智能型豆浆机控制系统毕业设计.docx

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智能型豆浆机控制系统毕业设计

现在由于社会生活节奏加快，有许多人都没有时间吃早餐，然而早餐对于人的健康是非常重要的。

中国的传统食物豆浆是一种老少皆宜的营养食品。

豆浆含有丰富的营养成分，虽不及豆腐，但比其他任何乳类都高,所以豆浆是很好的早餐之选。

但由于传统的豆浆制作过程复杂,制作时间长，许多人就放弃了喝豆浆。

因此,设计智能型豆浆机控制系统，制作出一款高效省时的豆浆机是非常必要的。

设计智能型豆浆机目标：

制作全豆豆浆、五谷豆浆、营养米糊、蔬菜果汁等。

全过程只需要启动豆浆机，加热、打浆、完全实行自动化，短短十几分钟就全自动做好豆浆，既安全卫生，又快捷方便。

本设计基于51单片机设计了一款高效省时的智能型豆浆机控制系统。

此智能型豆浆机控制系统主要由MCS-51系列单片机、温度检测器、加热电路、防溢电路、防止缺水电路、打浆电路、报警电路等组成，豆浆生产完全自动化。

其生产过程完全达到了预设模式，可自动完成粉碎功能、加热功能、防溢出功能、报警功能等。

一般可以选用以下原料作为加工对象，如：

豆类、玉米、其他五谷杂粮、蔬菜水果等多种食品。

该智能型豆浆机控制系统具有很好的应用和使用价值。

关键词：

51单片机，豆浆机，控制系统

ABSTRACT

Nowbecauseofthesocialliferhythmspeedingup,therearemanypeoplewhohavenotimetoeatbreakfast,breakfastisveryimportanttopeople'shealth,however.ThetraditionalfoodofChinasoybeanmilkisakindofnutritiousfoodforyoungandold.Soybeanmilkisrichinnutrients,althoughlesstofu,buthigherthananyotherdairy,sosoya-beanmilkisagoodchoiceforbreakfast.Butduetothecomplexityoftraditionalsoya-beanmilkproductionprocess,productiontimeislong,manypeoplegaveupdrinkingsoybeanmilk.DesignDouJiangJiintelligentcontrolsystem,therefore,toproduceanefficienttime-savingDouJiangJiisverynecessary.DesignintelligentDouJiangJigoal:

makingfulldougpulp,grainandsoybeanmilk,nutritionalricecereal,vegetablejuice,etc.OnlyneedtostartthewholeprocessDouJiangJi,beating,boiledpulpcompletelyautomating,short10minutestofullyautomaticdosoya-beanmilk,bothsafetyandhealth,andquickandconvenient.

Thisdesignisbasedon51microcontrollerdesignedahighefficienttime-savingDouJiangJiintelligentcontrolsystem.ThisDouJiangJiintelligentcontrolsystemismainlycomposedofMCS-51seriesmicrocontroller,temperaturedetector,spill-proofcircuit,heatingcircuit,preventwatercircuit,beatingcircuit,alarmcircuitandsoon,fullyautomaticsoya-beanmilkproduction.Itsproductionprocessisreachedthepresetmode,canautomaticallycompletecrushingfunction,heating,spillprevention,alarmfunctions,etc.Canchoosethefollowingmaterialasageneralprocessingobjects,suchasbeans,cornandothergrain,vegetables,fruitandotherfood.TheDouJiangJiintelligentcontrolsystemhasgreatvalueinapplicationanduse.

Keywords:

51microcontroller,DouJiangJi,controlsystem

第一章绪论

1.1豆浆机设计背景

随着全社会对环保健康理念的提升，人们消费观念的转变,以及全社会对于环境问题越来越多的关注，绿色食品已经逐渐取代一些传统产品，成为了现代人新的追求风尚，人们对健康饮品的需求逐渐增加。

因此，市场上对智能型豆浆机的需求不断扩大。

人们对于豆浆机需求的持续上升，豆浆机行业的发展也日趋成熟，2006年之后，许多品牌开始进入豆浆机行业，其中包括其他家电领域的国内外知名品牌，诸如美的，东芝，苏泊尔，欧科，步步高，莱克等。

各企业豆浆机的发展也都各具特点。

美的公司从2009年上半年开始进入豆浆机市场，以创新、时尚、健康为主题，推出了15款新品豆浆机，并研发革新了无网易清洗和免泡豆等新技术，从很大程度上推动了我国豆浆机的设计制造与发展。

