基于单片机的自动豆浆机控制电路设计毕业设计论文

成都理工大学工程技术学院毕业论文 I 单片机全自动豆浆机的设计 作者姓名 专业名称 机械设计及自动化 指导教师 单片机全自动豆浆机的设计 I 摘要摘要 论文针对 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 打浆 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 MCS 51 系列单片机 温度传 感器 加热电路 防溢电路 打浆电路 报警电路等组成 豆浆 生产完全自动化 针对其发展过程及历史背景对对豆浆机的不足及可取之处进行细 致的分析 并从硬件及软件两方面去分析 进而设计改进 并通过 proe 画出的零件图和整体装配图 达到预想的结果 关键词 MCS 51 豆浆机 外形图 软件 硬件 单片机全自动豆浆机的设计 II Abstract Thesis most of the current popular microcomputer intelligent control of soybean milk soybean milk as long as the start beating boiling syrup fully auto mated of just ten minutes to automatically make soy milk hygienic and reliable and convenient This article describes the system consists of Intelligent Soymilk MCS 51 series microcontroller temperature sensor heating circuit anti overflow circuit beating circuits alarm circuits and other components milk production and fully automated In view of its development process and historical background on DouJiangJi shortcomings and desirable place a detailed analysis And from two aspects of hardware and software to analyze and design improvement and through the proe draw the parts drawing and the whole assembly drawing The anticipated results have finished Keywords MCS 51 soybean milk machine Appearance figure software hardware 单片机全自动豆浆机的设计 III 目录目录 摘要 I Abstract II 目录 III 1 绪论 2 1 1 豆浆机的历史和现状 2 2 1 2 豆浆机基本功能 5 2 2 豆浆机总体设计方案 6 2 2 1 基本原理 6 2 2 2 总体方案设计 8 3 豆浆机的外形结构设计 11 3 1 豆浆机的基本结构 11 3 2 杯体设计 11 3 3 机头 11 3 4 底座设计 12 3 5 小电机的选择电机 13 3 6 刀片 13 3 7 网罩 14 4 豆浆机控制系统的硬件设计 15 4 1 电源电路设计 15 4 1 1 电源的作用 15 4 1 2 电源的组成 15 4 1 4 电源工作原理 16 4 1 5 桥式整流电路简介 17 4 1 6 稳压器的选用 18 4 1 7 稳压器简介 19 单片机全自动豆浆机的设计 IV 4 2 单片机的选用及简介 21 4 2 1 单片机的选用 21 4 2 2 单片机的简介 21 4 3 温度检测电路的设计 25 4 3 1 NTC 热敏电阻温度传感器简介 25 4 3 2ADC0809 简介 29 4 3 3 放大器 LM324 简介 33 4 3 4 四分频电路设计 35 4 3 5 NTC 热敏电阻与单片机 AT89C51 的接口设计 36 4 4 加热及打浆电路的设计 37 4 5 防干烧及防溢出电路的设计 39 4 6 报警电路的设计 40 4 7 复位电路的设计 41 4 8 时钟电路及按键设计 41 5 豆浆机控制系统的软件设计 43 5 1 豆浆机控制系统的流程图的设计 43 结论 46 致谢 48 参考文献 49 附录 A 豆浆机控制系统硬件图 52 附录 B 豆浆机控制系统程序清单 53 单片机全自动豆浆机的设计 1 前言前言 豆浆是一种老幼皆宜 价廉质优的液态营养品 它所含的铁元素是牛奶 的 6 倍 所含的蛋白质虽不如牛奶高 但在人体内的吸收率可达到 85 因此有人称豆浆为 植物牛奶 豆浆被誉为女人最完美的食物 是因为 豆浆中含有丰富的营养成分 其中异黄酮可以调节女性内分泌系统的平 衡 保持女性肌肤美白 异黄酮还可发挥与雌激素相同的保健作用 如 缓解更年期综合症 提高骨密度 预防骨质疏松等 而且它还能避免雌 激素带来的副作用 如乳腺癌 子宫癌等 豆浆中富含人体所需优质植 物蛋白 八种必需的氨基酸 多种维生素及钙 