豆浆机控制系统设计.doc

太原科技大学毕业设计（论文） 太原科技大学毕业设计（论文）任务书（由指导教师填写发给学生）学院（直属系）： 电子信息工程学院 时间：2016 年 3 月 11 日学 生 姓 名史云杰指 导 教 师金坤善设计（论文）题目 豆浆机控制系统设计主要研究内容掌握单片机开发的一些步骤掌握简单控制系统设计的基本方法熟练掌握一门单片机开发语言研究方法 理论设计与仿真调试相结合主要技术指标(或研究目标)通过功能按键选择控制工作模式运用PWM脉宽调制技术控制电机转速教研室意见研室主任（专业负责人）签字： 年 月 日 说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。III目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论1第2章 豆浆机控制系统的功能需求分析32.1 控制系统的硬件功能分析32.2 控制系统的软件功能分析4第3章 豆浆机控制系统的硬件设计53.1单片机的简介及其最小系统53.2 电源电路的设计63.2.1 电源模块的组成63.2.2 桥式整流电路简介73.2.3稳压器的选用83.2.4 电源工作原理83.3加热及磨浆电路模块93.3.1 温度检测器的选用93.3.2 加热及磨浆电路设计93.4 水位检测电路的设计113.5 报警电路的设计123.6 消泡装置12第4章 控制系统的软件设计144.1 豆浆机控制系统的流程图设计144.2 各阶段程序分析15第5章 系统仿真175.1 湿豆功能模块仿真175.2 果蔬功能模块仿真20第6章 结论22致谢23参考文献24附录25附录A：主电路图25附录B：系统程序27摘要IABSTRACTII第1章 绪论1第2章 豆浆机控制系统的功能需求分析32.1 控制系统的硬件功能分析32.2 控制系统的软件功能分析42.3 控制方案设计42.4 方案论证5第3章 豆浆机控制系统的硬件设计73.1单片机的简介及其最小系统73.2 电源电路的设计83.2.1 电源模块的组成83.2.2 桥式整流电路简介93.2.3稳压器的选用103.2.4 电源工作原理103.3加热及电机驱动电路模块113.3.1 加热电路设计113.3.2 电机驱动电路设计123.4 水位检测电路的设计133.5 报警电路的设计143.6 消泡装置15第4章 控制系统的软件设计174.1 豆浆机控制系统的流程图设计174.2 系统程序设计18第5章 系统仿真215.1 湿豆功能模块仿真21IIII5.2 果蔬功能模块仿真24第6章 结论27致谢29参考文献31附录A：主电路图1附录B：系统程序2太原科技大学毕业设计（论文）摘要本文完成了豆浆机控制系统的系统设计。在系统硬件设计过程中，选用温度传感器DS18B20和液位传感器实时监测在整个豆浆制作过程中机内液体的温度和液位，其输出与给定值形成的偏差的负反馈作为控制器AT89C51单片机的输入，控制器输出信号驱动放大后分别作用于执行机构，也就是加热器和电机。在硬件设计的基础上，利用Keil开发平台，选用C语言完成了系统软件开发，结合Proteus仿真软件进行了仿真，仿真结果表明，控制系统基本能够实现硬件系统的指定功能，特别是以不同的工作模式工作时，通过PWM脉宽调制技术控制的电机以不同的转速工作，增加的物理消泡装置也能按照既定时序工作，满足基本的设计需求。 豆浆作为日常生活中的常用饮品，其因含有丰富的营养价值而受到百姓喜爱。传统豆浆机制作豆浆是将加热与磨浆工作分开进行，且消泡措施为等待消泡，这大大延长了制作时间，不符合当下快节奏的生活方式。本设计在保持原有传统豆浆机的加热磨浆，文火煮浆的基础上，控制加热和磨浆的同时进行并将预加热的功率提高到1500W，提高了整个系统的工作效率。同时，增加消泡装置采用物理消泡措施减少消泡时间，将整个制作过程控制在七分钟左右，节省宝贵的早晨时间。关键词：豆浆机，高效，单片机，电机调速IABSTRACT The system design of soybean milk machine control system is designcompleted in this paper,in which the temperature sensor DS18B20 and liquid level sensor are chosed to monitor the temperature and liquid level in the whole soybean milk making process .The output of the temperature senor is compared with a given value and the deviation is feedbacked to the