【基于单片机的智能豆浆机结构设计6900字】

基于单片机的智能豆浆机结构设计1绪论1.1智能豆浆机系统研究目的与意义随着国人对绿色健康生活的不断追求，豆浆机也逐渐走进了每一个家庭的厨房，慢慢成为了家庭必用品。一般使用黄豆为基本原材料，并经过豆浆机中的加热、打浆、延煮等相关操作后便可喝到鲜香美味的豆浆。豆浆里不但有超多的植物蛋白、还有维生素B1、B2以及丰富的铁离子元素，其钙元素含量甚至超过了牛奶[1]。因此无论什么年龄的人，豆浆对其身体的帮助都特别的大。豆浆也凭着自身高营养以及美味的口感得到了广大人民群众的喜爱，成为了早餐必点的国民饮品。当前人们对饮食健康高度关注，越来越多的人们选择在家自己做豆浆，不仅制作方便，而且喝的放心。伴随着科技水平的不断提升，豆浆机也是跟随时代在进行各种升级，功能更全面，款式更新颖。并且在容器材料使用上也选用了食品级不锈钢，不仅更容易清洗，并且造型也更为高端。电极外围包裹材料使用的是隔音性能极佳的吸附性材料，进一步降低噪音带来的干扰。并且功耗更低，制作豆浆速度更快，制作出的豆浆口感也更为细腻，能够满足不同使用者的各种需求。本文则是基于PLC对智能豆浆机的控制系统展开设计研究，用自动控制的方法制作热豆浆，设置好程序之后不再需要手动干预就能做到自动一体化加热、打豆浆、出豆浆以及提醒等全部流程。人们在点击一下开始按键之后就可以去做自己的事情不用再去管它，一段时间过后热豆浆就已经自己制作完成并进入事先放好的杯中，并且可以直接饮用，省心省力。在万物互联时代，智能豆浆机不仅拥有极好的经济与社会效益，还能不断提升智能系统的控制水平。因此在不久后的市场拥有极佳的发展前景和前途。1.2豆浆机发展简述豆浆作为我们日常生活里丰富的早餐必选之一，其营养价值不可小觑，追溯其起源，必然得提及中国西汉时代。现如今随着经济和技术的变革和发展，豆浆的制作也极其简单易行，通常它只需要一台豆浆机就能轻易实现。豆浆机共有4个发展进程，每一进程均能显示出当时社会的进步性和时代需求的转变。首先是石磨豆浆设备，起源于西汉刘安，古代所有的生活与工作技能都是建立在手工和人力、畜力的基础上，制作豆浆的方法和过程也不例外。将湿黄豆放入石磨器中间的入口中，利用上下两个磨盘的齿轮作用的同时再借助人力或者畜力进行顺（逆）时针运动，将所得进行烹制形成豆浆。其实截至现在，偏远乡村地区，依旧可以看到这种原始的石磨工具和原始的操作方法。其次，是利用电力的砂轮磨浆机，如图1-1。这种类型的豆浆机其实市面上还在生产和销售，依旧存在小部分的市场占有率。只不过使用这种材质的磨盘消耗较大，易坏的同时且使豆浆浑浊[2]。由于人类在前进的历程中越来越注重食品卫生，因此，可想而知，它逐渐被人们所抛弃。但是这种类型的豆浆机的优点在于电的引入，将电力替代传统的人力或畜力，也属于豆浆机发展历程中的重要里程碑。图1-1砂轮磨浆机图1-2不锈钢胶体磨接着便是利用不锈钢胶体磨，进行生产豆浆的方式，如图1-2。最明显的优点就是解决了电力的砂轮磨浆机致命的问题——干净卫生，只不过它也有不足之处，机器投入成本较大，且损坏之后维修较困难。所以此类型豆浆机使用较少[3]。最后就是现在绝大多数家庭或商店使用的精磨器豆浆机，如图1-3所示。此类豆浆机功能强大，可以自主选择各种口味进行打磨豆浆，保证绝对干净卫生的前提下，用户只需操作两个按钮就可以全自动打出豆浆。并且还可以进行预约操作。图1-3精磨器豆浆机1.3本文主要内容本课题设计是通过控制PLC对智能豆浆机控制系统设计，旨在完成自动进水进料、加热、打豆浆、浆煮、出豆浆以及提醒等制作豆浆的全部流程。第一章对智能豆浆机控制系统的研究目的与意义以及豆浆机的发展历程进行概括。第二章对智能豆浆机控制系统的要求进行分析，根据豆浆机的功能来制定基于PLC的控制系统的设计思路。最后绘制出系统的控制流程图。第三章进行了智能豆浆机的硬件设计，包括PLC选型、温度传感器以及液位传感器的选型。第四章对控制系统的软件展开设计。