铁 磷 锌 硒等微量 元素 不含胆固醇 并且含有大豆皂甙等至少五六种可有效降低人体胆 固醇的物质 鲜豆浆的大豆营养易于消化吸收 经常饮用 对高血压 冠心病 动脉粥样硬化及糖尿病 骨质疏松等大有益处 还具有平补肝 肾 防老抗癌 降脂降糖 增强免疫的功效 但随着人们健康认识的增 强 为了卫生 防止上了 黑心作坊 的当 喝的放心 纷纷选择家庭 自制豆浆 从而拉动家用微电脑全自动豆浆机市场活跃 单片机全自动豆浆机的设计 2 1 1 绪论绪论 1 11 1 豆浆机的历史和现状豆浆机的历史和现状 1995 年北京电视台的电视购物栏目就出现了豆浆机的身影 但由于众 多技术难题当时没有被攻克 豆浆机市场并未如愿发展起来 当初豆浆 机的缺陷是电机工作不稳定 不是打几次就坏 就是不按程序工作 返 修率非常高 而且豆浆还一煮就糊 以致不少爱喝豆浆的人只好将其束 之高阁 目前 豆浆机的市场容量可以达到 300 万一 500 万台 有 6 2 的城镇家庭表示要买豆浆机 特别是北京 上海 广州等大城市 未来 两年家庭购买意向排名中豆浆机名列第三 有购买意向的家庭达 26 796 另据一项调查表明 预计 3 年之内 每年豆浆机市场潜力将以 20 的速 度增长 由于巨大的市场诱惑 许多大小家电企业纷纷宣布进军豆浆机 市场 以期占有自己的一席之地 伴随着豆浆机市场份额的扩大和企业 竟争的加剧 豆浆机的设计 功能等存在的问题也逐渐显现出来 盆亩舀奋二奋奋 二二亩 扁扁 现在 很多家庭使用的全自动豆浆 机 是用微电脑控制 集水位检测 粉碎 过滤 防溢 报警等功能为 一体 实现制浆自动化 制作豆浆整个过程只要 13 巧分钟 耗电约为 0 2 度 使用方便经济 但是作为传统食品 豆浆虽早已走进千家万户 且老少咸宜 但让人们接受豆浆机却并不是件容易的事情 这里存在着 双重问题 首先 由于替代品的存在及人们的消费习惯 鲜豆浆的消费 市场并不足够大 留给豆浆机的份额更小 其次 对于豆浆机这个产品 消费者的认知还存在问题 因此 作为一个产品的创新 豆浆机市场还 有一个培育和引导发展的问题 从某种意义上说 谁能够解决这个问题 谁才是真正的赢家 而市场的培育 最重要的是产品的完善及功能的不 断提升 为此我们运用相关的理论 对豆浆机现有的缺陷进行改进 以 提高人们对豆浆机的认识了解 以求更好地开拓市场 1 21 2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 一个企业的生存与发展是与其产品的功效市场和未来市场的走向密 不可分的 豆浆机从诞生的那一天起 有许多的问题一直影响着其市场 单片机全自动豆浆机的设计 3 的推广 历经了十多年的发展 在新材料的选择 微电脑程序的控制 外观造型的改进 企业对豆浆机的技术改造投入了相当的技术力量 当 产品达到一定功能后 企业往往会把力量转奋目日亩石奋亩亩亩亩亩曰 亩曰右右而投向市场的开拓 如大量投入广告 应用各种促销手段 但 其效果往往却不是十分理想 究其原因 企业没有很好的对产品所处的 生命周期加以判断 举个非常简单的例子 如果现在企业还在为黑白电 视机大打广告 那他门的后果是可想而知的 再者企业在推广自己的产 品时 往往是自己给产品定型 没有与消费者有效的沟通 没有对消费 者的消费心理进行很好的研究 其结果是自己感觉产品时尚 而消费者 并不买单 这是我们引入消费心理学的一个重要原因 再者产品所应有 的功能对其市场的形象和后续的竞争起着很大的作用 所以对产品的创 新改进设计是本文的重点 通过我们对用户的调研资料反馈分析 我们 分别对一些重要的部件进行改进 并对一些工艺也做了一些必要的修改 目的只有一个 迎合消费者的消费心理 使产品更有活力 从而使企业 克服现有困难 重新打开豆浆机的消费市场 本课题的来源是九阳电 器有限公司 通过分析公司的市场调查报告 找出目 前豆浆机产品存在的缺陷 适应消费者对豆浆营养的需求而开发出新型 号 QYYXZ 系列的豆浆机 既全营养旋转系列 希望新产品投入市场 能 为公司带来新的利润增长点 总之 本文的最终目的是设计出别具一格的新产品 进一步满足消 费者的需求 使产品在市场上拥有竞争力 使企业更有效地占领市场 从而达到企业可持续发展的目的 1 31 3 本设计主要设计内容本设计主要设计内容 本文的研究内容是基于现代工业设计理论和创新设计理论 对豆浆机 现有的缺陷进行改进 豆浆机在十几年的发展过程中 有几个问题始终 没有得到很好地解决 而创新设计的方法会给我们带来新的思路 从而 解决了困扰豆浆机十几年的问题 同时为了提升企业的市场竞争力 我 们引入了消费心理学 对消费心理的分析 主要是为了从市场的角度出 发 综合考虑消费者的消费意识 消费行为 消费方法等等一系列的问 单片机全自动豆浆机的设计 4 题 从而为企业成功的开拓市场打下良好的基础 在改进豆浆机的缺陷 时 我们又对豆浆机所处的生命周期加以分析 避免其快速进入衰退期 本文分析了豆浆机所处的生命周期阶段 对豆浆机的粉碎刀 滤网 熬 煮方法等进行了改进 在打磨刀和杯体的创新设计过程中 使用的是 Pro E 软件 该软件在工程制图中有着比 AUTOCAD CAI 等软件不可替代 的功能 单片机全自动豆浆机的设计 5 2 2 豆浆机总体设计方案豆浆机总体设计方案 2 12 1 豆浆机的功能及设计要求豆浆机的功能及设计要求 2 1 22 1 2 豆浆机基本功能豆浆机基本功能 硬件的功能要求 