controller AT89C51 as a input, which outputs signal to drive the implementing agencies, which is also the heater and motor. On the base of the hardware , using Keil development platform and C language completed the system software development, and simuated with the Proteus simulation software. Simulation results showed that the control system can achieve the intended function of the hardware system, especially the motor controled by the PWM pulse width modulation technology can work at a different speed in different work mode,and physical eliminating bubble device can work in accordance with the established sequence, which meet the basic design requirements.Soybean milk as a commonly used drinks of daily life,and is loved by the people because of its rich nutritional value . Traditional soybean milk production is heating and grinding work separately, and the elimination of bubbles measures is waiting, which greatly extended the production time,does not conform to the fast pace of life style. This design while maintaining the original traditional soybean milk machine heating pulping and simmer pulping controlled heating and grinding at the same time and preheating power is increased to 1500W, improves the work efficiency of the whole system. At the same time, the increase of the bubble device using physical bubble elimination measures to reduce the bubble time, the entire production process control in about seven minutes, saving valuable time in the morning.Keywords:soybean milk machine，efficient, SCM，Motor speed regulation 第1章 绪论豆浆机是一种新型的家用饮用机，越来越成为家庭生活的必备品。使用豆浆机制作豆浆以黄豆为主要原料，通过加热，打浆，延煮等一系列制作流程后可得到美味的热豆浆。若在黄豆中配以其它谷物，或者通过改变打浆、加热的时间，可以做出不同口味的豆浆饮料。豆浆中不仅含有丰富的植物蛋白，还含有维生素B1、B2和烟酸。此外，豆浆还含有铁、钙等多种矿物质，根据调查研究，豆浆中所含的钙是所有乳制品中最高的，非常适合于各种年龄段的人群饮用。凭借其细腻的口感和丰富的营养价值，豆浆越来越受到我国人民的喜爱，也越来越成为人们追捧的健康美食。随着人们生活水平的提高和健康意识的不断增强，注重饮食卫生的人更喜欢在家中自制豆浆，自制豆浆既方便又放心。随着近些年科学技术的不断发展，豆浆机也在不断更新换代，样式也越来越新颖，而且功能也在不断增加。不仅如此，大多的豆浆机在机身材料方面运用到食品级的不锈钢，使得机身更易清洗。电机周围材料采用隔阻噪音的吸附性材料，尽可能的降低噪音，而且功耗更小、速度更快，打出的豆浆更加的细腻，基本上满足了消费者的多样化、个性化的需求。豆浆机基本功能主要有1： （1） 干/湿豆功能 “湿豆”功能是用来将泡好的豆子进行打浆，如果忘记泡豆，就选择使用“干豆”功能。