【《豆浆机控制系统的硬件和软件系统设计案例》5400字】

豆浆机控制系统的硬件和软件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u9321豆浆机控制系统的硬件和软件系统设计案例 121707一、豆浆机控制系统硬件设计 131883（一）控制系统硬件的总体框架 132009（二）MCUSTC89C52RC概述 2279071.STC89C52RC的特性 2324212.STC89C52RC的引脚说明 317211（三）控制系统各个功能模块设计 4282811.MCU最小系统硬件设计 444622.电源模块设计 5193123.LED电源指示灯模块设计 5168874.按键及其LED指示灯模块设计 623535.防干烧及检测温度电路模块设计 7106976.防溢电路模块设计 8166707.电热器驱动电路模块设计 9153518.电机驱动电路模块设计 9174899.报警电路模块设计 920028（四）系统总体硬件的原理图设计 1024193（五）控制系统的PCB图和实物图 1078921.控制系统硬件的PCB板图 10227612.控制系统硬件的实物图 113633二、豆浆机控制系统设计 131459（一）软件设计的任务 1321330（二）各功能模块程序设计 158052（三）LED模块程序设计 1526560（四）水位检测模块程序设计 1626037（五）预热模块程序设计 174220（六）打浆模块程序设计 1826274（七）煮浆和防溢延煮模块程序设计 1921354三、豆浆机控制系统调节结果 2110070（一）LED模块程序调试 2125847（二）水位检测模块程序调试调试过程 21一、豆浆机控制系统硬件设计（一）控制系统硬件的总体框架本系统的硬件部分分为十大模块（如图3-1）：控制器最小系统模块、电源模块、LED电源指示灯模块、按键及其LED指示灯模块、防干烧及检测温度电路模块、防溢电路模块、电热器驱动电路模块、电机驱动电路模块、报警电路模块。图3-1系统硬件总体框架图（二）MCUSTC89C52RC概述1.STC89C52RC的特性图3-2STC89C52RC引脚配置图2.STC89C52RC的引脚说明表3-3STC89C52RC的引脚说明（三）控制系统各个功能模块设计1.MCU最小系统硬件设计本次设计的主控芯片选用的是STC89C52RC单片机，该单片机内部自带了晶振电路和复位电路，所以本次设计只需要在单片机外部再接入一个电源模块即可组成MCU最小系统。该最小系统的硬件设计图如图3-4所示。图3-4MCU最小系统图2.电源模块设计本次设计的电源模块加装了全桥电路，该全桥电路是由四个二极管构成的，该电路的作用是将家庭的220V交流电转变为直流电。另外该电源模块中还加入了稳压芯片实现对电路电压的稳定，将整个输出端输出的电压稳定在5V，以提供给单片机稳定的工作电压。电源模块图和电源及其按键实物图如图3-5所示。内部变压器控制电机和电热器两端的工作电压，整个系统通电后，变压器便进行降压工作，以获得机器的工作电源。图3-5电源模块图图3-5电源及其按键实物图3.LED电源指示灯模块设计图3-6为LED电源指示灯的模块图，如图所示，电源电路的负极接在单片机控制芯片的PC0脚，正极接上电阻以后连接+5V的电压，电阻可以起到分压的作用使得LED灯两端的工作电压达到正常稳定，以确保整个LED模块的正常运行。系统导通后，LED灯发光则表示该模块正常。图3-6LED电源指示灯模块图图3-6-1LED电源指示灯实物图按键及其LED指示灯模块设计整个按键及其LED指示灯模块图和按键实物图如图3-7所示，在核心控制芯片的PD6、PD7和PD8引脚分别接上4.7K的电阻，并在每个引脚的公共端接上510电阻连接到KEY芯片上构成按键电路，外部软键盘1引脚接地。LED电路是LED灯分别串联阻值为1K的电阻，负极连接到510电阻端，正极接上LED稳定工作的+5V电压。LED是低电平有效，当负极为低电平时开始工作，灯泡发亮，此时对应的动作为按下按键。未按下按键时，负极高电平，灯泡不亮。这样就可以通过按键来控制整个系统的工作状态，对整个控制系统发出相应的指令信号。图3-7按键及其LED指示灯模块图图3-7按键实物图5.