小型机电产品综合设计智能豆浆机大学论文文档格式.docx
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最后，主要设计单片机控制所需的主要程序，经过实验验证程序的正确性后加载到单片机，做成控制板，与整机装配，实现功能的控制。
1.4研究的意义
豆浆机作为现代生活中必要的家电产品，越来越受到广大消费者的喜爱。
近些年来由于机电产品的研究与开发环境的不断升级，各种新型机电产品不断涌现，广大消费者越来越喜爱这种新型的智能产品。
由此，新型的豆浆机更是成为广大消费者喜爱的对象。
由于人们对生活品质的追求，越来越注重生活卫生条件，虽然市场上的豆浆口味纯正，价格公正，但卫生条件总有些不尽人意，家用豆浆机正是解决这问题的关键。
因此，家用豆浆机拥有比较广阔的市场前景。
家用豆浆机的智能化程度就决定了市场占有率。
同样，对于一款设计合理的豆浆机也要要求有较高的工作效率，才能满足人们的需要。
正是因为如此，设计开发一款全自动豆浆机以适合广大群众需要。
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，从而使的企业能够打开豆浆机的消费市场。
总之，本文的最终目的是设计出新产品，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。
2家用智能豆浆机设计方案
2.1豆浆机的工作原理
2.1.1总体结构
豆浆机的基本结构有机头、杯体、电机、打浆刀、防溢电极、防干烧电极等主要部件组成。
机头：
机头是豆浆机的总成，除了杯体以外，豆浆机其余各部分都置于机头上面。
首先，机头分为上下盖两个部分。
机头上盖部分主要装有控制按钮，指示灯，电源插口以及提手，来将机头提起。
而机头下盖部分有内部和外部，内部主要装有电路板，变压器，打浆电机，而外部装有电热器、刀片、防溢电极、温度传感器以及防干烧电极。
杯体：
分为内外两个杯体，首先外面杯体如同一个硕大的茶杯，并有把手以及流口，用塑料或者是不锈钢材料做成。
其次是内部杯体，主要是由不锈钢材料做成，并在杯体上标有“上水位线”和“下水位线”，用来规范对水的添加量。
打浆刀片：
外形酷似船用螺旋桨，采用高硬度的不锈钢材料做成，用于粉碎豆粒。
另外，由于采用无网结构，打浆刀要根据流体力学原理以及无网涡流技术原理进行专门的开发与设计。
我们可以总体上参照图2.1所示的结构方案：
图2.1基本结构
2.1.2制浆流程
豆浆机的制浆主要包括预热、打浆、煮浆、报警等自动化过程，这些都是通过MCU有关脚控制，并采用相应三极管驱动，再由多个继电器组成的继电器组实施电路转换来完成控制。
（1）预热：
当接通电源以后，电加热管开始对杯体内的水及豆子进行加热，同时测温电极开始对水温进行检测，当水温达到一定温度时（一般在70℃～80℃）开始启动打浆程序。
预热的目的主要是为了防止在以后粉碎豆子等物时,避免产生大量的泡沫。
这样在后面烧煮豆浆时就不会因为泡沫过多而造成频繁的溢出的问题,而造成加热频繁的被迫停止,延长豆浆的加工时间。
（2）打浆：
打磨电机带动打磨刀快速旋转，对杯体内的豆子进行快速打磨，打磨启动后，防溢电极也开始工作，防止打浆造成的泡沫溢出来。
在打磨过程中，考虑到打浆电机的发热问题，所以每当打浆电机工作一段时间就要暂停以减少发热量。
（3）烧煮豆浆：
当豆子打浆完成以后，打浆电机停止工作，只有加热管继续工作，并在此过程中测温电极和防溢电极始终处于检测状态，在水温达到一定温度（不超过97℃），或者浆体有溢出时，加热管就会停止工作，直到测温电极达到一定温度（低于93℃）并且防溢电极没有信号时，则再次启动加热程序，如此循环数次，直到程序控制的加热时间到了，熬煮过程就停止。
（4）报警：
豆浆熬煮好以后，豆浆机会自动报警，蜂鸣器发出声响，指示灯亮以提醒消费者豆浆已经做好。
2.2豆浆机的常见问题
市场上现在的豆浆机与上面介绍的基本相似，但通过调查显示，在实际使用过程中，还存在着以下几个缺陷：
（1）清洗机件困难：