在设计干豆功能时，在湿豆功能硬件的基础上通过程序改变豆浆机的打磨时间、次数、速度等相关措施，使干豆与湿豆打出的豆浆一样美味。而且经过对两种所含矿物质与营养成分的分析后发现无论是用干豆还是湿豆做出来的豆浆，营养价值几乎没有任何差异。而在生活节奏逐渐加快的当下，使用干豆功能进行打浆越来越成为大众使用豆浆机的主要方式。 （2） 果蔬功能 食品卫生越来越成为现代人们饮食关注的焦点，而在一般的果蔬饮料中都含有防腐剂，而与之相比，自己动手做则完全没有这些疑虑。在进行果蔬打浆时，不需要加热器工作，同时在进行此功能时由于需要豆浆机内加一些水导致了搅拌空间过大，如果还是按照豆浆制作过程进行打浆，容易出现搅拌不均匀的问题，所以要延长打磨的时间，增加打磨的次数。传统的豆浆机是是在接通电源后，将机内液体温度加热到80度左右后就停止加热，进而开始打浆，待打浆一段时间后停止然后再加热，如此反复进行，直到打浆完成。虽然这样的豆浆机与传统手工研磨相比已省时省力不少，但由于它的加热和磨浆是分步不同时的，1使得整个过程的时间过长，不符合现代人的时间观念。在进行本设计时，意识到老款豆浆机存在的这一缺陷并努力寻求解决办法，使得加热煮浆和打豆磨浆能够同时进行无间歇，尽可能缩短时间，只需稍等几分钟就能喝到美味又营养的豆浆。整个过程由单片机全自动控制，让您用起来更加的方便快捷、更加的安全放心。与传统的豆浆机相比，在本设计中引入了主动消泡的装置，而在普通的豆浆机内都没有这一装置，所做的退泡设施只是暂停加热进行退泡等待，而在豆浆机相对密闭的环境下等待豆浆自行冷却降温需要很长的时间，延长了整个制作过程。这一装置的引入也基本上解决了在打浆与加热同时进行的情况下产生大量泡沫而出现假溢出的问题，这也是本设计与传统产品相比特点比较突出的部分。加入单片机的控制，使得加热环节和消泡环节能够交替有序的进行，这两者合理的配合使用将大大缩短制作豆浆的整体时间，实现本设计的主要目的。除此之外，在传统的豆浆机中，电机的转速在不同的工作模式下其转速都是一样的，这种情况下进行湿豆和果树的磨浆基本不会出现问题，但在进行干豆磨浆时，如果电机还是以较快的转速开始工作，则会使刀片出现钝化，加速刀片磨损。有可能还回出现电机堵转的情况，损坏电机。考虑到传统豆浆机的这一缺陷，在本设计中运用PWM脉宽调制技术控制电机的调速，避免出现上述提到的问题。本文组织结构如下：在第二章中分析了控制系统的硬件和软件功能需求，提出问题。在第三章内容中分模块进行电路设计，完成系统的总体电路设计。在第四章中根据系统流程图完成系统的软件开发。第五章运用Proteus软件和Keil程序编写软件对系统硬件和软件进行仿真并分析仿真结果。 34第2章 豆浆机控制系统的功能需求分析在本章内容中豆浆机的控制系统以单片机AT89C51为控制器，以上下水位检测电极为检测装置，以电机，加热器和消泡装置为执行机构，以DS18B20温度传感检测器为反馈元件，结合对报警电路的控制，为整个系统的功能实现提供可靠地硬件基础。 2.1 控制系统的硬件功能分析分为水位检测部分，首先，需要选择一个单片机作为整个控制系统的控制器核心来进行数据的检测和处理，刚开始需要一个水位传感器检测器检测水位是否符合标准，考虑到豆浆机的整体美观，尽可能减少整机成本，在这里采用一个探针来做传感器使用，结合LM358的使用，将检测到的水位信息转换为单片机可识别的电平信号。在豆浆制作的过程中需要加热以及到打浆结束后需要煮浆，所以在硬件系统中需要一个加热器。当通过单片机检测到水位符合标准后，则启动加热器开始对水进行加热，在进行预加热的过程中，加热器的功率为1500W，为全功率。就此阶段，加热管的功率是传统的豆浆机的两倍，加快了整个豆浆制作的过程。第二部分为电机打浆部分，当温度检测器检测到机内的液体达到80度时，通过单片机控制电机开始运行，电机开始打浆。在此过程中用到的温度传感装置为DS18B20，单片机通过接收到传感器传回的数据检测温度是否符合标准。在本设计中为了减小整机体积，所以需要充分考虑电机的选择。在所有平常所接触到的电机中，单项串励电机无疑是最合适的选择。除了体积小、重量轻以外，串励电机的过载能力和调速能力也是非常出众的，这也正好满足了豆浆机要根据用户的不同功能选择来及时调整电机转速，综上所述，单相串励电机基本上就是本设计的最佳选择。凭借自身的诸多优点，串励电机在家用电器中得到了普遍使用。当谷物中的淀粉由于电机旋打而逐渐出现时，就应该及时降低加热功率，如果继续让加热器全功率工作，则打出来的豆浆难免会出现糊味，所以在电机开始打浆的同时加热管工作功率降成用750W加热，直到电机停止工作。这是单片机通过PWM脉宽调试改变加热器输入电压的占空比来实现的，在本设计中此方法还被用来控制电机速度2，根据电机所学知识，电机的转速与施加在电机两端的电压大小成正比，但是电机在接入电压后转速不会立即到最大值，而使在经过一段时间的加速后才会到达当前电压下的最大转速，在电机的速度控制程序中，通过控制输出高低电平占空比进而控制电机两端的平均电压。