基于单片机的全自动热饮机控制器设计.docx
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基于单片机的全自动热饮机控制器设计
1引言
1．1课题背景
以前在饮水方面，泡茶，在开水冲糖或其他添加剂等，都是比较传统的手动的。
这种方法当然没有现在热饮机方便，高效。
在如今的二十一世纪，人们更注重健康与环保，追求舒适、方便与节能。
但是早期的饮水机，热饮机功能不够完善，对温度及水位等变量的控制不够精确，需要人工操作，不能满足人类对快速，方便的要求。
单片机自问世以来，性能不断提高和完善、其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、性能可靠、价格低廉等特点[1]。
因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。
随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一。
由于单片机适用与机，电，仪一体化的智能产品，它具有精度高，低功耗，控制功能强，小巧等优点。
把它用到仪器仪表上，可使产品的体积缩小，功能增强，实现不同程度的智能化。
因而受到人们高度重视，并取得了一系列科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，更有广阔的发展前景[2]。
随着中国家电制造业的蓬勃发展，全球家电制造基地向中国转移的趋势愈加明显。
作为家电家族中重要成员的全自动热饮机产品却不为多数消费者所熟知，但其在欧美等发达国家家庭中却相当普及。
随着国内人们生活水平的提高和欧美文化及其消费观念对国人影响的深入，越来越多的国内消费者喜欢上了这种实用方便的产品，所以全自动热饮机产业的发展前景将会很广阔。
但是国内生产的全自动热饮机，其温度控制精度不够，且操作较为不便，需要手工辅助进行间歇式工作。
国外的产品的自动水平很高，但是进口的价格偏高，对于大多数国内用户而言，难以承受。
因此，设计开发一种功能齐全而价格相对较低廉的自动热饮机控制系统很是必要[3]。
1．2国内外全自动热饮机的发展形势
水是生命之源，是人体不可缺少的物质，它的重要性仅次于空气。
水的功能主要是构成全身组织，调节体温，促进机体各系统新陈代谢的化学反应，充做各种物质的吸收、运输及排泄的携带体，协助维持体内一切体液的正常渗透压。
随着科技的发展，人类文明的进步，方便、快捷、健康已经成为了人们追求的方向，这在饮用水上也颇有体现。
1902年美国人威利斯·开利设计了第一个饮水机系统，这就是我们现在称之为的饮水机。
1906年他以"空气处理装置"为名申请了美国专利。
开利的发明缘于一个印刷作坊，印刷机由于空气温度与湿度的变化使得纸张伸缩不定，油彩对位不准，印出来的东西模模糊糊。
为此开利打开了饮水机机商业化之门。
自那以后的20年间，开利的饮水机逐渐被用来调节生产过程中的温度与湿度。
并进入诸多行业，如化工业、制药业、食品及军火业。
但是可惜的是，饮水机发明后的20年间，享受的对象一直是机器，而不是人。
1922年开利工程公司研制成功在饮水机史上具有里程碑地位的产品--离心式饮水机机，简称离心机。
离心机最大的特点是效率高，这为大空间调节空气打开了大门。
从此，人成为饮水机服务的对象。
然而饮水机真正得到普及，实际上是通过影剧院。
1925年的一天，开利与纽约里瓦利大剧院联手打出了保证顾客"情感与感官双重享受"的口号。
那一天，里瓦利剧院外人山人海，只不过几乎人人都带着把纸扇以防万一。
然而跨入剧院大门一刹那的清凉彻底征服了观众。
饮水机自此进入了迅猛发展的阶段。
家用饮水机的研制始于20世纪20年代中期。
1928年开利公司推出了第一代家用饮水机。
但因经济大萧条和二次大战，50年代后经济起飞，家用饮水机才开始真正走入千家万户[4]。
中国的第一台饮水机是1992年安吉尔生产的，饮水机加桶装水的方便、快捷、健康的饮水方式便在中国兴起，到了1999年，市场逐渐成熟[5]。
随着科技的发展，人们生活水平的提高，在饮水机的基础上，逐渐发明了豆浆机，冷饮机以及热饮机等饮水系统方面的智能仪器[6]。
冷热饮机又叫果汁机,可用于制作各类型的冷饮料和热饮料。
在炎炎的夏日，可以使用该机制作冰冻牛奶、冰冻啤酒、果汁露、酸梅汤、豆浆、汽水、咖啡等各种清凉饮料。
在寒冷的冬天,可以使用该机制作热牛奶、热果汁、豆浆等热饮料。
广泛适用于酒店、咖啡厅、企事业单位及个体冷热饮店使用。
但是，先如今人们使用的饮水机、冷饮机、热饮机存在很多局限性。
他体现在：
一，功能相对简单，只有简单的温度控制且温控精度低；二，能耗大；三，智能化水平不高，需要人工操作[7]。
本次设计的全自动热饮机则以单片机为基础，运用传感器，实现对温度更为精确的控制，并且提高智能化水平，更方便、快捷，更人性化、智能化，更能满足人们对健康、文明、时尚生活的追求。
2总体设计
2．1设计要求
本课题设计的全自动热饮机控制器具有以下功能：
1.全自动热饮机里的水量控制在中水位到高水位之间，当低于中水位的时候加水，当处于低水位和高水位的时候均报警。
2.用户可以设定热饮机的水温，热饮机实现即时加热。
3.用户可以选择不同的饮品：
白开水，奶茶，泡沫咖啡，特烘咖啡。
2．2系统结构
本系统的控制采用单片机芯片AT89C52作为控制核心，主要包括电源部分、功能设置及控制电路、热饮机状态显示及输出控制电路。
主要组成部件有：
单片机、指示灯、数码管、电动机、电磁阀以及按键等。
系统控制框图如图2.1所示。