根据智能豆浆机的工作要求，通过外部接线图和控制系统流程图设计出满足条件的系统程序，其中包括系统的I/O地址、系统程序流程图以及梯形图程序；然后通过液位，温度传感器的输出量控制豆浆机的运行与停止。第五章利用仿真软件进行了系统的仿真调试；对调试中发现的问题进行修改和完善，直到达到产品的使用要求。第六章对全文进行了总结，并展望了未来智能豆浆机的发展趋势。2智能豆浆机系统总体设计方案传统豆浆机的工作原理是在容器内加入适当的水与黄豆，接通电源点击“制浆”按键，电热管进行工作。一段时间后水温达到预设温度则开始到预打浆过程，电机开始旋转，随后继续加热。当制作豆浆产生的泡沫碰到防溢电极后进入打浆/加热双重工作过程，此过程在一直打浆与加热，将黄豆打至熔融。豆浆沸腾之后则开始熬煮，发热管不断的间断加热，将豆浆完全煮熟，直至乳化[4]。本文设计的智能豆浆机系统主要是用来调控豆浆机。通过编程好的程序以及相应的硬件系统可以实现豆浆机的自主打开以及关闭，用于达到自动进料、打豆浆、加热、出豆浆等一体的目的。2.1控制系统的要求分析通过每个人的不同生活方式，智能豆浆机控制系统应具备如下功能：功能需求智能豆浆机控制系统需要具备性能可靠、功能丰富等优势，而且扩展简便、易于连接，可以实时符合I/O端口多样化调控、选择种类丰富以及同步信号连接相关功能。系统需要可以随时收集信号，并在信号传输时不易受外界因素干扰，保持较好的稳定性[5]。实时性需求在打豆浆时，容器内豆浆的温度以及液面的高度的需要拥有一定的实时性是极为关键的，控制系统需要将豆浆机内的相关参数迅速精确的通过传感器传输到PLC内进行分析，随后系统根据采集到的相关数据发出对应的指令：打豆浆、加热以及关闭等操作。总的来说，系统需要在一定的时间范围根据采集的数据做出相应反应，而且系统响应时间需要尽量的短。系统总体框图如图2-1。图2-1控制系统总体框图2.2系统总体方案设计根据控制系统需要具备性能可靠、功能丰富等优势，而且扩展简便、易于连接等特点，提出设计方案如下；本文对智能豆浆机控制系统进行研究，其控制系统示意图如图2-2，图中三个液位传感器（从上到下依次为SL1、SL2、SL3）在液体淹没时接通，且温度传感器因在容器底部并未标出。通过使用PLC对豆浆机控制系统进行调控，并且对豆浆机控制整体结构、功能、系统硬件组成以及控制软件展开分析，设计霓虹灯控制系统其各个构成模块与具体的硬件模块，并且对调控的具体方式展开设计以及程序展开了编写。实现PLC对智能豆浆机系统的具体调控。大致的流程如下；设计出本文的控制系统框图以及硬件连接图；对豆浆机以及PLC等硬件模块进行选型；具体控制程序的编程；进行仿真调试检验编程结果。图2-2豆浆机控制系统示意图通过上述分析可以对豆浆机的具体工作方案进行如下设计。在豆浆机准备工作之前，豆浆机会进行一次自我清洗。此时豆浆机内会有大量水没有排出，所以程序首先通关阀门C排空豆浆机内部所有的水，排空水的时间为8秒钟。然后阀C关闭阀A打开，并且通过阀门A开始进水，当液位达到中液位（SL2）时，开始通过阀门B进料（黄豆）一直到液位达到上液位（SL1），（此时阀A阀B都在工作中豆浆的浓度就要通过添加黄豆的多少来控制了）等液位到达上液位（SL1）时阀A阀B都将关闭。此时加热器开始工作，对豆浆机内部的水进行加热，加热到80度时，搅拌电动机启动进行制作豆浆，并且通过降低加热功率的方式对豆浆进行文火慢煮，此时豆浆温度还保持继续上升的趋势。当温度达到100度时，豆浆制作结束，警报铃响起，并且控制系统自动结束运行。在之作豆浆过程中我们可能会想如何可以控制豆浆机会将黄豆完全打成浆，经过我的多次实验，将黄豆完全打成浆所用的时间大概在6至8分钟所以我采用8分钟计时的方法即从温度到达80度开始，到温度达到100度，所用的时间为8分钟，这样就可以起到完全打烂黄豆的目的了，并且不会多用一分钟的时间。其控制流程图如2-3所示。2.3智能豆浆机控制程序流程图图2-3控制系统流程图3智能豆浆机系统的硬件设计3.1PLC基本介绍和工作原理1969年，美国数字设备公司研制出世界上第一台plc，并在GM公司的汽车自动装配生产上适用成功。1971年，日本引进这项技术并开始生产plc。