第三部分为防溢煮浆部分，在此阶段，同样通过改变加热器的输入占空比来使加热器的功率降到350W，煮浆阶段中豆浆中的酸性物质由于加热会产生大量的气泡，在市场上的普通豆浆机中，实现消泡功能的主要手段是停止加热，凭借豆浆的自身冷却来使泡沫自己破裂。这种方法虽然成本低，节约功耗，但是需要消耗大量的时间，这也拉长了整个豆浆制作过程的时间所以在本设计中设计增加了一个消泡装置。2.2 控制系统的软件功能分析 软件就是对单片机的编程，在软件编写的过程中以软件流程图为依据，然后根据硬件系统的集体设计要求按步编写。即插上电源按下功能选择按钮后，单片机将水位检测电极检测到的信息进行分析，检测机内水位是否符合要求，若符合要求则控制单片机与加热器相连的引脚输出高电平，使加热器工作开始对水进行加热，在开始阶段加热管是以1500w的全功率进行加热的。通过温度检测器检测水温是否达到打浆的要求，在本设计中用到的温度检测元件DS18B20温度检测器，这就需要在程序中引入DS18B20的基本读写程序。单片机通过控制电机驱动电路中晶闸管的导通启动电机，磨浆开始后将加热管改为750w的功率工作，这就需要单片机中控制加热器的引脚间歇输出高电平，改变加热器工作电压的占空比，实现加热器的半功率运行。打浆程序运行完成后电动机停止运转将加热管改为350w的功率对豆浆进行延煮。在延煮的过程中由于加热的缘故会豆浆上溢，当豆浆沫接触到防溢电极时，暂停加热，启动主动消泡装置，进行消泡。在豆浆机运行过程中，打浆的时候会有少量的豆浆溅到防溢电极上，这时就需要一个延时程序对其进行延时使得豆浆机不会因此产生误操作3。同样，在功能按键选择程序时也需要一个延时程序防止误触而产生的误操作。按照上述对豆浆机控制系统要求的分析，通过硬件系统和软件系统的配合使用来实现本设计的控制要求。豆浆机的结构框图如下图2.-1所示： 2.1 豆浆机控制系统框图-1 豆浆机的结构框图2.3 控制方案设计方案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。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。2.4 方案论证方案一所示，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)加工方式是自动化的。（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时间，防止粉碎后煮浆时间过长所易造成的糊锅现象本章内容通过对控制系统的软硬件系统功能分析并确定控制方案为接下来两章的软硬件设计提供了基础，以系统软硬件的功能要求逐步进行设计。 第3章 豆浆机控制系统的硬件设计在本章内容中，以对系统的硬件功能分析为依据，对涉及到的具体环节进行分析，设计整个硬件电路，为整个系统的正常运行提供硬件基础。在硬件系统中，通过开环控制方法控制电机，根据不同的功能选择改变电机的速度。以闭环形式控制加热器，以DS18B20温度检测器为检测元件并将检测到数据反馈到单片机，经单片机处理后再控制加热器功率，适应不同阶段的加热需求。3.1单片机的简介及其最小系统在本设计中采用爱特梅尔（Atmel)公司的高密度非易失性存储器技术进行制造的8位单片机，型号为AT89C5134。该型号单片机的最大优势是可通过各种常规编程器对其的程序存储器进行编程，这一优点使其成为本设计最好的选择43。AT89C51单片机引脚图如图32.-1所示：图3.-1 51单片机引脚图该型单片机还具备以下丰富的片上资源： 1）8k字节Flash和256字节RAM 2）32 位高速I/O 口线 3）一个看门狗定时器 4）2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器和一个6向量2级中断结构.定时器具备基本的定时功能，通用定时器除具备基本定时功能以外，还具备测量输入脉冲的频率、脉宽以及输出PWM的功能。 5）全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 对于本设计系统而言，该型单片机是很好的选择，尤其是众多的I/O口和庞大的存储空间，可以满足较为复杂的软硬件设计需求，省去了I/O扩展及存储器扩展的工作。同时，其他丰富的资源也为将来系统功能的扩展提供了空间5。单片机最小系统电路如图3.-2所示。图3.-2 单片机最小系统电路3.2 电源电路的设计电源模块为整个系统的工作提供电力支持，如果没有一个稳定可靠地电源模块那么系统的正常工作将无从谈起，其是一个电子系统的核心。