传统豆浆机都是采用过滤网，虽然这样加工出的豆浆口感好，但由于网罩的存在，导致许多用户在清理豆浆机残垢时变得相当麻烦。
传统豆浆机因网罩的存在，清洗时存在一些死角，比如在高温情况下把网罩旋下清洗，容易造成机头下盖螺纹老化、网罩脱落，从而导致维修成本的增加。
（2）机头容易进水蒸气：
豆浆机是在一个高湿的环境中工作的，增加了机器故障的几率。
豆浆机杯体在加热的过程中产生大量的高温蒸汽，蒸汽上升使得机头也处于高温的状态。
此时，机头的外部是低温的冷空气。
因此，当机头的内外部进行空气对流的过程中，就会凝聚大量湿气高湿状态不但不利于控制板等电子元器件的工作，变压器、电机一旦进水立即就会损毁。
（3）噪声大：
在豆浆机工作过程中，由于电机的高速旋转而且在打碎豆子过程中，刀片与豆浆将有巨大的摩擦，这也将产生很大噪声。
（4）加热管容易烧糊：
由于在加热的过程中，豆浆容易被烧焦粘结在加热管上，既使得豆浆产生焦糊味，也难于清洗。
2.3豆浆机设计方案
针对目前豆浆机普遍存在的缺陷，如糊管，清洗困难和保温效果不好等缺点，提出了如下一套可行的设计方案。
首先，采用双层杯体设计。
外部杯体采用聚酯材料，内部杯体采用不锈钢材料，并在内部有内壁凸条，底部有凸起，这样增加刀片与豆浆的摩擦。
双层杯体的设计不仅能保温，而且对于传统豆浆机在刚做好豆浆后豆浆一般在90℃左右，如果直接接触杯体容易烫伤，这就解决了这个问题，更加人性化。
其次，采用最新的无网涡流技术，并结合X形专门刀片，通过打浆刀片的高速旋转，在刀片和内壁凸条以及底部凸起的合力下，形成了自下而上的动力涡流，豆子在狭小的空间内被漩涡卷起，与刀片形成了千万次的研磨与切割，并实现豆料的彻底粉碎。
由于没有了网罩的束缚，清洗豆浆机就变得轻松，简单地冲洗就能把豆浆机清理干净，不用再担心卫生死角和豆渣残留等问题。
再次，采用当前市场上主流51单片机实现控制，并用汇编语言实现编程，这样使得豆浆机控制更加稳定，程序设计更加方便。
最后总体控制方案如图2.1所示：
图2.1控制方案
3家用智能豆浆机的机械设计
3.1杯体的设计
市场上常用豆浆机都是单层杯体，这样当豆浆做好以后，直接暴露于空气中，所以热量很容易散失，保温效果不好。
另外，由于消费者在使用时，如果直接接触豆浆机杯体很容易被烫伤。
故而采用双层杯体设计，这样就能有效的避免以上后果。
采用双层杯体结构，从而能够有效的避免热量流失，提高热效率，而且双层杯体的设计还能降低豆浆机的噪声，是设计更加人性化。
3.1.1内部杯体
（1）材料：
市场上比较流行的材料有聚酯材料和不锈钢材料，但作为内部杯体，直接与做好的豆浆接触，而且，豆浆需要高温加热，而聚酯材料使用时间长了就容易发生变色，清洗也麻烦。
而不锈钢具有耐腐蚀，耐摩擦，耐湿、热的金属材料，具有以下特点：
首先，抗腐蚀性强。
不锈钢容器具有优良的抗蚀性能，能够保证杯体经久耐用。
其次，抗冲击强度大。
众所周知，不锈钢材料的杯体能够抵抗较强的冲击，比一般的聚酯材料更耐用。
再次，合适的力学性能。
最后，良好的工艺性能，如冷塑性加工型、可加工性、焊接性等。
综合考虑豆浆机的各种特点及性能，最终确定内部杯体的材料为不锈钢304。
（2）尺寸确定：
首先可以假定一般三口家庭，选择确定需要的内部杯体的尺寸。
一般人平均每次饮用大约600ml的豆浆，则所设计的豆浆机需要至少1800ml左右的容量。
根据公式：
得：
我们可以根据以前常用豆浆机的尺寸，选择内部杯体半径为74mm，则实际的液面高度应该为：
根据液面实际高度应该处在杯体
~
左右，所以可以初步选择内部杯体高度为210mm左右，但考虑到机头的下盖装有电机以及固定打浆刀轴，这都需要一定的预留尺寸，我们可以确定将杯体高度定位270mm。
所以，我们最终确定内部杯体的半径为74mm，高度为260mm，同时壁厚可以选择为2mm。
3.1.2外部杯体
（1）设计思路：
外部杯体是豆浆机的整体效果的表现，在设计是既要符合人性化的标准，又要其外表美观实用的设计思路。
而且，把手的设计要考虑到人体工学的理论，这样做出的产品才能得到消费者的认可，获得较强的市场竞争力。
（2）选材：