AT89C52单片机通过采集到水位检测电路的信号，控制后面的开关量输出，从而控制热饮机内的水位处于低水位到高水位之间，高于高水位则停止加水，低于低水位则会驱动报警电路并加水；单片机通过采集按键输入模块的信号，控制热饮机的温度为用户的设定值，需要加热的时候驱动后面的加热电路。
当用户选定饮品的时候，单片机控制后面的开关量输出，输出用户选定的饮品。
图2.1系统控制框图
3硬件设计
3．1芯片及元器件介绍
3.1.1单片机AT89C52
单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer）简称单片机。
它是一种在一块芯片上集成了中央处理器（CPU），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），定时/计数器及I/O接口电路等部件，构成一个完整的微型计算机。
它的特点是：
高性能高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛[8]。
本次设计，采用的单片机是AT89C52。
其管脚图如图3.1所示。
图3.1单片机AT89C52引脚图
管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口作为AT89C51的一些特殊功能口。
管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次
有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的
信号将不出现。
/VPP：
当
保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，
将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.1.2温度传感器DS18B20
（1）DS18B20功能特点
DS18B20功能特点简介如下：
●3.0～5.5V单电源供电；
●微型化、低功耗、抗干扰能力强、易与微处理器接口；
●温度测量范围为-55～+125℃,测温分辨率可达0.5℃；
●3个引脚TO-92小体积封装或8引脚μSOP封装；
●可编程为9～12位A/D转换精度；
●只需一根端口线就能与微处理器通讯；
●每只DS18B20有惟一的序列号并可存入其ROM中，便于实现多芯片多点测量；
●在使用中不需要任何外围元件；
●用户可自设定非易失性的报警上下限值。
（2）DS18B20引脚功能
DS18B20引脚分布如图3.2所示。
图3.2DS18B20引脚分布
（3）DS18B20温度测量原理
DS18B20内部由64位闪速ROM、触发器TH和TL、高速暂存存储器、配置寄存器和8位CRC发生器等组成。
DS18B20的温度测量电路如图3.3所示。
图3.3DS18B20的温度测量电路
低温度系数振荡器用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数振荡器频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55度所对用的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55度所对应的一个基数值，减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测量度。
这就是DS18B20的测量原理[9]。
（4）DS18B20的内部结构
a.64位闪速ROM的结构如下：
8位检验CRC48位序列号8位工厂代码开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
b.非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。
c.高速暂存存储器：
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PROM。
后者用于存储TH，TL值，数据先写入RAM，经校验后再传给E2PROM。
而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。
DS18B20内部主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户写入报警上下限的报警触发器TH和TL，以及8位循环冗余校验码（CRC）发生器等7部分。
图3.4对DS18B20的内部结构进行了描述，它由4大部分构成，它们分别是寄生电源电路模块，存储器与控制器逻辑模块以及便笺存储器模块。
图3.4DS18B20的内部结构
3.1.3数码管
本控制器的设定温度值和原有温度值都是选用LED数码管进行显示，该器件具有成本低廉、配置灵活、与单片机接口方便等特点。
LED数码管有8个发光二极管，故也称做8段显示器。
其中7个发光二极管构成7笔字形“8”；一个发光二极管构成小数点的“.”。
LED数码管通常可以分为共阴极和共阳极两种，共阴极数码管显示块的发光二极管阴极接地，当每个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点。
共阳极数码管显示块的发光二极管阳极并接，当每个发光二极管阴极为低电平时，发光二极管点亮，如图3.5所示。
本次设计所选用的为共阳极数码管。
图3.5LED数码管引脚图
LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。