随着科技的日新月异，电子产品也更趋向与集成化，目前在电子电路中运用的电源稳压电路也大多都是集成化的。它和分立的晶闸管电路比较，具有很多明显的优点，主要体现在体积小、重量轻、运行速度快、耗电省、可靠性高，且调试方便、使用灵活，易于进行大量自动化生产。3.2.1 电源模块的组成 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：根据变压器的主副线圈电压变换理论，当主线圈匝数一定时，可改变副线圈的匝数以在副线圈两端获得与主线圈两端交流电压成一定比例的交流电压，而这一比例关系就是两线圈的匝数比。在本设计中经变压器降压后的电源为12V，根据变压器原理： 其中N11，N22分别为原副边线圈的匝数，n为变比也成为匝比。通俗点说就是经变压器原副边作用后电压放大或者缩小的倍数。本设计中根据上述公式计算可得变压器的原副边比为18，如图3.-3所示：图3.-3 变压器原理图整流滤波电路：二级管都具有单向导电性，滤波电路正是利用了二极管的这一特点，通过将多个二极管的配合使用，将交流电整合成直流电。 滤波功能的实现是利用储能元件电容器C两端的电压不能突变的性质，把电容C与整流电路配合使用，就可以将电路中偶尔出现的未被完全整流的交流电滤除，从而确保得到的直流电的平滑程度。在小功率的整流电路中，经常使用的时电容滤波。稳压电路：顾名思义，此电路就是利用稳压器的工作，将电网电压中电压波动不稳定对整个系统产生的影响降到最小，从而确保硬件系统中各个功能元件的正常运行。3.2.2 桥式整流电路简介 桥式整流电路是一种最基本的用于交直流转换的电路，具有高效，快速，方便等诸多优点，广泛应用于各种需要进行电源类型转换的电源模块中【6】。桥式整流电路图如图3.-4所示，它的运行原理为当输入电压为正半周时，电路中构成a、D1、R、D3、b的通电回路，可以看出在负载R两端形成上正下负的半波整流电压，作为输出电压。输入为负半周时，二极管的导通状态正好与上一阶段相反，但在负载上形成了与之前相同方向的电压。根据上述分析的整流电路的工作原理，我们可以知道在负载电阻两端始终可以得到上正下负的整流电压，符合电路元器件对直流电的需求。图3.-4 桥式整流电路 3.2.3稳压器的选用 AT89C51单片机的供电电压为5V，而常用的电源均为5V，如电脑USB口、手机充电器等，因此需设计5V稳压电路。集成稳压器不但具有性能优良和可靠性高的优点，而且其比晶闸管稳压电路更加亲民的价位也受到众多消费者的青睐，使得其广泛应用于各种稳压电路中。在本设计的稳压电路中，对于稳压器的使用是在其输入端给定一个固定电压，然后在输出端得到电路所需要的稳定电压，所以在此选用的是具有固定输出的稳压器。 输出固定电压的稳压器称为三端集成稳压器，正如它的名字所说的那样，这种稳压器的三端即为三条引脚，使用起来非常方便。根据本设计对于稳压器的输出要求，在这里选用的是78XX系列的稳压器7。它的输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等规格，最大输出电流为1.5A。 在本设计中选用的是78XX系列中的7805，其外围电路简单，正面看，管脚分别为输入、地、输出。额定输出电流1.5A，最大输入电压35V，输入输出压差的最大值是30V，最小值2V，输出电压5V，误差0.2V，实际应用时应根据压差和电流确定7805上的耗散功率，增加适当的散热装置。稳压电路如图3.-56所示： 图3.5-6 稳压电路3.2.4 电源工作原理整个电源模块电路如图3.6-7所示，将上述分析到的几个分模块电路连接，对电网电压进行逐步处理，在经稳压器后再通过两个电容滤波。根据电容的滤波曲线，在这里选择0.1uf和1uf的两个电容来滤波，能有效滤池频率在10M赫兹以下的不工整电波，最后得到电子电路所需要的工作电压。图 3.6-7 电源模块电路 3.3加热及电机驱动磨浆电路模块 3.3.1 温度检测器的选用 在此模块的设计中需要先将冷水的温度加热到80度后再开始磨浆，在这一过程中就需要一个温度检测元件来持续监测温度，并将信息交给单片机处理。在本设计中选用的是美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20温度传感器，与传统的热敏电阻传感器相比，它能直接读出被测温度，并且DS18B20与单片机之间进行信息读写只需要一根串口线，可通过数据线供电不需要备用电源也不需要任何外接元件。这种传感器具有灵敏度高、测量范围广、反应迅速、可靠性高等优点，除了性能优良外，这种传感器还运用了双层密封工艺，具有良好的绝缘密封性和抗机械碰撞能力。在本设计中，整个控制电路都会放在豆浆机的机头部分，而在豆浆机工作的过程中难免会产生振动，所以这样一款抗干扰的温度检测器无疑是最合适的选择。 