豆浆机的控制系统以单片机 AT89C51 为控制 核心 结合控制传感器 加热及打浆电路 防干烧电路及防溢电路 声光报警等控制 达到只要启动豆浆机以后 所有的控制过程都实 现完全自动化的目的 硬件上豆浆机的控制系统首先需要有一个单 片机芯片作为控制核心来控制它的工作过程 开始时需要把水加热 到 80 这久需要一个温度传感器 这里采用 NTC 热敏电阻温度传 感器 因为它灵敏度高 反应快 只是因为该温度传感器采用模拟 量测量过 需要 A D 转换 由于豆浆机需要使用防干烧电极防止出 现干烧情况 所以这里采用一个探针来代替传感器 给豆浆机加热 完毕后 需要启动电机开始打浆 这里选用单相串励电机 因为串 励电机具有机动转矩大 过载能力强 体积小 重量轻等很多优点 并且改类型电机在家用电器使用很普遍 当打完浆后 需要对豆浆 再次加热 这里就用到防溢的装置 与防干烧装置一样 沸腾溢出 装置同样采用探针来替代了传感器 对豆浆防溢延煮后 预示着豆 浆加工完成了 最后发出声光报警信号 这里选用一个报警器和发 光二极管 软件的功能要求 软件上就是对单片机的编程 在编程前需要 画出一个流程图 根据豆浆机控制系统的设计要求及目的 即插上 电源 按下启动按钮并且选择功能后 如果选择功能一 富纤豆浆 且没有出现水位过低的情况 就启动加热装置对水加热 当水温达 到了 80 左右 豆浆机停止加热 启动电机高速旋转打浆 打浆共 6 次 每次 20 秒 间隔 10 秒 打浆结束后 电加热器继续加热 一直加热到豆浆第一次沸腾 豆浆第一次沸腾后 本机防溢功能自 动启动 进入延煮过程 电热器间歇加热 是豆浆反复煮沸 充分 煮沸并防止溢出 防溢延煮约 8 分钟结束 工作结束后 机器发出 单片机全自动豆浆机的设计 6 声光报警 提示豆浆已经做好 此时关闭开关 拔下电源插头后 即可准备饮用豆浆 如果选择功能二 浓香豆浆 并且没有出现 水位过低的情况 就启动加热装置对水加热 但水温达到了 80 左 右 豆浆机停止加热 启动电机高速旋转打浆 打浆共 4 次 每次 15 秒 间隔 10 秒 打浆结束后 电加热器继续加热 一直加热到 第一次沸腾 豆浆第一次沸腾后 本机防溢功能自动启动 进入延 煮过程 电热器间歇加热 使豆浆充分煮熟并防止溢出 防溢延煮 约 8 分钟结束 工作结束后 机器发出声光报警 提示豆浆已经做 好 此时关闭开关 拔下电源插头后 即可准备饮用豆浆 注 豆浆机的防干烧功能在工作过程中 自动启动 按照上述对豆浆机控制系统的要求 完成豆浆机控制系统设计的流程 图后 对单片机进行软件设计的编程来配合硬件的设计以至于完成整个 豆浆机控制系统的设计 2 1 22 1 2 设计要求设计要求 1 分析豆浆机工作原理和结构 并用 proe 完成外形结构的设计 2 各个功能模块的设计 3 单片机与各模块之间的接口与控制 4 单片机控制各模块程序的编写 5 单片机对打浆电机的控制 2 22 2 豆浆机总体设计方案豆浆机总体设计方案 2 2 12 2 1 基本原理基本原理 单片机全自动豆浆机的设计 7 本设计原理如图 1 所示 图 2 1 控制系统首先通过电源电路对系统供电 其中温度传感器 防溢电路 放干烧电 路 时钟电路 复位电路 按键 均是输入部分 声光报警 电机 加热电路均 是输出部分 通电后 单片机启动加热器加热 加热到 80 时停止加热 然后启动电机 电机通过旋转打豆 打豆完成之后 又 通过加热器加热 其中复位电路是复位系统的 按键为工作功能选择键 AT89C51 温度传感器 防溢电路 放干烧电路 时钟电路 按键 加热电路 电机 声光报警 复位电路 单片机全自动豆浆机的设计 8 2 2 22 2 2 总体方案设计总体方案设计 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 80 度左右时 停止加热 启动磨浆电机开始磨浆 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 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 豆浆加工自动进入防溢延煮程序 豆浆加工完成后发出 声光报警信号 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 单片机全自动豆浆机的设计 9 表 2 1 方案一设计框图 打浆电路 温度传感器 加热电路 报警电路 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 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 表 2 2 方案二设计框图 单片机 加热电路 防干烧 防溢电路 打浆电路 温度传感器 报警电路 电源电路 3 方案论证 方案一由上所示 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 单片机全自动豆浆机的设计 10 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 方案二由上所示 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 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 