在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。
由于常规的数码管起辉电流只有1～2mA，最大极限电流也只有10～30mA，所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平（3.5V）的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。
下面简单介绍一下数码管的使用条件和使用注意事项[10]。
（1）数码管使用条件：
a.使用电压：
段：
根据发光颜色决定；小数点：
根据发光颜色决定
b.使用电流：
静态：
总电流80mA（每段10mA）；动态：
平均电流4-5mA峰值电流100mA数码管
（2）使用注意事项说明：
a.数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角
b.焊接温度：
260度；焊接时间：
5s
c.表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来
在本设计中我们采用的一个两位数码管，图3.6是两位数码管的实物图：
图3.6两位数码管实物图
两位数码管共有10个引脚，其中a-g分别控制数码管的7段，dp控制小数点，dig1-dig2分别控制数码管的第1至第2位。
其排列顺序如图3.7示：
图3.7两位数码管引脚图
3.1.474LS373锁存器
74ls373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器。
它的输出端00～07可以直接和总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时，Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，Q0～Q7呈现高阻态，既不驱动总线，也不为总线的负载，但是锁存器内部的逻辑操作不受影响[11]。
当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而改变。
当LE为低电平时，D被锁存在已建立的数据电平。
当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。
引出端符号：
D0～D7数据输入端
OE三态允许控制端（低电平有效）
LE锁存允许端
Q0～Q7输出端
74LS373的真值表如表3.1所示：
表3.174LS373真值表
Dn
LE
OE
On
H
H
L
H
L
H
L
L
X
L
L
Q0
X
X
H
高阻态
74LS373的引脚图如图3.8所示：
图3.874LS373引脚图
3.1.5RELAY继电器
Relay继电器是一种如同活动接点的特殊控制组件，当通过之电流超过某一“定值”时，该接点会断开（或接通），而让电流出现“中断及续通”的动作，以刻意影响同一电路或其它电路中组件之工作。
按其制造之原理与结构，而制作成电磁圈、半导体、压力式、双金属之感热、感光式及簧片开关等各种方式的继电器，是电机工程中的重要组件[12]。
本次设计采用Relay继电器来控制加热部分电路的通断。
其电路图如如3.9所示。
图3.9relay继电器
3．2水位检测电路设计
本次设计采用的水位传感器为普通的水位探测针，水位检测电路如图3.10所示,有高﹑低两个水位探针分别检测高﹑低水位。
图中LM311是一个四运算放大器。
当第二脚IN+的电压高于第三脚IN-的时候，第七脚输出高电平，否则输出低电平。
探针2为低水位，探针1为高水位。
当探针1没有浸水水中的时候，第三脚的电压为2.5V，第二脚的电压也为2.5V，第七脚输出低电平（接入单片机后，单片机驱动后面的进水阀加水）；当探针1浸入水中时，第三脚上的电压变小，第二脚上的电压高于第三脚，第七脚输出高电平（停止加水）。
图3.10水位检测电路
3．3温度检测电路设计
本次设计的温度检测部分采用温度传感器DS18B20。
温度检测电路图如图3.11所示。
图3.11温度检测模块电路图
在一些温控系统电路中，广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路，转换成A／D转换器能接收的模拟量，再经过采样／保持电路进行A／D转换，最终送入单片机及其相应的外围电路，完成监控。
但是由于传统的信号调理电路实现复杂、易受干扰、不易控制且精度不高。
本次设计采用AT89C52单片机结合DS18B20的水温控制系统，利用单片机来实现水温的智能控制。
我们设定的热饮机的内定的水温值为65度，即当水温低于65度的时候自动加热，当用户需要的时候，根据用户设定的值加热。
该水温控制系统不需复杂的信号调理电路和A／D转换电路就能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方便、精度高，可根据不同需要用于各种场合。
3．4按键电路
由于本设计中按键电路部分较简单，所以采用独立式的按键结构，所谓独立式按键结构，就是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。
每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。
温度控制键（S2，S3）：
用户可通过这两个键设定水温。
饮品类型选择键（S4～S7）：
用户可根据爱好选择白开水，奶茶，泡沫咖啡或是特烘咖啡。
按键电路如图3.12所示：
图3.12按键电路
3．5加热电路