3.3.12 加热及磨浆电路设计 加热器在整个系统的工作过程中有两个作用，一是在打浆开始阶段通过加热器的全功率工作给加入到机内的冷水加热达到打浆的温度要求，二是当豆浆研磨好后降低加热器的功率进行文火煮浆，本设计使用的加热器的最大功率为1500W。加热电路如图3.7所示，当单片机工作时，检测完水位正常后，赋给P3.1一个低电平，软件检测到P3.1变为低电平后，赋给单片机P1.0脚一个高电平，使三极管Q2饱和导通，于是加热管得电开始对豆浆加热，持续加热到通过温度传感元件检测到机内液体温度达到80度后，加热停止。在这一过程中就需要一个温度传感元件来持续监测温度，并将信息交给单片机处理。在本设计中选用的是美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20温度传感器8，与传统的热敏电阻传感器相比，它能直接读出被测温度，并且DS18B20与单片机之间进行信息读写只需要一根串口线，可通过数据线供电不需要备用电源也不需要任何外接元件。传感器将检测到的温度以16位数据的形式通过串口总线传递给单片机，在这16位数据中，前5位为符号位，当前5位为1时，读取的温度为数，当前5位为0时，读取的温度为正，把后11位的二进制数转换为10进制数后再乘以0.0625便为所测的温度。这种传感器具有灵敏度高、测量范围广、反应迅速、可靠性高等优点，除了性能优良外，这种传感器还运用了双层密封工艺，具有良好的绝缘密封性和抗机械碰撞能力。在本设计中，整个控制电路都会放在豆浆机的机头部分，而在豆浆机工作的过程中难免会产生振动，所以这样一款抗干扰的温度检测器无疑是最合适的选择。图3.7 加热器控制电路 3.3.2 电机驱动电路设计由于在本设计中要根据所选模式的不同来调整电机的转速，同时为了设计的美观，电机的大小和体积也必须尽可能的灵巧和方便。所以在本设计中电机选用的是单相串励电机，除此之外串励电动机具有起动转矩大、过载能力强、重量轻等很多优点，所以广泛应用于各种电器中。但是由于串励电机运转速度过快，所以在工作过程中会有大量的热量产生，为了避免电机因连续工作而造成损坏，影响豆浆机的使用寿命，本设计中采用的是间歇性打浆的方式，也就是电机工作一段时间后停止工作，待电机温度下降后继续开始工作，如此反复。 加热及磨浆电路如图3-8所示，当单片机工作时，检测完水位正常后，赋给P3.1一个低电平，软件检测到P3.1变为低电平后，赋给单片机P1.0脚一个高电平，使三极管Q2饱和导通，于是加热管得电开始对豆浆加热，持续加热到通过温度检测元件检测到机内液体温度达到80度后，加热停止。启动电动机进行打浆。加热功率为750W的时候，单片机通过软件控制P1.0脚为高低电平交替输出，从而控制继电器触点闭合与开启，实现了功率的转变。其后的400W也使用同样的方法获得。针对对于不同的豆类植物需要打浆的速度不同，需要对电机的速度做出适时调整。在本设计中，运用PWM脉宽调制技术控制电机速度。磨浆电路中所用到的电机功率为180W，转速为8000转/分到19000转/分。在进行蔬菜水果打汁时，加热器不用工作，电机维持在较高转速运行，也就是在全功率下运行。在进行豆类打汁加工时，尤其是进行干豆加工时，若电机还是高转速运行，则对机头的损耗更大，刀片的使用寿命将大大缩短，进而影响豆浆机的整体使用寿命。所以在进行豆类加工时，开始阶段电机的速度不能过快，在半功率工作状态下对豆子进行初步粉碎，经过这一阶段后再提高电机转速，进行更加充分的打浆。图 3-8 加热电路 在电机的驱动电路中，由于电机的驱动需要较高的电压，普通的三极管在这里不符合性能要求，所以在这里需要用到可控硅整流器，也就是晶闸管。在本设计中采用晶闸管作为控制元件，也是看重它能够承受高电压和强电流的特点97。外部控制信号通过对晶闸管门极的控制来使晶闸管导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通，只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断。在本设计中运用PWM脉宽调制技术控制电机转速，当需要电机工作运行时，单片机引脚向门极输出高电平，控制晶闸管导通10。由于电机两端所接入的工作电压为电网交流电，所以在电压输入为负半周时晶闸管截止，只有当输入电压回到正半周且门极输入高电平时晶闸管再次导通。也就是说当晶闸管的门极一直为高电平时，电机的工作电压基本上为110V，此时电极为全功率。当需要降低电机转速时，单片机控制与单片机输出的端口交替输出高低电平，改变占空比，降低电机工作电压。电机驱动电路如图3.8所示： 图 3.8-9 电机驱动电路 3.4 水位检测电路的设计 水位检测是整个系统运行的安全保障，防止出现干烧和溢出的情况，在确保安全的同时也延长了整机的使用寿命。水位检测电路是利用水位检测元件检测水位变化，通过单片机将检测到的信息进行处理进而控制电机或者加热器是否运行。