豆浆机是新时期的一种新型的家用电器。

主要是以黄豆为主，加工成可直接饮用的健康饮品。

若在黄豆中配以芝麻、花生、杏仁等原料，或者通过改变打浆次数、加热时间，可以制作出不同种类的豆浆饮品。

豆浆机主要由粉碎黄豆的电机、豆浆加热器和控制电路三大部分组成。

本设计是由单片机为主所研制的全自动控制系统，其使用的操作步骤主要为：

首先取适量浸泡好的黄豆放入豆浆机内，然后加入适量的清水，安装好豆浆机的顶盖，把豆浆机的电源插头插入220V交流电源，豆浆机指示灯亮起，最后按下功能按钮，豆浆机开始工作状态。

其过程是：

先进行水位检测，符合设定的要求后电加热器开始对水进行加热，当水温达到80℃左右，豆浆机开始自动启动电机开始打浆，打浆电机按间歇方式进行打浆。

打浆过后，再次对豆浆进行加热，如此循环若干次后，发出警报，提示豆浆已好。

当豆浆温度达到预定值时豆浆上溢，当豆浆沫接触到防溢电极时，则停止加热，发出报警信号。

如果豆浆机缺水，则关闭加热器和电机，并发出报警声，直到电源关闭，加水过后才能继续使用。

全过程操作者只需按下启动按键并选择功能后，豆浆机就开始工作，等待大概十几分钟我们就能喝到既健康又营养的豆浆。

豆浆机工作的整个过程由单片机全自动控制，让我们操作起来更加的方便、更加的安全。

1.2豆浆机工作原理

本设计原理如图1.2.1所示：

图1.2.1豆浆机工作原理图

如图1.2.1可知，温度传感器、防溢电路、放干烧电路、时钟电路、复位电路、按键、均属于输入部分。

而声光报警、电机、加热电路均属于输出部分。

其中复位电路属于复位系统，按键属于工作功能选择键。

控制系统首先通过电源电路对系统供电，通电后，先进行水位检测，符合设定的要求后电加热器开始对水进行加热，当水温达到80℃左右，豆浆机开始自动启动电机开始打浆，打浆电机按间歇性方式进行打浆。

打浆过后，再次对豆浆进行加热，如此循环若干次后豆浆机将发出报警信号，提示豆浆已经做好。

当豆浆温度达到预定值时豆浆上溢，当豆浆接触到防溢电极时，则停止加热。

提示用户关闭电源。

第二章豆浆机整体方案设计

2.1方案的选择

方案1：

此方案由单片机为核心、加热电路、磨浆电路、报警电路等部分组成。

如图2.1所示，其工作原理是首先进行加热，加热到一定温度后，开始打浆，打浆完成后，再次开始加热，加热完成后，报警提示。

图2.1方案一框图

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2.2所示，其工作原理是豆浆机通电后直接按“启动”键，加热电路对豆浆机进行加热，加热完成之后，开始打浆；打浆电机按间歇性方式打浆：

打浆结束后开始对豆浆加热，如此循环若干次后，发出警报提示豆浆已经做好。

如果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，提示用户豆浆已经溢出，要求关闭电源。

图2.2方案二框图

2.2方案的实现及论证

本文设计的智能型豆浆机主要由电机、加热管、水位传感器，温度传感器、防溢电极、单片机控制面板、控制按钮以及报警器件等几部分组成。

电机负责粉碎打浆,加热管进行加热煮浆,感温探棒进行水温测量,水位传感器进行水位测量，防溢电极防止豆浆加热溢出,采用蜂鸣器报警,控制面板根据命令和输入状态信号,控制各个部件按程序进行加热、粉碎等系列工作全自动完成。