单片机全自动豆浆机的设计 11 3 3 豆浆机的外形结构设计豆浆机的外形结构设计 3 13 1 豆浆机的基本结构豆浆机的基本结构 豆浆机主要由上盖 下盖 杯体 电机 温度传感器 防溢电极 刀头 加热管等构成其详细结构图如下 图 3 1 豆浆机基本结构图 3 23 2 杯体杯体设计设计 杯体像一个钢材料制成 其中 PC 材料耐高温 无毒无味 光亮度高 易清洁 防跌落设计 小孩子用的奶瓶就是这种材料的 不光耐高温 也不怕摔 在杯体上标有 上水位 线和 下水位 线 以此规范对杯体的 加水量 杯体的上口沿恰好套住机头下盖 对机头起固定和支撑作用 3 33 3 机头机头 机头是豆浆机的总成 除杯体外 其余各部件都固定在机头上 机头 单片机全自动豆浆机的设计 12 外壳分上盖和下盖 上盖有提手 工作指示灯和电源插座 下盖用于安 装各主要部件 在下盖上部 也即机头内部 安装有电脑板 变压器和 打浆电机 伸出下盖的下部有电热器 刀片 网罩 防溢电极 温度传 感器以及防干烧电极 其材料 上盖用 ABS 工程材料 机械强度大 收缩率小 绝缘特性好 结实耐用 摩托车的头盔就是选用的这种材料 耐磨度耐热度 下盖用 PP 材料 符合国家食品级卫生标准 耐高温 无毒无味 强度较高 微波炉加热器皿正是用这种材料 其 proe 图如 下 图 3 3a机头上盖 图 3 3b机头下盖 3 43 4 底座设计底座设计 单片机全自动豆浆机的设计 13 根据底座功能主要是散热性好 耐用 切刚好与杯体底部配合 设 计为环形散热口 考虑其隔热性用 ABS 工程材料制成 如下图所示 图 3 4底座 3 5 小电机的选择电机小电机的选择电机 电机需润滑效果好 运行平稳 噪音低 高效耐用结合设计尺寸选 单相串励电动机型号6331极数12 极如下图所示 图 3 5 3 6 刀片刀片 外形酷似船舶螺旋桨 高硬度不锈钢材质 用于粉碎豆粒 选用 X 型旋风精磨刀 空间三层超微粉碎 刚硬度钢 如下图所示 单片机全自动豆浆机的设计 14 图 3 6 3 7 网罩网罩 用于盛豆子 过虑豆浆 实际工作时 网罩通过扣合斜楞而与机头下 盖是扣合在一起的 清洗时会发现 受热后网罩与机头下盖扣合出现过 紧 因此拆卸网罩时应先用凉水将其冷却 以免用力过大而划伤手或弄 坏网罩 特别是清洗网罩比较费事 往往让用户感到太辛苦 这一问题 引起各厂家重视 九阳公司经过技术创新 对网罩改进实现了重大突破 应用九阳专利导流技术的拉法尔网 匹配 X 型旋风刀片 经上万次全 循环精细磨浆 不但大大地提高了豆浆营养质量 同时使网罩的清洗变 得简便而轻松 其图如所示 图 3 7 网罩 单片机全自动豆浆机的设计 15 4 4 豆浆机控制系统的硬件设计豆浆机控制系统的硬件设计 4 14 1 电源电路设计电源电路设计 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 4 1 14 1 1 电源的作用电源的作用 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该经稳稳压电路进行稳压 4 1 24 1 2 电源的组成电源的组成 电源由电源变压器 整流电路 滤波电路 稳压电路组成 电源变压器 将电网提供的 220V 交流电压转换成为各种电路设 备所需的交流电压 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 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 稳压电源 利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳 压 单片机全自动豆浆机的设计 16 4 1 3 变压器容量 整流二极管的计算与选择 据整流原理 因为 UO O 9U2 则可以得到 U2 UO O 9 5v 0 9 5 56V 在考虑到变压器 绕组损耗 压降 和整流二极管的压降 在 T 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 UDl 21 2U2 5 83V 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 75ID2 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时 12V 故有线圈匝数 N 2 1 UU 12 220 0 003 变压器副边的有效 值 I2 1 ll l 5 1 67A 变压器的容量 S UI 5 83 1 67 9 74W 4 1 44 1 4 电源工作原理电源工作原理 整个电源电路如图 4 1 所示 控制电路采用变压器降压 晶体 二极管整流等方法获得工作电源 当电源接入 220V 交流电 TR1 开 始对 220V 交流电进行降压 从次级输出 12V 左右的低压交流电 从 而适应电路的使用要求 整流硅对次级输出的交流电进行桥式整流 再由 E2 C2 进行滤波 已形成较平滑的直流电 送给三端集成正输 出稳压器 78L05 进行稳压调整 经 78L05 稳压作用后输出 5V 的直 流电压 经 E3 C3 滤波后输出纹波很低的 5V 电压 作为单片机的 工作电源 以保证单片机工作时的稳定和可靠 单片机全自动豆浆机的设计 17 图 4 1豆浆机控制系统的电源电路 4 1 