防止出现水位过低而出现干烧和水位过高而出现溢出的问题，在优化了豆浆机的工作工作状态，同时也让整个制作豆浆的过程更加干净整洁。水位检测电路如图3.10-11所示，在实际工程中，为了尽可能的减少硬件成本，缩小硬件体积使整个实物看起来更加轻便美观，在本设计中采用探针来代替这两个传感器。为了将探针检测到水位变化转化为单片机可侦测的电平信号，所以就需要一个根据水位不同输出高低电平的元件，在本设计中所用到的为放大器LM358118，在本设计中作为电压比较器使用。其引脚图如图3.9-10所示，它有正负两个输入端，当正输入端的输入电压大于负输入端时，其输出一个低电平，反之则输出高电平，可以根据两个输入端的输入电平不同而输出高低电平，可以完全满足电路的设计需求。图3.9-10 LM358引脚图在整机安装过程中将装入豆类植物的金属杯接控制电路的公共点“地”，探针分别与单片机的P3.1，P3.0端连接。在水位正常情况下工作时，水位检测电极被水淹没，根据水的导电性，其与地之间的电阻很小基本上可以忽略不计。因为电极与电阻R8串联，对+5V进行分压，所以在比较器的输入端U+得到的电压比U-的低，比较器U4C输出低电平12。同理，当机内缺水时，水位检测电极露出水面，与地之间形成断路，比较器输入端基本上得到了5V的全电压，比较器U4C输出高电平。再通过软件检测电压比较器U4C的输出电平，便可知道机内的水位是否符合电机工作的需求，是否可以再进行下一步的工作。检测豆浆是否出现溢出的上限水位检测电极的工作原理也是如此。 图 3.10-11 水位检测电路3.5 报警电路的设计报警电路是通过蜂鸣器发出声音信号和发光二极管发出光信号，在水位不符合要求时发出警报或者在打浆完成后提醒主人豆浆已经煮好。报警电路由单片机AT89C51、电阻R10、三极管Q3与蜂鸣器B1组成13。通过事先编写的程序，在单片机的控制下，系统开始工作，当水位不符合要求或者文火煮浆完成后，单片机的P0.0脚输输出一个高电平到三极管Q3，三极管导通，使整个报警电路构成通电回路，蜂鸣器B1得电发出声音，P0.1输出高电平，点亮发光二极管。报警电路如图3.11-12示。图 3.11-12 报警电路3.6 消泡装置本设计中运用到的消泡技术为电控热力消泡技术14，此技术是依靠豆浆泡沫在温度达到一定值后表面张力超过极限而自动破裂消失的原理来做成的。在文火延煮的过程中，豆浆中的酸性物质遇热会产生大量泡沫，豆浆泡沫中的皂素是泡沫不容易破裂的原因，但在温度达到100度之后，泡沫中的皂素会逐渐失效，泡沫的表面张力也会随之逐渐下降，泡沫也就会逐渐破裂消失。为了加快泡沫的破裂消除速度，在电动机的主轴上按挂两个铜制材料的金属棒，其具有优良的导电性能，在泡沫达到防溢电极而使加热停止时，启动此装置，金属棒在通电情况下持续发热，促使泡沫破裂。通过研究多次的试验数据，发现金属棒安装在防溢电极下面2.5厘米处时它的消泡效果使最好的。通过对系统不同模块的功能分析进行硬件电路设计，采用Protues软件15绘制系统总电路图，结合下一章内容的软件设计，为最后的系统仿真工作做好准备。第4章 控制系统的软件设计 本章根据不同功能下系统需要实现的硬件功能设计流程图，并根据流程图逐步分析进行程序设计。在此方面采用C语言作为计算机程序语言，结合不同功能下对系统硬件电路的不同工作需求编写软件。初始化水位是否符合要求加热器在1500W功率下工作达到80度电机开始工作，加热功率750W开始文火煮浆是否溢出煮浆一分钟10秒后蜂鸣器提醒报警启动消泡5秒4.1 豆浆机控制系统的流程图设计 N Y N YN图4.-1 软件控制豆浆机控制系统的流程图豆浆机的控制系统流程图如图4.-1所示，接通电源后，豆浆机开始进入工作程序。根据不同需求按下功能选择按钮后，单片机开始工作。先通过水位探头检测水位是否符合要求，如水位正好在上下警戒水位之间，则单片机控制加热开始，若水位在警戒水位下，则单片机控制报警器发出声音，提醒用户进行正确操作。当通过温度检测器检测到温度达到80度后，单片机开始运行打浆程序，控制电机间歇性工作，并降低加热器的功率。当打浆程序运行完后，进入防溢延煮程序，在工作过程中当出现泡沫过多触及防溢电极时，单片机控制加热停止并启动消泡装置5秒，时间结束后接着加热，如此反复直到加热程序结束，10秒后单片机向报警器输出声音信号，提醒用户豆浆制作完成。4.2 系统程序设计各阶段程序 第一阶段程序为初始化程序 当整机接通电源后，单片机得到从电源模块输出的5V工作电压便进入工作状态。通过对外部复位电路中的电容充放电的作用使得单片机RST复位端口电平先高后低，则整个硬件电路的复位工作完成。随后单片机初始化开始运行既定程序，单片机的P0.1输出高电平，点亮二极管显示整个电路工作正常，单片机进入工作状态。