我们确定方案二为本设计方案，具体论证方法如下：

（1）上电后对水位进行判断,防止加水过多或干烧;在整个工作过程中,对水位实时检测,严防无水干烧。

全过程处于无水报警。

当重新将豆浆机放入水中后，回复以前工作状态。

（2）粉碎。

串激电机工作可以将豆粒彻底粉碎。

但由于该电机不可长时间连续运转,所以采取间歇性打浆的工作方式，并且每次打浆不超过一分钟。

为了提高工作效率,充分利用粉碎间歇时间进行豆浆加热。

（3）加热。

加热分为“粉碎前预加热”、“粉碎间歇加热”两个过程。

“粉碎前预加热”是将水温加热至80℃,缩短粉碎后加热至豆浆沸腾的时间,防止粉碎后煮浆时间过长所易造成的糊锅现象,此外还有出浆率高、豆浆口味更佳的效果。

间歇性加热是让打碎的豆子充分煮熟。

（4）命令输入。

命令输入四种模式来选择用户所选择的配置模式，通过按键操作。

第三章豆浆机系统硬件电路设计

3.1主控电路设计

主控电路以AT89C51单片机为核心元件，通过单片机发送指令控制加热电路、打浆电路、报警电路以及LCD显示。

各个部分电路在单片机的统一控制下，有序进行，这样就可以完全实现智能控制系统设计。

3.1.1单片机方案选择

方案一:

选择8031单片机芯片作为控制核心。

8031芯片内部无ROM,需要外扩程序存储器,由此造成电路焊接的困难，而且8031还需要较多的外围芯片支持,从而造成成本较高,性价比低。

方案二:

选择AT89C51。

AT89C51芯片成熟应用广泛，而且单片机内部有ROM,且片内ROM全部采用FlashROM,它能在3V的超低压工作,与MCS-51系列单片机完全兼容。

结合实际，选择AT89C51单片机来设计。

3.1.2单片机最小系统电路

单片机最小系统原理电路图如图3.1.2所示：

图3.1.2单片机最小系统原理图

单片机是整个系统的核心部分，对系统起监督、管理、控制作用，并进行复杂的信号处理，产生测试信号及控制整个检测过程。

所以在选择单片机时，参考了以下标准：

（1）运行速度。

单片机运行速度一般和系统匹配即可。

（2）存储空间。

单片机内部存储器容量，外部可以扩展的存储器（包括I/O口）空间

（3）单片机内部资源。

单片机内部存储资源越多，系统外接的部件就越少，这可提高系统的许多技术指标。

（4）可用性。

指单片机是否能容易地被开发和利用，具体包括是否有合适的开发工具，是否适合于大批量生产、性能价格比，是否有充足的资源，是否有现成的技术资源等。

（5）特殊功能。

一般指可靠性、功耗、掉电保护、故障监视等。

从硬件角度来看，与MCS-51指令完全兼容的新一代AT89C51系列机，比在片外加EPROM才能相当的8031单片机抗干扰性能强，与87C51系列单片机的性能相当，但功耗小。

程序修改直接用+5伏或+12伏电源擦除，更显方便、而且其工作电压放宽至2.7伏—6伏，因而受电压波动的影响更小，而且4K的程序存储器完全能满足单片机系统的软件要求，故AT89C51单片机是构造本检测系统的更理想的选择。

本系统选用ATMEL生产的AT89C51单片机，其特性如下:

（1）4K字节可编程闪速程序存储器，1000次循环写/擦

（2）全静态工作:

0Hz-24MHz

（3）三级程序存储器锁定

（4）128X8位内部数据存储器，32条可编程I/O口

（5）两个六位定时器/计数器，六个中断源

（6）可编程串行通道，低功耗闲置和掉电模式

由以上性能参数可以看出AT89C51单片机的功能非常强大，性能稳定可靠，功耗很低。

对于设计智能型豆浆机来说AT89C51单片机具有很高的性价比。

3.1.3AT89C51单片机简介

单片机主要完成系统的控制和信息处理功能。

其内部结构如图3.1.3所示：

图3.1.3AT89C51内部结构

引脚简要说明见表3.1。

表3.1AT89C51引脚说明

Vss

接地端

Vcc

电源端，接＋5V

XTAL1

接外部晶振的一个引脚

XTAL2

接外部晶振的另一个引脚

RST/Vpd

1）复位信号的输入2）Vcc断电后，此引脚可以接备用电源

ALE/PROG

地址锁存器允许

PSEN

程序存储器允许。

输出读外部程序存储器的选通信号

EA/Vpp

EA＝0，单片机访问外部程序存储器，EA=1,访问内部程序存储器

P0.0-P0.7

数据/低8位地址复用总线端口

P1.0-P1.7

静态通用端口（I/O口）

P2.0-P2.7

高8位地址总线动态端口

P3.0-P3.7

双功能静态端口

3.1.4AT89C51的并行I/0口详细说明

由于AT89C51的并口功能强大，可用作地址/数据线，也作为通用I/O用于系统的控制工作中。

因此，可以用并口来传输显示电路中LED的段选码和位选码，也可以用并口中的某一位完成DS18B20的数据读取。

AT89C51共集成四个功能极强的8位双向并行接口，每位均设有输出锁存器，输出驱动器和输出缓冲器，四个口分别用P0,PI,P2,P3表示，由于接口所针对的主要用途不同所以有一定的差异，下面分别说明。