根据市场上常用豆浆机的杯体，结合自己设计的豆浆机的特点及方案，可以选择外部杯体的材料为高强度的聚酯材料，这样既能保证与内部杯体的配合，又可以减轻豆浆机重量，做到外观时尚，更加符合消费者的消费心理。
另外，选择聚酯材料比不锈钢材料价格便宜，这样就能降低豆浆机的总体造价。
（3）设计尺寸：
根据内部杯体的设计尺寸，考虑到聚酯材料的强度比不锈钢杯体强度低，因此可以加厚外部杯体的壁厚，可以将尺寸定为4mm。
这样，就能确定豆浆外部杯体的半径尺寸，由于内部杯体半径为74mm，壁厚为2mm，而外部杯体壁厚为4mm，所以外部杯体的外半径为80mm。
根据外部杯体与机头以及内部杯体之间的相互配合关系，可以将杯体高度定为270mm。
这样就能将机头的凸台与外部杯体间配合尺寸确定。
最终结构如图3.1所示：
图3.1杯体结构图
3.2机头的设计
机头分为上下盖两部分，上下盖可以采用螺纹连接。
其中上盖部分主要在上面安装控制按钮，指示灯，电源插口以及提手，而下盖部分主要安装电路板，电机等。
总之机头是豆浆机的关键控制部件，对于豆浆机的性能影响比较大。
3.2.1机头上盖设计
（1）尺寸的确定：
首先，为了方便豆浆机提起机头，机头上盖与外部杯体之间的配合可以采用间隙配合，同时为了保证配合的密封性，在上盖上有凸台，而凸台的底部与内部杯体刚好接触。
这样，上盖的外部直径可一定为168mm，与外部杯体的外径保持一致。
而凸台的直径与外部杯体的内径一致，也取160mm，而凸台的高度可以定为10mm以保证与外部杯体的密封。
其次，壁厚与外部杯体的壁厚相同，取为4mm。
再次，对于上部提手的设计尺寸，在保证符合人体工学理论的同时，还应该考虑造型美观的原则，综合市场上的的常用豆浆机，将提手做成半圆形的而且与上盖一体的。
提手的半径可以结合总体美观效果选取为100mm。
因为上盖是豆浆机的外观的重要体现，所以可以选择聚酯材料，这样就能选择不同的颜色，满足客户的需要。
（3）加工工艺：
首先整体结构采用铸造成型，由于在铸造时考虑到拔模的问题，如果设计整体全部采用铸造，参照图3.1所示，难以直接铸造成型，可以将上部及提手先铸造成型后，在单独铸造凸台，然后再将这两部分熔焊在一起，做成如图3.1所示的结构。
而对于螺纹孔，考虑到聚酯材料的加工强度不够，所以很难在这种材料上直接加工螺纹孔，我们可以在铸造时将M4的螺母镶嵌到铸件中，这样就能直接保证螺纹孔的尺寸。
图3.1机头上盖结构图
3.2.2机头下盖设计
下盖是豆浆机中关键零部件—电动马达的安装的位置，而且，下盖上面还要安装加热管，防溢电极，防干烧电极以及温度传感器等重要部件，所以，下盖的设计要综合考虑各个零部件的安装位置，以保证设计的合理性。
（1）结构设计：
首先下盖是与上盖相连的，两者采用螺纹连接。
另外，为了保证较长的电机轴旋转的稳定性，防止发生摇摆，需要将下盖设计成有凸台的形式。
（2）材料：
可以选择聚酯材料和不锈钢材料。
但是考虑到上盖的材料是聚酯材料，而且与上盖的连接为螺纹连接，为了保证连接的密封性，防止水蒸气渗入到上盖中，所以可以选择聚酯材料。
直接铸造成型。
与上盖的连接采用螺纹连接，加垫片以保证连接处的密封性，防止水蒸气上升至上盖内腔中，引起电路板及电机故障。
3.3打浆刀的设计
目前，豆浆机分为有网和无网两大类产品。
有网豆浆机可以把豆子粉碎的更加彻底，制作出的豆浆口感更好，但是机件的清洗问题一直困扰着消费者，所以受欢迎程度不是很高。
而无网豆浆机突破了豆浆机长期存在的泡豆与清洗过于繁琐的局限，彻底摆脱了网罩的束缚，解决了清洗的难题。
通过调查目前市场上的主要无网豆浆机产品，其主要粉碎技术有：
空间三层超微粉碎技术，拉法尔技术，五谷精磨器技术，小空间精磨技术，无网动力涡流技术，聚流环技术等比较成熟的技术手段。
综合目前的技术手段，本设计根据无网动力涡流技术的原理来设计专用打浆刀。
（1）电机的选择：
由于豆浆机在打浆时刀具受力较小，而现在市场上的专用的豆浆机打浆电机种类已经非常之多，因此，经过市场调查选择XC5440型单相串激式电机，该电机额定电压为AC220V-240V；
电机功率为140W-160W；
空载转速为22500r/min-25000r/min。