第二阶段为水位检测程序 当按下功能选择按钮单片机开始工作后，单片机通过判定P3.1的电平高低来来确定豆浆机内德水位是否符合要求，水位正常情况下P3.1为低电平。如果CPU检测到的P3.1为高电平时说明机内的水位不符合要求，则P0.0输出声音信号，经三极管放大后推动报警器发出声音提醒用户水量不够，如果P3.1为低电平说明水位符合要求则程序进入下一工作阶段。第三阶段为加热程序 当P3.1为低电平时单片机进入加热程序阶段控制加热器工作。单片机P1.0输出高电平控制三极管Q2导通，电磁阀RL2得电吸和加热器得电开始工作对冷水开始加热，这一过程称为预加热。目的是为了防止在打浆的过程中出现大量的泡沫电机无法正常工作延长了制作的时间，所以这一过阶段在整个过程中是十分重要的。在本设计中的温度检测模块用到的是DS18B20温度检测器，所以在温度检测程序中需要用到18B20的读写程序，当通过温度检测器检测到温度达到80度后单片机开始下一阶段程序工作，同时单片机通过程序控制电磁阀的导通时间来调整加热器工作电压的的占空比，降低加热器的工作频率继续工作。第四阶段为打浆程序 在该电路模块中用到桥式驱动电路作为电机的驱动电路，单片机P1.2输出高电平控制晶闸管门极来使晶闸管导通进而控制电机工作，电机带动刀片高速旋转粉碎豆子。在此阶段电机高速运转会产生大量热量为了延长电机的使用寿命，在这里电机使用间歇式的工作方式，即使P1.2输出高电平15秒后输出低电平5秒，如此反复进行五次后打浆程序运行完成。在选择不同的功能时，对电机的转速要求也不尽相同。在涉及到的电机调速问题时，运用PWM调速方法对电机进行调速，其原理与上一阶段提到的对加热器将功率的原理相同，改变P1.2输出高低电平的周期来控制电机工作电压的平均值来实现电机调速。第五阶段为延煮程序 当粉碎结束后单片机开始按照延煮程序工作，在该阶段主要的控制对象是加热与溢出的关系。继续改变P1.0输出高低电平的周期降低加热器的功率到350W进行延煮。当在延煮过程中产生的大量泡沫触及到防溢电极，P3.0检测到低电平后，单片机的CPU控制P1.0输出低电平使加热停止并向P1.1输出高电平控制消泡装置开始工作，此工作持续5秒后停止，P1.0输出高电平继续加热，总加热时间为一分钟，延煮程序结束后进入下一阶段。 第六阶段为报警程序 豆浆煮好10秒后，CPU令P0.0口输出高电平，通过Q3推动蜂鸣器B1发出响声，当然，在此之前，你也已经闻到香浓的豆浆味了。通过本章内容对各阶段程序接近分析，采用Keil软件对整个控制系统的程序进行编写，在下一章内容中将运用编写好的程序结合Proteus软件对控制系统进行模拟仿真。第5章 第5章 系统仿真 在本章内容中运用Proteus软件9和Keil程序编写软件对系统硬件和软件进行仿真。在本设计中，根据不同的功能选择对软件的主程序进行分模块的编写，然后再用Proteus软件进行仿真实验。5.1 湿豆功能模块仿真 首先进行湿豆功能模块的仿真，P1.5为单片机的湿豆功能选择端口，在按下湿豆功能选择按钮后，单片机P1.5端口输入低电平，仿真结果图如图5-1所示：图5.-1 功能选择仿真 在功能选择完成后，开始检测水位是否符合要求。若水位不符合要求则控制LED发光二极管导通的P0.1交替输出高低电平，周期为两秒，提醒用户机内缺水。仿真结果图如图5.-2，5.-3所示： 图5.-2 二极管亮仿真图 图5.-3 二极管灭仿真图 在仿真过程中假设水位满足基本要求，即给定P3.1一个低电平，P3.0一个高电平这样通过程序默认水位符合要求，则控制三极管导通的P1.2输出高电平控制电磁阀导通，加热器开始全功率工作，仿真结果图如图5.-4所示：图5.-4 加热器全功率工作仿真图 同样将单片机的温度检测输入端口P2.0给定一个高电平。则按此模块程序开始工作，在这一过程中单片机程序控制电机的转速为最高转速的四分之三，即控制电机的工作电压为正常工作电压的四分之三。因为在本设计中采用PWM脉宽调制技术来控制电机工作电压，单片机控制电机驱动电路中的晶闸管门极的端口P1.2输出的高低电平周期为毫秒级，所以在仿真过程中用肉眼是很难观察到的。在本设计中通过暂停仿真过程查看电机两端电压来大致了解电机转速，根据理论推导，在理想状态下当豆浆机在此功能下工作时电机的工作电压应该为165V。在仿真过程中根据理想的电压要求不断调节单片机端口P1.2输出高低电平的占空比，直至接近理想值。电机驱动模块的仿真结果如图5.-5所示：图5.-5 电机驱动仿真结果同样在本功能模块中，当电机运转工作时加热器降为半功率工作，也就是通过PWM脉宽调制技术控制单片机P1.2端口进行高低电平间歇性输出，降低加热器的工作电压，根据计算可得在理想状态下加热器的工作电压应为110V。此仿真过程与上述提到的降低电机转速的调制方法基本相同，根据理论值不断调节端口输出的占空比，直至加热器两端的电压基本符合理论要求。此阶段加热器的仿真结果如图5.-6所示：图5.-6