1973年，德国和法国也开始研制出plc。1977年，我国研制成功第一台plc。目前，全世界生产plc的公司大概有200家，生产300多种产品。但是举足轻重的只有7家，他们是：美国rockwell所属的A-B公司，GE-FANUC公司；德国西门子公司；法国施耐德所属的美国MODICON公司和法国的TE公司；日本的三菱公司和立石公司[6]。PLC使用循环扫描的运行模式，较大的PLC也能提高中断运行模式。循环扫描不仅能够根据一定顺序，还可以根据预设程序规定的高级、低级以及可变顺序开始工作。由于某些程序不用扫描多少次就执行多少次，并且在控制系统解决的I/O点数很多时，利用不一样的控制模块组合方式与分时分批扫描工作的方式，能够有效地减少扫描时间以及控制时效性[7]。使用者在完成程序设计与调试工作后，利用编程器输入到PLC内进行保存，然后把工作环境的输入信号与被驱动的执行设备对应连接到输入与输出端，输出模板。随后利用PLC的控制开关功能将设备进入工作模式，PLC那么就会通过循环扫描的运行模式开始运行。在输入数据信号与使用者程序的操纵中，生成一一对应的输出信号，进而达到预设的控制目标。3.2PLC选型PLC使用一种能够编程的存储器，用作内部保存程序，进行逻辑计算、顺序的调控、时间的选取等一系列面对使用者命令的操作，再利用数字或者模拟信号进行调控不同种类的设备进行工作[8]。在此设计方案中，使用了1个温度传感器和与3个液位传感器，因为这4个都为模拟量，但PLC仅能对数据量进行分析，所以需要在PLC与传感器二者间添加一个程序模块，用于把模拟量转换为数字量，然后使用PLC对其进后续的操作。PLC计算随后得到数字量通过程序模块变成模拟量以进行操作。为了往后面系统的整体性升级，要预留部分I/O点，用于以后的拓展。因此我们选择的是西门子S7-200PLC为主要控制系统，如图3-1。它的主机型号则是：CPU226。如图3-2。3.2.1西门子S7-200介绍S7-200PLC应用于各行各业的检测，监测以及控制的自动化监测。S7-200PLC强大的功能让其不管在独立运行中，还是在互相连成网络的情况下都能实现复杂的控制功能[9]，因此S7-200有很高的性价比。S7-200的优点表现在这几个方面；图3-1西门子S7-200具有极高的可靠性；有多个指令集；容易掌握；操作方便；实时特性，强大的通讯能力。S7-200PLC可以在集散自动化系统中分挥其强大功能。其使用的范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到更为复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床,磨床,印刷机械,橡胶,化工机械,中央空调,电梯控制运动系统[10]。 3.2.2CPU226介绍图3-2CPU226本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路完全独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸[11]。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的区域块扩展能力，更快速的运行和功能更强的内部集成的功能，可适应于一些比较复杂的中小型控制系统。3.3其他硬件的选择3.3.1温度传感器温度传感器的作用是实时监测豆浆机内豆浆的温度，当温度到达80度时温度传感器就会将当前信号传到PLC中，进而控制搅拌电动机进行制作豆浆并且降低加热功率对豆浆进行文火慢煮。当温度达到100度时也会将信号传到PLC中，豆浆机停止运行，并触发警报铃响起。因此我选用pt100CWF2传感器作为温度传感器如图3-3，pt100CWF2防潮湿、耗散系数大、结构牢固可靠、稳定性高等特点，主要用途在各类空调、冰箱、热水箱、饮水机、恒温箱等方面。图3-3pt100CWF2温度传感器3.3.2液位传感器本文设计使用的是光电式液位传感器。