54 1 5 桥式整流电路简介桥式整流电路简介 桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电 路 常用来将交流电转变为直流电 桥式整流电路图如图 4 4 它 的工作原理如下 输入为正半周时 对 D1 D3 加正向电压 Dl D3 导通 对 D2 D4 加反向电压 D2 D4 截止 电路中构成 ab D1 R D3 通电回路 在 R 上形成上正下负的半波整洗电压 输入为负半周 时 对 D2 D4 加正向电压 D2 D4 导通 对 D1 D3 加反向电压 D1 D3 截止 电路中构成 ab D2 R D4 通电回路 同样在 R 上形 成上正下负的另外半波的整流电压 单片机全自动豆浆机的设计 18 图 4 2 如此重复下去 结果在 R 上便得到全波整流电压 其波形图和全 波整流波形图是一样的 从图 4 4 中还不难看出 桥式电路中每只 二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值 比全波整流 电路小一半 桥式整流是对二极管半波整流的一种改进 半波整流利用二极 管单向导通特性 在输入为标准正弦波的情况下 输出获得正弦波 的正半部分 负半部分则损失掉 桥式整流器利用四个二极管 两 两对接 输入正弦波的正半部分是两只管导通 得到正的输出 输 入正弦波的负半部分时 另两只管导通 由于这两只管是反接的 所以输出还是得到正弦波的正半部分 桥式整流器对输入正弦波的 利用效率比半波整流高一倍 4 1 64 1 6 稳压器的选用稳压器的选用 集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集 成电路 由于集成稳压器具有稳压精度高 工作稳定可靠 外围电 路简单 体积小 重量轻等显著优点 在各种电源电路中得到了普 遍的应用 常用的集成稳压器有 金属圆形封装 金属菱形封装 塑料封装 带散热板塑封 扁平式封装 双列直插式封装等 在电 子制作中应用的较多的是三端固定输出稳压器 78XX 系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器 输出电压有 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V 等规格 最大输出电 流为 1 5A 它的工作原理 取样电路将输出电压按比例取出 送入 单片机全自动豆浆机的设计 19 比较放大器与基准电压进行比较 差值被放大后去控制调整管 以 使输出电压保持稳定 它的内部含有限流保护 过热保护和过压保 护电路 采用了噪声低 温度飘逸小的基准电压源 工作稳定可靠 78XX 系列集成稳压器为三端器件 一脚为输入端 一脚为接地端 一脚为输出端 使用十分方便 在此设计中我选用的是 78XX 系列中的 78L05 它能够提供多种 固定的输出电压 应用范同广 内含过流 过热和过载保护电路 带散热片时 输出电流可达 1A 虽然是固定稳压电路 但使用外接 元件 可获得不同的电压和电流 在本设计中就是利用它把 12V 的 直流电压变成 5V 的稳定电压给单片机提供电源 以确保正常工作 4 1 74 1 7 稳压器简介稳压器简介 78L05 是一种固定电压 5V 三端集成稳压器 其适用于很多应 用场合 象牵涉到单点稳压场合需要限制噪声和解决分布问题的在 卡调节 此外它们还可以和其它功率转移器件一起构成大电流的稳 压电源 如可驱动输出电流高达 100 毫安的稳压器 图 4 2 为几种三 端集成稳压器 单片机全自动豆浆机的设计 20 图 4 3 其卓越的内部电流限制和热关断特性使之特别适用于过载的情 况 当用于替代传统的齐纳二极管 电阻组的时候 其输出阻抗得到 有效的改善 其偏置电流大大减少 78L05 特性 三 端稳压器 输出电流可达到 100mA 无需外接元件 内部热过载保护 内部短路电流限制 从 2004 年底开始 提供的各类封装形式 均为无铅封装产品 78L05 应用须知 如果稳压器离电源滤波器有一段距离 Cin 是必需的 Co 对稳定性而言是可有可无的 但的确能够改善瞬态响应 78L05 典型线路图 图 4 4 单片机全自动豆浆机的设计 21 图 4 4 注 1 为确定输出电压值 请选择电压值后缀 xx 2 为获得最佳的稳定性和瞬态响应 建议使用旁边电容并尽量可能挨着 电路安装 4 24 2 单片机的选用及简介单片机的选用及简介 4 2 1 单片机的选用单片机的选用 市面上的单片机很多 本设计采用 AT89C51 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS8 位单片机 片内含 4Kbytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 128bytes 的随机存取 数据存储器 RAM 器件采 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令 系统 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元 功能 强大的 AT89C51 单片机可适用于提高许多高性价比的应用场合 可 灵活应用于各种控制领域 4 2 24 2 2 单片机的简介单片机的简介 1 主要性能参数 兼容 MCS 51 