本次设计的加热电路用RES电阻丝，把该加热电路直接连接在单片机上，通过单片机控制RELAY继电器。
当P2.5输出低电平的时候，三极管Q2导通，继电器K1开关闭合，实现加热的功能。
加热电路电路图如图3.13所示。
图3.13加热电路
3．6报警电路
本次设计的报警模块是水位报警，即热饮机的实际水位低于最低水位的时候会产生报警。
所以只需要简单的发光二极管就可以满足设计的要求。
报警电路图如图3.14所示，直接把发光二级管接入单片机，用程序控制LED发光二极管。
当单片机接口输出低电平的时候，二极管正向导通发光。
在软件设计的时候我们使二极管产生闪烁的效果。
图3.14报警电路
3．7数码管显示电路设计
在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：
静态显示和动态扫描显示。
所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时相应段的发光二极管恒定地导通或截止，并且显示器的各位可同时显示。
静态显示时，较小的驱动电流就能较高的显示亮度。
但每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。
这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法占用资源较多，而且成本较高，这对于多位LED显示很不利。
动态扫描显示控制方式就是逐个地循环点亮各位显示器，即在某一瞬间，只让某一位的位选线处于选通状态（共阳极的为高电平，共阴极的为低电平）其它各位的位选线处于段开状态，同时段选线上输出相应位要显示字符的字段码。
为了简化电路、降低成本，节省系统资源，此系统中采用动态显示方式[13]。
在本设计中的数码管是显示当前水温和用户设定水温，因为按键设置的是“+”“－”按键，所以先要对数据进行存储然后还要进行累加。
所以我们把数码管先连接到74LS373锁存器上，然后把锁存器连接到单片机AT89C52上。
数码管电路图如图3.15所示。
图3.15数码管显示电路
3．8复位电路
复位电路主要作用是使单片机初始化，以及在死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。
单片机复位一般都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟震荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。
为了保证系统可靠复位，在设计电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平，单片机便可以可靠的复位。
简单的复位电路有上电复位和手动复位两种，在本设计中我们使用的是上电复位中的按键式复位电路，即按键电平复位[14]。
按键电平复位电路是在普通RC复位电路的基础上接一个有下拉电阻5K、电源由上拉电容10uf经串接的200限流电阻至复位脚（和开关并联），开关一段接Vcc另一端接复位脚，上拉电容支路负责在“上电”瞬间实施复位；开关通过5K下拉电阻分压器，保证对单片机实施按键电平复位。
电路图如图3.16所示：
图3.16按键电平复位电路
3．9时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。
时钟信号可以由两种方式产生：
内部时钟方式和外部时钟方式，本设计中采用内部时钟方式。
电路如图3.17所示。
图3.17时钟电路
其内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。
因为是外接晶振，所以电容用30pf的。
晶体振荡器用12MHz（Y0）的。
为了减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠的工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。
3.10进水电磁阀电路
因为是全自动热饮机，所以我们设计的热饮机的饮用水是连接在自来水上的，经过过滤之后可以直接饮用的水。
本次设计的阀门部分主要是使用继电器来模拟进水阀的闭合和打开。
在继电器的动点端串接发光二极管LED5和1K限流电阻，当控制电压为正时，三极管导通，继电器K3吸合，同时发光二极管被点亮，表明继电器线圈已加上电源，这体现了阀门的打开。
在这里我们实际上用的是三极管的开关作用，在实际工作中它是工作在截止和饱和区的。
进水电磁阀控制模块电路图如图3.18所示。
图3.18进水电磁阀电路
3.11电机驱动电路
本设计中对于不同的饮品：
奶茶，泡沫咖啡，特烘咖啡对应有3个出粉电机，同时还有一个搅拌电机。
本次设计采用ULN2003A驱动电机。
ULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平。
这样通过单片机产生的低电平就可以通过ULN2003A输出高电平从而驱动4个电机。
图3.19电机驱动电路
4原理图绘制和仿真
本次论文设计的原理图绘制所采用的软件是protel99se，而原理图仿真采用的是protues软件。
protel99se是Protel桌面EDA（电子设计自动化）系统的新一代软件，功能强大，兼容性好，且性价比高。
融合了当今EDA最先进的设计成果，能处理各种复杂的PCB设计过程，实现PCB和FPGA设
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