它的导管内装有检测元件，可以把检测到的液面信号转化成液面波动成有关的电阻信号从而进行输出。在豆浆机的搅拌器内装置液位传感器，检测搅拌器内液面高低，同时和预设的上限以及下限液位进行对比，并将检测到的结果以信号的形式发送到PLC内[12]。对液位传感器的要求精确度高、可靠性好并且具有良好的抗腐蚀性和抗老化性。综合上述需求，本设计使用的为LSF-2.5液位传感器。此传感器响应时间短；能快速、精准的检测液位，实现电器缺水保护、防水满溢出功能；液位检测精度高；污垢、液体中的杂物、沉淀物等都不会影响光电式液位传感器的检测精度；可实现非接触式的检测如图3-4；使用分离式光电液位传感器，液体容器与机器是可分离的，可以不用接触液体也能检测液位。水箱可移动，且更加方便清洗。综上所述使用LSF-2.5液位传感器是较好的选择。图3-4液位传感器4控制系统软件设计4.1I/O分配表本课题系统基本的输入包括液位传感器、温度传感器以及手自动控制的开关。输出包括液阀、加热系统、搅拌电动机以及报警功能等。其使用的基本单元端口与地址分配如表4-1。表4-1I/O分配表设备/信号类型信号名称端口地址输入启动按键SB1I0.0停止按钮SB2I0.1上限位传感器I0.2中限位传感器I0.3下限位传感器I0.4温度传感器I0.5输出进液阀A/YV1Q0.0进料阀B/YV2Q0.1出液阀C/YV3Q0.2搅拌电动机MQ0.3加热指示Q0.4液位报警指示Q0.5报警铃Q0.64.2PLC硬件连接图PLC具体的硬件连接图如图4-1所示。图4-14.3控制系统的梯形图程序根据本文整体设计需求，共分为4个模块：整体系统的打开与关闭；自动进液与进料控制；加热与保温控制；自动出液控制。因此使用STEP7-Micro/WINV4.0来进行编写系统程序[13]。在梯形图4-2中，仅当系统开始运行，检测上限水位等相关参数都无异常时，中间继电器M0.0闭合即系统准备运行进行工作。要是点击系统关闭，那么全部的控制系统将结束运行。图4-2系统的打开与关闭控制系统在水进入搅拌容器达到对应的中液位时，阀A马上关闭，与此同时阀B打开，黄豆开始进入搅拌容器，当其达到对应的上液位时，阀B马上关闭，梯形图如图4-3所示。图4-3系统自动入液控制控制系统在容器液位到达上液位时，开始进行加热阶段，梯形图如图4-4。图4-4加热阶段控制系统在容器内豆浆文火慢煮至100度时，搅拌电动机停止工作，此时液阀打开，进入到自动出热豆浆程序，梯形图如图4-6。图4-6系统自动出液控制图4-6系统自动出液控制（续）5系统的仿真调试仿真调试在PLC控制系统的梯形图程序设计中是不可缺少的一部分。在程序的设计过程中难免会有一些错误问题存在，如果不经过调试就去让设备运行，就很有可能让设备出现流程上的问题导致人力和财力上的损失。因此通过系统仿真我们就可以提前知道要发生的错误，从而进行改正。5.1仿真软件的介绍STEP7-Micro/WINV4.0编程软件是专门为西门子公司S7-200系列小型机而设计的编程工具软件[14]，通过此软件可根据控制系统的要求编制控制程序并完成与PLC的实时通信，进行程序的下载与上传及在线监控。下图为STEP7-Micro/WINV4.0的工作界面。图5-1STEP7-Micro/WINV4.0软件使用界面5.2仿真的调试利用STEP7-Micro/WINV4.0创建新的项目，在完成编译工作之后进行储存，随后在文件中找到并且点击导出，储存后缀是awl文件并转换成STL编程语言界面，点开仿真软件，点击“配置”选型，随后选取“CPU型号”选择CPU226，最后点击“Accept”完成CPU的选取。选取“程序（P）”随后点击“装载程序（L）”。紧接着出现的对话框选取加载文件版本，点击确定[14]。将最开始存储的.awl文件的目录选取并且点开点击“PLC”最后进行运行，即仿真开始运行。把上面编译无误的梯形图加载到Simulation1.2版本的仿真软件内，进行仿真，随后即能看到电机的工作、加热工作、报警灯。其正确无误的运行如图5-2所示。图5-2系统正常工作通过这种方法来对