产品指令系统完全兼容 4K 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 24MHz 128 8 字节内部 RAM 单片机全自动豆浆机的设计 22 32 个可编程 I O 口线 2 个 16 位定时 计数器 6 个中断源 可编程串行 UART 通道 低耗空闲和掉电模式 2 引脚功能图4 5 引脚如图右 4 5 所示 引脚功能说明 VCC 电源电压 GND 地 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 也即地址 数 据总线复用口 作输出口用时 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 可作为高阻抗输入端用 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分时转换地 址 低 8 位 和数据总线复用 在访问期间激活内部上拉电阻 Flash 编程时 P0 口接收指令字节 而在程序检验时 输出指 令字节 校验时 要求外接上拉电阻 P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出 缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输出口 单片机全自动豆浆机的设计 23 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部信号拉 低时会输出一个电流 I Flash 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 P2 口 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输 入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部 信号拉低时会输出一个电流 IIL 在访问外部程序存储器或 16 位 地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 指令 时 P2 口 送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如执 行 MOVX RI 指令 时 口线上的内容 也即特殊功能寄存器 SFR 区中 R2 寄存器的内容 在整个访问期间不改变 Flash 编程或 校验时 P2 亦接收高位地址和其它控制信号 P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口 作输入端时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 IIL P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是它的第二 功能 如表 4 1 所示 端口引脚第二功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2INT0 外中断 0 单片机全自动豆浆机的设计 24 表 4 1 P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制 信号 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期 以上高电平将使单片机复位 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地 址锁存允许 出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节 即使不访问外部 存储器 ALE 仍以时钟振荡频率的 l 6 输出固定的正脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于定时目的 要注意的是 每当访问外 部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 对 Flash 存储器编程期间 该引脚还用于输入编程脉冲 PROG 如有必要 可通过对特殊功 能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的 DO 位置位 可禁止 ALE 操作 该位置位后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才会被激活 此外 该引脚会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE 无效 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通 信号 当 AT89C51 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机 器周期两次 PSEN 有效 即输出两个脉冲 再此期间 当访问外部数 据存储器 这两次有效的 PSEN 信号不出现 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地 