（1）P0口的每一位均由一个输出锁存器、两个三态缓冲器、一个输出驱动器和一个输出控制电路组成，其工作状态受输出控制电路的控制。

P0口既可作为地址/数据线，又可以作为通用I/O口。

在外部扩展存储器时，P0口必须做地址/数据总线用，先输出低8位地址到外部地址锁存器，后输出/输入数据或指令代码，分时复用。

在不扩展外部存储器时可以做通用I/O用。

（2）P1口是一个8位准双向并行I/O接口，做通用1/O用。

其输出驱动器有内部上拉电阻，能加速‘0’到‘1’的转变过程。

特别在位操作方式下，P1口可以进行每位单独输出/输入操作。

（3）P2口同样是一个8位的准双向并行I/O口，在结构上它比P1口多出了一个输出转换控制部分。

P2口由内部硬件控制，当作为通用I/O口时是一个准双向1/O口;当有外部扩展存储器或接口时，可用于输出高8位地址。

在扩展外部存储器或接口时，由于访问外部存储器的操作是连续不断的，所以不能再扩展为通用I/O口。

但是P2口作为地址输出时是由内部控制开关转换的，并不会改变其输出寄存器的内容，故访问外部地址结束后，P2口的输出锁存器的内容会恢复到输出引脚。

因此可以根据访问外部地址的频繁程度，P2口在其间仍可作为通I/O，

（4）P3口做通用I/O使用时，和P1,P2口类似。

在作为多功能端口的时候，它作为读/写信号（扩展外部存储器的时候）和标准串行I/O口。

3.2晶振电路设计

晶振电路如图3.2.1所示：

图3.2.1晶振电路

晶振是晶体振荡器的简称，它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。

引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。

外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。

因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30μF。

在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

3.3水位及温度检测电路设计

水位及温度检测电路如图3.3.1所示：

图3.3.1水位及温度检测电路

如图3.3.1所示：

水位检测及沸腾溢出电路的原理：

两个按键开关分别是水位检测传感器和沸腾溢出传感器，通过高低电平输出的检测，即可知道是否缺水，或者水量过多的问题。

水位及温度检测电路的工作过程是以传感器作为信息采集系统的前端单元来控制自动豆浆机缺水干烧及沸腾溢出等问题。

这里采用探针模拟传感器来检测水位及沸腾溢出的情况，然后通过比较器输出高低电平，这样就可以通过单片机检测比较器输出电平的高低来检测水位及沸腾时的溢出状态。

用如图3.3.1所示三个按键来模拟检测水位及温度是否达标。

当按键闭合时，依次代表：

水位溢出、温度过高、水位过低无论是哪个按键闭合，都会导致蜂鸣器报警。

提示用户关闭电源。

在该电路的设计中采用了DS18B20数字温度传感器，这种传感器接线十分方便，封装好以后可以适用于不同场合。

其特点和优势如下所示：

1.具有十分独特的单线接口方式。

2.测温范围－55℃～+125℃，误差很小。

3.工作电源:

3~5V/DC 。

4.测量结果以9~12位数字量方式串行传送。

3.4加热电路设计

加热电路如图3.4.1所示：

图3.4.1加热电路

加热电路的工作原理：

单片机发出信号，通过MPS8098三极管进行放大信号，然后启动继电器，继电器获得电流后吸附铁片，从而形成加热电流回路，此时加热电路开始工作。

加热电路采取的设计方法是，在单片机的I/O口接入一个NPN的三极管，以达到提升I/O口的输出能力的目的，同时也能够隔离I/O口与加热电路，防止单片机被损坏。

由于加热器工作时功率较大，会产生较大的电流，因此，设计中采用了一个继电器来进行隔离开关，进一步提高了系统的耐用性和有效性。

此外，LED发光二极管用来提示用户当前的加热电路是否正在运行当中。

加热电路中的核心元器件是电热管。

电热管通俗来说就是加热管，学术上称作：

管状电加热器元件。

其结构：

在金属管中放入发热丝（电阻丝）并在其周围填充具有良好导热性和绝缘性的绝缘粉末（MgO）。

电热管具有以下优点：

体积小、结构简单、发热效率高、安全可靠、安装便捷、使用寿命长等特点。

此外，由于电热管价格便宜，使用方便，安全无污染，所以被广泛使用在各种需要进行加热的场合。

3.5打浆电机控制电路设计

打浆电机控制电路如图3.5.1所示：

图3.5.1打浆控制电路

如图3.5.1所示，打浆控制电路的工作原理：

单片机发送信号通过MPS9098三极管对信号进行放大，然后启动继电器，继电器获得电流后吸附铁片，从而形成打浆电流回路，打浆电机开始工作。

安全性能方面，在打浆电路的设计中，采用继电器来控制电机的运转和断开，此外，单片机的I/O口加入了NPN三极管进行驱动，从而能够有效地控制电机的运行。

具体说来，当单片机的IO口输出高电平的时候，三极管驱动继电器的线圈端，继电器通过电磁力的作用，接通右边的电机开关，电机就开始工作。

反之，当单片机输出低电平时，电机则停止工作，这样就可以实现间歇性打浆。

打浆控制电路中，最核心的元器件就是打碎电机。

因此，选用什么型号的电机显得尤为重要。

单相串励电动机属于交、直流两用电动机，既可以在直流电源工作也可以使用交流电源工作，兼容性好。

本设计中，采用54系列交流串激电机作为打碎电机。

其空载转速很高，为了防止出现不安全问题，不可以连续运行，一次约运行一分钟左右。

因此，在豆浆机程序设计的时候就要注意设置间歇性打浆方式，并且每次打浆时间为一分钟左右。

3.6显示系统设计

系统显示部分采用显示器LCD1602，其硬件电路如图3.6.1所示:

图3.6.1系统LCD显示电路

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。

液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

本设计选用显示器LCD1602对系统进行实时显示，其显示的功能主要包括以下几个部分：

1.显示系统当前的工作模式。

四种工作模式分别是：

全豆豆浆工作方式，五谷豆浆工作方式，营养米糊工作方式，水果蔬菜工作方式。

2.显示当前出现的错误信息。

当系统出现，溢出水位错误，或者温度过高错误和欠水位错误时，液晶显示屏将显示出具体是哪一种错误情况的发生。

如图3.6.1所示系统LCD显示电路的主要工作过程是：

单片机通过I/O口检测到是否有传感器输出了错误，如果存在错误则通过LCD驱动程序来显示出当前的状态。

3.7报警电路设计

报警电路如图3.7.1所示：

图3.7.1报警电路

报警电路的原理是通过蜂呜器发出声音信号，提醒豆浆已经煮好了。

声音信号电流从单片机的输入到蜂鸣器。

如图3.7.1所示，报警电路由单片机AT89C51与蜂鸣器。

因为蜂鸣器工作电流相比较较大，为了做隔离，加了一个NPN的三极管来做蜂鸣器的驱动。

通过事先编写的程序，在单片机的控制下，系统开始工作，当加热完成后，单片机自动输出一个高低平，使蜂鸣器导通，于是蜂鸣器发出报警，提醒豆浆加热完成。

第四章豆浆机系统软件设计

4.1主程序部分的设计

豆浆机主程序流程图如图4.1.1所示：

图4.1.1主程序流程图

软件部分采用C语言进行编程，通过定时器的运用来完成预设定的操作步骤，达到产出满意的豆浆，系统中也包括了出错和报警部分的处理，保障了机器的稳定运行。

本设计需要用到单片机中断当中的T0计时器来用作为系统时间控制的基准，T0计时器需要配合一个中断服务子程序来完成精确的计时功能。

在CPU与外设交换信息时，存在一个快速的CPU与慢速的外设间的矛盾。

为解决这个问题，采用了中断技术。

良好的中断系统能提高计算机实时处理的能力，实现CPU与外设分时操作和自动处理故障，从而扩大了计算机的应用范围。

4.2豆浆机工作方式框图

豆浆机工作方式框图如图4.2.1所示：

图4.2.1豆浆机工作方式流程图

为了满足用户对不同种类健康饮品的需求，本设计设置了四种工作方式来实现用户对各类原理进行加工。

主要分为全豆豆浆方式、五谷豆浆方式、营养米

糊方式、蔬菜水果方式，其具体的工作方式我们在接下来的章节具体介绍

4.2.1全豆豆浆工作