（2）结构设计：
现在市场上的豆浆机打浆刀一般为S型或一字型，我们根据流体力学的原理对豆浆机打浆刀进行改进，由于在刀片带动下豆浆需在内部杯体的摩擦碰撞下穿过刀片，使得刀片横向切削豆子，这样考虑豆子的上下循环运动，需要在内部杯体下面做一个突起，使得豆子的循环更加流畅，切削更加充分。
因此，结合豆子的运动形式，我们可以把打浆刀设计成X型强力刀片，增加切削次数，使得豆子打磨的更加精细。
有翼根和刀翼，与翼根连为一体的刀翼呈十字型分布，其中一对对称刀翼相对翼根平面向上弯折，另一对对称刀翼相对翼根平面向下弯折，翼根中心设置有轴孔，高速旋转时粉碎空间为一圆柱体，呈立体粉碎方式，扩大了搅拌范围，增大了刀具对豆料的粉碎几率，使粉碎均匀、流畅，改善粉碎效果，可获得更高的出浆率。
（3）各个参数设计：
首先，刀片厚度可以根据常用刀片的尺寸参考设计为4mm，我们可以将其中一对刀片分别折弯+5度和+12度，另一对刀片折弯-16度。
这样在豆浆机工作时，带电机带动刀片高速旋转，刀片就会在+5度，+12度和-16度三个层面进行立体打磨，豆子将在刀片的高速旋转下穿过刀片，而结合内部杯体底部凸起和内壁凸条，豆子受到较大的摩擦，使的最终打磨更彻底，更精细。
（4）流速的计算：
我们可以将打浆刀与豆子之间的切削运动和蜗轮蜗杆传动作类比，因为头数为1的蜗杆的运动形式和豆子穿过打浆刀时的运动情况类似，这样，打浆刀的刀片与水平面之间的夹角相当于蜗杆的导程角。
根据蜗轮蜗杆的传动原理，当选择电机转速为25000r/min时，如果刀片的长度定为20mm，则打浆刀对豆子的推力可以计算出来。
刀片的直径可以看做是蜗杆的直径，而刀片相对于水平面的角度可以看成是蜗杆的导程角，取为12度。
根据公式
，则刀片旋转一周相当于经过
的距离，则再由
得知刀片旋转一周可以将豆浆向上推动的距离
，由于刀片转速为25000r/min，则刀片旋转一周所用的时间可以根据公式
计算得：
，所以通过
得到豆浆通过刀片时的流速
。
（5）打浆刀结构图：
最终的打浆刀如图3.2所示：
图3.2打浆刀结构图
3.4其他零部件的选择
豆浆机的完整结构除了上述关键零件外，还有加热管，防溢电极，放干烧电极，温度传感器等一些常用零部件。
（1）加热管：
根据市场上热销的豆浆机的常用的加热管，可以选择加热管材料为不锈钢材料，折成半圆形管筒，加热功率定为1000W的U型加热管，可与热点器厂家直接定做。
（2）防溢电极：
防溢电极主要是用于检测豆浆沸腾，防止豆浆益出。
设计它的外径5mm，有效长度15mm，处在杯体上方。
（3）放干烧电极：
防干烧电极采用不锈钢材料，外壳外径6mm，有效长度89mm，长度比防溢电极长很多，插入杯体底部。
一般的当杯体水位正常时，防干烧电极下端是应当被浸泡在水中。
而当杯体中水位偏低或无水，或机头被提起，并使防干烧电极下端离开水面时，微控制器通过防干烧电极检测到这种状态后，为保安全，将禁止豆浆机工作。
（4）温度检测装置：
温度传感器用于检测预热时杯体内的水温，当水温达到系统设定温度时，启动电机开始打浆。
我们采用DS18B20这种集成式温度传感器，这个传感器通过电流输出的数值表示温度。
4控制部分设计
4.1单片机简介
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器、计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
其整体机构如图4.1所示：
图4.1STC89C52单片机
4.1.1主要性能参数
（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容。
（2）4K字节可重擦写Flash闪速存储器。
（3）1000次擦写周期。
（4）全静态操作：
0Hz——24MHz。
（5）三级加密程序存储器。
（6）128×
8字节内部RAM。
（7）32个可编程I/O口线。
（8）2个16位定时器/计数器。
（9）6个中断源。
（10）可编程串行UART通道。
（11）低功耗空闲和掉线模式。
4.1.2主要管脚介绍