址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位 LB1 被编程 复位时内部会锁存 EA 端状态 如 EA 端 为高电平 接 VCC 端 CPU 则执行内部程序存储器中的指令 P3 3INT1 外中断 1 P3 4T0 定时 计数器 0 外部输入 P3 5T1 定时 计数器 1 外部输入 P3 6WR 外部数据存储器写选通 P3 7RD 外部数据存储器读选通 单片机全自动豆浆机的设计 25 Flash 存储器编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 4 34 3 温度检测电路的设计温度检测电路的设计 当豆浆机正常工作时 需要先加热到 80 左右的温度 然后停 止加热继续下一步的工作 所以这就需要一个温度传感器来检测水 温 这里我选用的是 NTC 热敏电阻温度传感器 选择它是灵敏度高 反应迅速 电阻值和 B 值精度高 一致性互换性好 采用双层密封 工艺 具有良好的绝缘密封性和抗机械碰撞 抗折弯能力 稳定性 好 可靠性高 4 3 14 3 1 NTCNTC 热敏电阻温度传感器简介热敏电阻温度传感器简介 热敏电阻传感器是对温度敏感的电阻器的总称 是半导体测温 元件 按温度系数分为负温度系数热敏电阻 N TC 和正温度系数热 敏电阻 PIC 两大类 NIC 热敏电阻以 MF 为其型号 PIC 热敏电阻以 MZ 为其型号 负温度系数热敏电阻大多是由 Mn 锰 Ni 镍 Co 钴 Fe 铁 Cu 铜 等金属氧化物经过烧结而成的半导体 材料制成 具有很高的灵敏度和良好的性能 被大量作为温度传感 器使用 NTC 负温度系数热敏电阻传感器是温度下降时它的电阻值会升 高 在所有被动式温度传感器中 热敏电阻的灵敏度 即温度每变 化 1 c 日寸电阻的变化 最高 但热敏电阻的电阻腽度曲线是非线 性的 表 4 2 中数据是对 Vishay Dale 热敏电阻系列测得的 NIC 热敏电阻器性能参 表 4 2 单片机全自动豆浆机的设计 26 Temp RTRT R25 2072 87 28 1044 6K4 46 028 1K28 1 1018 2K1 82 2510K1 308 2760 8276 406 406K0 6406 505 758K0 5758 604 086K0 4086 702 954K0 2594 802 1720 2172 901 6220 1622 1001 229K0 1229 从数据可以看出 25 时阻值为 10 的电阻 在 0C 寸电阻为 28 1 60 时电阻为 4 086 与此类似 25 时电阻为 5 的热敏电阻在 0 时电阻则为 14 050 其中电阻值以一个 比率形式给出 R R2 该比率表示当前温度下的阻值与 25 时的 阻值之比 通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻 温度曲线 如果想要知道两点之间某一温度下的阻值 可以用这个曲线来 估计 也可以直接计算出电阻值 计算公式如式 4 1 所示 式 4 1 这里 T 指开氏绝对温度 A B C D 是常数 根据热敏电阻的特性 而各有不同 这些参数由热敏电阻的制造商提供 单片机全自动豆浆机的设计 27 热敏电阻一般有一个误差范围 用来规定样品之间的一致性 根据使用的材料不同 误差值通常在 1 至 10 之间 有些热敏电阻 设计成应用时可以互换 用于不能进行现场调节的场合 例如一台 仪器 用户或现场工程师只能更换热敏电阻而无法进行校准 这种 热敏电阻比普通的精度要高很多 价格也要贵得多 利用电阻器财热敏电阻传感器进行线性化的接口电路 具有高 增益的运算放大器 加上负反馈构成的线性电路 其闭环增益和传 输特性以及它的输入 输出阻抗基本上取决于外部的反馈元件 因 此 使用运算放大器进行线性信号的处理是非常方便的 实际中常 用运算放大器构成反相放大电路和同相放大电路作为测量温度的接 口电路 如图 2 为热敏电阻传感器运用同相放大电路进行温度测量 的接口电路 该接口电路利用电阻器对热敏电阻传感器进行线性化 接口电路有电压模式和电阻模式 二者的作用都是实现线性化 图 4 6 用固定电阻器 R 就可以实现线性化 称为电压模式 单片机全自动豆浆机的设计 28 图 4 6 热敏电阻传感器的测温接口电路 式 4 2 中 电阻 Rl 将热敏电阻的电压拉升到参考电压 一般它 与 ADC 的参考电压一致 因此如果 ADC 的参考电压是 5V Vref 也将 是 5V 热敏电阻和电阻串联产生分压 其阻值变化使得节点处的电 压 Vl 也产生变化 该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及 参考电压的精度 式 4 2 由于热敏电阻是一个电阻 电流流过它时会产生一定的热量 热敏电阻消耗的能量对温度的影响用耗散常数来表示 它指将热敏 电阻温度变化 1 G 昕耗散的功率 耗散常数与热敏电阻的结构 形 状以及所处介质的种类 状态等有关 H1 因此设计测温接口电路 时应确保拉升电阻足够大 拉升电阻的阻值毖须进行计算 以限定 整个测量温度范围内的自热功耗 防止热敏电阻自热过度导致系统 产生测量误差 一般系统所允许的自热量及限流电阻大小由测量精 度决定 测量精度为 5 C 白勺测量系统比精度为 1 C 测量系统 可承受的热敏电阻自热要大 给定出电阻值以后 