪个键被按下，执行相应 的控制动作。 PIC16C54 的 RB4 输出报警信号，经三极管 T4的放大，驱动蜂鸣器 B2报警。 RB5 输出加热信号，经三极管 T3放大，驱动继电器 J2闭合，控制加热器 R（HEAT） 加热。RB6 输出马达驱动信号，经三极管 T2放大，驱动继电器 J1闭合，控制马达 M 运转。为了避免继电器开关断开时拉弧，分别在 J1、J2开关两端并接 RC 吸收元 件。 杯内加水不够时，PW 没被水淹没，PW 和 PG 之间电阻较大，此时 RA0 脚输人 高电平，加热器、马达均不工作，同时蜂鸣器发出急促报警声。当水位正常时， 控制电路控制豆浆机进行加热，当温度达到 75左右时，RB7 脚为低电平。单片 机控制停止加热，并输出马达驱动信号，经三极管放大，驱动继电器闭合，控制 马达运转并按间歇方式打浆：运转 20 秒后停止，间歇 10 秒后再启动，如此循环 5 次。打浆结束后开始对豆浆加热，豆浆温度达到一定值时开始上溢，泡沫淹没 PF，PF 与 PG 间的电阻较小，RA1 脚转为低电平，立即停止加热，间歇 20 秒后再 开始加热，如此循环 16 次，煮浆完成，间歇 10 秒后发出音响信号 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 19 开始 上电报警 调测水程序 START 键按 下了吗？ HEAT键按下 了吗？ 调 START 程序 调 HEAT 程 序 Y YN N 第四章第四章程序设计程序设计 4.1程序流程图 主程序流图如图 4-1 所示： 图 4-1主程序流图 接上电源，蜂鸣器长鸣一声（滴-，约 1 秒钟） ，提示已接通电源。掉缺水 检测子程序，若缺水则急促报警（滴，滴） ；若有水，则检测全自动启动按钮 START 是否按下，若按下则处理 START 程序；若没按下则加热键 HART 是否按下， 若按下则处理 HEAT 程序；若没按下则返回缺水检测程序，循环进行。 接通搅拌马达的电源，运转 20 秒，停止 10 秒，循环 5 次，保证马达间歇工 作。而后关闭马达，调缺水检测子程序，若缺水则急促报警，关闭马达；若有水， 加热器通电工作。检测是否沸腾溢出，若没沸腾溢出，则返回缺水检测程序，若 不缺水，继续加热；若沸腾溢出，溢出小于 16 次，则加热停止 20 秒，避免豆浆 继续溢出，然后返回缺水检测程序，不缺水时再加热；若沸腾溢出达到 16 次， 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 20 马达运转 20S 停 10S，共 5 次 调检水程序 加热器通电 关加热器平缓报警 溢出 16 次吗？ 关加热 器 20S 沸腾溢出吗？ Y Y N N 调检水程序 加热器通电 关加热器平缓报 沸腾溢出 Y N 即第一次沸腾后，间断的加热约 5 分钟，保证豆浆完全煮熟。最后发出“滴-， 滴，滴”周期性柔和的双音报警，提示工作完毕，豆浆已做好。 全自动启动键 START 程序流程图如图 4-2 所示： 图 4-2START 程序流程图 加热键 HEAT 程序流程如图 4-3 所示： 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 21 图 4-3HEAT 程序流程图 4.2 程序设计 （1）主程序： ORG0000H AJMPMAIN ORG2000H MAIN:ORLRB4,#03H MOVA,RB4 LCALLAD；调测水程序 JCSTART；判断 START 按下了吗？ JNCSTART；有键按下 LCALLSTART；调 START 程序 JCHEAT；判断 HEAT 按下了吗？ JNZHEAT；有键按下 LCALLHEAT；调 HEAT 程序 SJMPMAIN （2）START 子程序： START: MOVA,START LCALLD20S；调运转 20S 主程序 LCALLD10S；调运转 10S 主程序 LCALLFLASH5；调运 5 次子程序 LCALLAD；调测水程序 MOVA,RB5 JCK；判断沸腾溢出 JNZK；有沸腾溢出则转移 LCALLAD LCALLFLASH16；调沸腾溢出 16 次主程序 JCFLASH16；判断有 16 次了吗？ JNZFLASH16；有 16 次转移 MOVIE,RB5 ；关加热器 LCALLDELAY；调加热子程序 MOVIE,RB5 山东轻工业学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 22 JNZFH,TT；等待 20S DJN20H,TT；20S 到标志 LCALLAD （3）HEAT 子程序： HEAT:MOVA,HEAT LCALLAD；调检水程序 MOVA,RB5 JCK；判断沸腾溢出 JNZK；有沸腾溢出则转移 MOVIE,RB5 MOVA,RB4 LCALLAD；没沸腾溢出则调检水程序 第五章第五章结论与展望结论与展望 5.1 结论 豆浆机发展到今天，所经历的时间并不太长，但就其技术上的更新却经历了 几个阶段，从最早的简单打磨和加热煮熟到微电脑控制，集水位检测、粉碎、过 滤、防溢、报警等功能为一体的全自动微电脑控制，豆浆机的技术有了一个质的 飞跃。 本文讨论的单片机控制系统具有以下特点： 抗干扰能力强。在硬件上，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（100）接地。在软件上，加看门狗。 安全可靠。为了防止加热器干烧，在主程序和子程序中，不断检测是否 缺水，一旦缺水，马上关闭马达或加热器，并发出急促的“滴，滴”报警声。 硬件也有安全设计。 报警程序为多警声输出，便于区分工作状态。采用反复熬煮的工艺， 既 保证了豆浆充分煮熟具有浓香风味，又避免了豆浆大量溢出和继电器反复动作， 保证了设备的安全。 由于受到硬件设施和时间等方面的限制，本系统的样品尚未完成。但根据市 场上同类产品的测试参考表明，该豆浆机使用方便，从黄豆的粉碎、过滤到豆浆 的加热、煮熟全过程实现全自动，只需十几分钟即可制成新鲜可口的豆浆。它能 对按键操作命令和无水干烧、加热溢出等现象做出实时