防干烧及检测温度电路模块设计整个防干烧电路的核心部分为防干烧电极的部分，电极的J2口连接到控制芯片的PD3口，另一端连接一个0.1UF的电容后再接地，当豆浆机内水位过低时，这种状态就会被防干烧电极检测到，然后将该信号传输给单片机，单片机对信息进行读取判断水位过低时则让电机停止工作，以免干烧。整个防干烧的电路图如图3-8所示。图3-8防干烧电路图防干烧电极的JP1口连接电源，2口则连接一个1.8K电阻和0.1UF电容并联的电路的公共端，然后公共端的另一端则接地。2端口另一端串联一个1K的电容后再串联一个1500PF的电容后接地，此时该电路接入的两个电容都起到滤波的作用。最后R10和C11的公共端连接到MCU的PD4引脚上。豆浆机内加入的防干烧电极可以对机器内豆浆的温度进行实时的检测，机器设置的温度阈值为80度，当机器内的豆浆温度达到这一标准后，PD4端的引脚会被拉到高电平，单片机通过这种电平的变化来判断出豆浆的温度。整个温度检测电路图如图3-9所示。图3-9温度检测电路图6.防溢电路模块设计防溢出电极J3的一段接一个0.1UF的电容C6后再接地，另一端接控制芯片的PD2口。当防溢出电极感受到豆浆时，则会对单片机发出溢出信号，此时对应PD2引脚为低电平有效，单片机检测到该溢出信号后会做出相应的反应，使得加热电极停止工作，实行延煮功能，以防止豆浆溢出。电容C6仍然起到滤波的作用。整个防溢出电路的模块图如图3-10所示。图3-10防溢电路模块图7.电热器驱动电路模块设计本次设计中利用继电器对整个电热器的工作状态进行控制。利用二极管的单向导通性能同时实现对继电器的控制，可以通过控制继电器的动端触点来来限制电流的流通，端点断开时，通过的电流减小了一半，通过限制电流大小的方式来达到限制加热功率的目的。电热器驱动电路模块图如图3-11所示。三极管在整个继电器中充当开关的角色，继电器的K3与单片机的PB2引脚相连，另外K2继电器接入到单片机的PB3引脚上，K3继电器和豆浆机的加热器直接连接，对加热器进行控制，K1、K2和K3继电器也分别进行连接。图3-11电热器驱动电路模块图8.电机驱动电路模块设计可以通过控制继电器K1来达到对整个豆浆机的电机进行控制的目的，上述电热器驱动模块中介绍继电器的开关为三极管，从而三极管的导通与截止是整个模块控制的关键。K1的动合触点连接工作电机，另一端则和继电器K2相连，整个电机驱动电路的原理图如图3-12所示。图3-12电机驱动电路模块图9.报警电路模块设计报警电路的核心部分为蜂鸣器，三极管的一端连接电阻R17后再接入到单片机芯片的18引脚上，另一端接入一个三极管并串联一个电阻，此时串联的两个电阻的作用是分压。通过控制三极管的导通与截止就可以实现对蜂鸣器的控制工作了。该报警电路模块如图3-13所示。图3-13报警电路模块（四）系统总体硬件的原理图设计整个豆浆机工作时是直接接入家庭的220V交流电，但是系统实际的稳定工作电压为+5V，这个电压的转换过程就需要变压器、稳压芯片等各个处理电压的部分来完成，最终使得整个系统可以在稳定的电压下进行工作。LED灯模块由PD6、PD7和PD8三个引脚来进行控制，防干烧和豆浆温度检测模块则连接到MCU的PD4引脚上，PD2引脚用于连接防溢出电路，来实现防止豆浆溢出的功能，PB2引脚可以实现对豆浆机加热功率的控制，满足不同的加热需求。报警模块则连接到PB4引脚上。系统总体电路图如图3-14所示。图3-14系统总体电路图（五）控制系统的PCB图和实物图1.控制系统硬件的PCB板图对整个系统的电路原理图设计完成以后，对所有器件进行封装整理，然后开始进行PCB图的绘制工作，但是要注意好钻孔的尺寸以及各元件封装孔的大小。整个PCB图绘制好后手工制作PCB板。所有的元器件的封装工作完成后，首先要新建一个文件，将所有的元器件导入到表格中自动生成网络表，再将网络表导入到之前新建的文件中，就进行对PCB图的绘制工作了，整个布线过程要严谨细心，绘制完成后还要进行仔细的检查。主电路线宽为3mm，控制电路地线线宽为2mm，12V电源线线宽为1mm，各信号线线宽为0.762mm。图3-15系统总体硬件的PCB控制系统硬件的三维图是通过选择“view”菜单下的“Boardin3D”选项自动生成的（如图3-16所示）。图3-16系统总体硬件的三维图2.控制系统硬件的实物图整个PCB图绘制好之后要将整个图进行转印，将打印好的图趁热转印到铜板上后，要检查好转印情况，并按照实际情况进行必要的补线，然后再进行腐蚀的工作，将铜板上将其余的铜腐蚀，得到所需要的电路图，最后系统总体硬件的实物图如图3-17所示。