由于热敏电阻阻 值变化 耗散功率在不同温度下也有所不同 拉升电阻 Rl 的值由使 用温度和热敏电阻传感器的特性决定 可以用下式计算出来口 1 即 式 4 3 单片机全自动豆浆机的设计 29 式 4 3 中 R 是热敏电阻传感器在使用温度下限时的电阻值 Rm 是热 敏电阻传感器在使用温度上限时 4 3 24 3 2 ADC0809ADC0809 简介简介 ADC0809 是一种典型的 A D 转换器 它是采用主次逼近方法的 8 位 8 通道 A D 转换器 5V 单电源供电 转换时间在 100us 左右 ADC0809 为 28 引脚 双列直插芯片 其引脚如图 4 7 所示 各 引脚功能如下 IN0 IN7 8 路模拟量输入端 D7 D0 8 位数字量输出端口 START A D 转换启动信号输入端 ALE 地址锁存允许信号 高电平有效 EOC 转换结束信号 高电平有效 OE 输出允许控制信号 高电平有效 CLK 时钟信号输入端 单片机全自动豆浆机的设计 30 A B C 转换通道的地址 图 4 7 VREF 参考电源的负端 VREF 参考电源的正端 AD0809 的逻辑结构 ADC0809 是 8 位逐次逼近型 A D 转换 器 它由一个 8 路模拟开关 一个地址锁存译码 器 一个 A D 转 换器和一个三态输出锁存器组成 多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 共用 A D 转换器进行转换 三态输出锁 器用于锁存 A D 转换完 的数字量 当 OE 端为高电平时 才可以从 三态输出锁存器取走转换完的数据 AD0809 的工作原理 N0 IN7 8 条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求 信号单极性 电压范围是 0 5V 若信号太小 必须进行放 大 输入的模拟量在转换过程中应该保持不变 如若模 单片机全自动豆浆机的设计 31 拟量变化太快 则需在输入前增加采样保持电路 地址输入和控制 线 4 条 ALE 为地址锁存允许输入线 高电平有效 当 ALE 线为高电平 时 地址锁存与译码器将 A B C 三 条地址线的地址信号进行锁 存 经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换 A B 和 C 为地址输入线 用于选通 IN0 IN7 上的一路模拟量输 入 通道选 择表如表 4 3 所示 表 4 3 CBA 选择的 通道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101 IN5 110IN6 111IN7 数字量输出及控制线 11 条 ST 为转换启动信号 当 ST 上跳沿时 所有内部寄存器清零 下跳沿时 开始进行 A D 转 换 在转换期间 ST 应保持低电平 EOC 为转换结束信号 当 EOC 为高电平时 表明转 换结束 否则 单片机全自动豆浆机的设计 32 表明正在进行 A D 转换 OE 为输出允许信号 用于控制三条输出锁 存器向单片机输出转换状态 D7 D0 为数字量输出线 CLK 为时钟 输入信号线 因 ADC 得到的数据 OE 1 输出转换得到的数据 OE 0 输出数据线呈高阻 0809 的内部没有时钟电路 所需时钟信号 必须由外界提供 常使用频率为 500KHZ VREF VREF 为参考电压输入 ADC0809 应用说明 ADC0809 内部带有输出锁存器 可以与 AT89S51 单片机直接 相连 初始化时 使 ST 和 OE 信号全为低电平 送要转换的哪一通道的地址到 A B C 端口上 在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号 是否转换完毕 我们根据 EOC 信号来判断 当 EOC 变为高电平时 这时给 OE 为高电平 转换的数据就输 出给单片机了 单片机全自动豆浆机的设计 33 图 4 8 4 3 34 3 3 放大器放大器 LM324LM324 简介简介 LM324 是四运放集成电路 它采用 14 脚双列直插塑料封装 外 形如图所示 它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器 除电 源共用外 四组运放相互独立每一组运算放大器可用图 4 10 所示的 符号来表示 它有 5 个引出脚 其中 为两个信号输入 端 V V 为正 负电源端 Vo 为输出端 两个信号 输入端中 Vi 为反相输入端 表示运放输出端 Vo 的信号与该 输入端的相位相反 Vi 为同相输入端 表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同 LM324 的引脚排列见图 4 9 图 4 9图 4 10 由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽 静态功耗小 可 单电源使用 价格低廉等优点 因此被广泛应用在各种电路中 下 面介绍其应用实例 同相交流放大器同相交流放大器的特点是输入阻抗高 其中 的 R1 R2 组成 1 2V 分压电路 通过 R3 对运放进行偏置 此 单片机全自动豆浆机的设计 34 图 4 11 电路可将输入交流信号分成三路输出 三路信号可分别用作指示 控制 分析等用途 而对信号源的影响极小 因运放