RST为复位信号。
XTAL1和XTAL2为外接晶振引脚：
当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；
当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
VCC：
电源+5V输入。
GND：
接地。
P0：
不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
P1：
只做I/O口使用:
，其内部有上拉电阻。
P2：
扩展外部存储器时，当作地址总线使用；
做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。
P3：
除了能作为I/O使用外，还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。
4.1.3选择优点
控制系统以STC89C52单片机为核心，以单片机作为控制系统的核心具有的优点有：
电路简单、系统稳定；
单片机功耗低，而且价格便宜，节约成本。
4.2稳压电源的设计
由于直接从电网得到的电压是很难保证稳定的，如果将不稳定电压直接接到豆浆机中，可能会将电器元件烧毁或者引起误动作，同时还会加速元件老化，影响使用寿命。
首先220v交流电源经过变压器降压，得到+12V交流电，然后再经过四个二极管组成的桥式整流电路整流，得到+12V直流电供给2个继电器。
再次，+12V直流电再流经三端稳压器AMS1119后，输出的+5V电压给单片机等其他芯片供电。
这样就解决了单片机和继电器的供电问题。
最终电源电路图如图4.2所示：
图4.2稳压电源电路
4.3加热管和电机工作电路设计
为了保证加热功率和电机电机正常运转，加热管和电机是在220v电压下工作的，而加热管和电机是通过继电器来控制的，所以就要直接从电源电路前面将电机和加热管接入电路。
另外，为了避免因为加热管和电机过热而影响工作正常，我们在接入前需要设计安装熔断器F1。
当继电器K1闭合时，加热管就被接入到电路，开始工作。
当继电器K2闭合后，打浆电机就通电开始工作。
为了保证电机停止时，由于电机惯性做切割磁感线运动产生一定的电流，我们设计了电机的电流吸收回路，所以在电机的两端上设有一个电阻与一个电容构成的回路。
我们在电机的设计中常会有这样的情况，这是因为电机也是感性的元件，也会在开关的瞬间产生电压和电流的波动。
而安装了这个吸收的回路就可以抑制这些波动，保护电机与周围电路。
电阻可以选择为47K的，而电容大小定为104μ。
最后得到如图4.3所示电路图：
图4.3加热及电机控制电路
4.4防溢出、防干烧及温度检测电路设计
为了确保豆浆机工作时打好的豆浆溢出而将豆浆机内部的电器元件损坏，我们设计了防溢出的电路。
有防溢出电极负责检测豆浆机内部的水位，一旦在打浆过程中有水打湿防溢电极，这时电极会发出高电位信号，直接将原来处于低电位的P1.1拉成高电位，就有信号输入到单片机，通过单片机控制从而停止打浆。
而缺水检测的原理和防溢出的原理是相同的，所以我们设计出如图4.4所示的防溢出、防干烧电路图：
图4.4防溢出、防干烧电路
对于温度检测电路，我们同样是利用传感器的原理，在豆浆机内部有测温电极。
当对豆浆加热到设定温度时，测温电极就能检测到温度的变化。
C10和C11主要是滤波的作用，R14是为了限制I/O的电流，起保护作用，R15起分压的作用。
电路图如图4.5所示：
图4.5温度检测电路
4.5单片机控制电路设计
单片机我们选用的STC89C52，首先保证单片机正常工作需要晶振电路以及复位电路，我们常用的晶振频率为12MHZ，所以可以先确定晶振电路与复位电路所需电阻、电容的大小，同时参考单片机常用晶振及复位电路做出这里两个基本电路。
另外，我们还设计了按键电路，报警电路，以及二极管指示电路，以满足豆浆机的工作需要。
STC89C52单片机的AD6管脚输出报警信号，经V5放大驱动
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