图3-17系统总体硬件的实物图二、豆浆机控制系统设计（一）软件设计的任务系统硬件部分设计完成后，再实行软件部分的设计，本次软件设计部分的要求是实现豆浆机的整个全自动的加热控制过程，同时实现防溢出和防干烧的功能。豆浆机的工作流程图（1）豆浆机的大致工作过程：预热、打浆、煮浆、防溢延煮、断电报捷。（2）整个豆浆机的工作流程图如图4-1所示。图4-1豆浆机的工作流程图此豆浆机具有四种打浆功能，“慢”程序制作豆浆的时间略有延长，豆浆浓度比“特快有提高。其工作过程如下：加热：在整个豆浆机接上电源后，可以实现对豆浆浓度和煮豆模式的自主选择，可以根据需要选择快煮和慢煮两种模式，能够满足不同人的需求，选择好加热模式后，电热器就开始进行加热，整个加热时间大约为8分钟。打浆：整个加热工作过程完毕后，则进行打浆操作，电机随机开始运转，快慢两种模式的打浆时间也不同，全豆营养模式的打浆时间相对于快捷模式更长。煮浆：将大豆打成需要的浆后，则开始煮浆模式。（二）各功能模块程序设计由于整个全自动豆浆机所需要实现的功能很多，同时内部还有很多循环和判断的环节，所以整个程序的设置工作也比较繁琐，整个软件部分采用模块化的设计可以减小在程序编程上的难度和错误概率，根据整个系统的不同功能，划分相应的模块，然后对每个模块分别进行子程序的编写，最后再和主程序进行整合形成整个控制程序。模块根据整个豆浆机的工作流程图上显示的功能区域进行划分，主要分了六大功能模块。（三）LED模块程序设计这个程序很简单，就是把单片机PC0引脚设置为输出口，让其输出低电平即可。流程图如图4-3所示：图4-3LED模块程序流程图（四）水位检测模块程序设计防干烧电极连接到MCU模块的PD3引脚，所以设置相应的程序读取PD3引脚的电平状态就可以实现对豆浆机内水位的判断，引脚高电平则表示豆浆机的水位没有达到要求。整个水位检测模块程序流程图如图4-4所示。4-4水位检测模块程序流程图（五）预热模块程序设计整个预热模块程序流程图如图4-5所示。防干烧电极充电温度传感器对豆浆机内的水温进行实行的检测，当水温达到80度以后，PD3引脚就会输出高电平，这样整个豆浆机就会停止加热；反之则继续加热直到达到80度才停止。其中PB3负责信号输出而PD3负责输入。图4-5预热模块程序流程图（六）打浆模块程序设计系统的打浆模块程序流程图如图4-6所示。PB1引脚负责对打浆信号的输出工作，控制电机对的转动，而PD3引脚则负责接收传感器的打浆信号。单片机中还接入了定时器来实现间歇性打浆的功能，根据用户选择的打浆功能，来实现各功能相对应的打浆工作，同时防溢出电极也会在整个打浆过程中对豆浆的溢出状态进行实时监测以防止豆浆溢出，即单片机的外部中断功能。在进行打浆的过程中定时器同时实现计时工作，当达到规定的打浆时间则自动停止，间隔规定秒数后进入下一轮打浆循环，当打浆的次数达到所选功能对应的打浆次数后，则结束整个打浆工作。同时PD3口实现外部中断的功能，在打浆的过程中如果防溢出电极检测到豆浆溢出时，则PD3口转换为低电平，实现中断功能，停止打浆工作。图4-6打浆模块程序流程图（七）煮浆和防溢延煮模块程序设计整个煮浆和防溢延煮模块程序流程图如图4-7所示。PB2控制电热器对豆浆的加热工作，PD3用于检测豆浆的溢出信号。在加热豆浆的过程中要对加热时间进行定时，循环规定的加热次数，同时当温度过高时，外部中断可以实现豆浆的防溢出功能。图4-7煮浆和防溢延煮模块程序流程图对于整个软件的调试工作，我们按照软件设计的分模块化的模式对整个系统进行模块化的调试工作，先对各个模块的子程序进行单独的调试，各个模块调试完成后再实行整个系统的调试工作。调试过程中用的软件有AVRStudio和Proteus7.1，AVRStudio是AVR单片机编译环境，Proteus7.1是单片机硬件仿真软件。五、豆浆机控制系统调节结果（一）LED模块程序调试图5-1LED模块程序调试过程调试结果：上电后，LED一直点亮。仿真效果如图5-2所示：图5-2LED模块程序调试结果（二）水位检测模块程序调试调试过程如图5-3所示：图5-3水位检测模块程序调试过程调试结果：PD3口默认输出高电平，电热器不工作，未按下按钮时水位检测模块程序调试结果如图5-4所示。按下按钮时电热器就开始加