基于单片机的自动豆浆机控制电路设计论文课程设计论学士学位论文.docx

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基于单片机的自动豆浆机控制电路设计论文课程设计论学士学位论文

课程设计（论文）

题目名称基于单片机的豆浆机控制电路设计

课程名称机电一体化系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

目录表

摘要……………………………………………………………………………………………………………………2

第一章

绪论……………………………………………………………………………………………………………………3

第二章

豆浆机控制系统的功能分析…………………………………………………………………………………………4

第三章

豆浆机控制系统的硬件设计…………………………………………………………………………………………7

第四章

豆浆机控制系统的软件设计…………………………………………………………………………………………14

结论……………………………………………………………………………………………………………………16

参考文献………………………………………………………………………………………………………………17

附录A

豆浆机控制系统硬件图………………………………………………………………………………………………18

附录B

豆浆机控制系统程序清单……………………………………………………………………………………………19

摘要

论文针对:

豆浆机是一种新型的家用饮料机，以黄豆为原料，直接加工成熟的热豆浆。

若在黄豆中配以芝麻、花生、杏仁等佐料，可以做出各种分为的鲜美饮料。

本文介绍的智能豆浆机系统由MCS-52系列单片机、温度传感器、加热电路、防溢电路、打浆电路、报警电路等组成，豆浆生产完全自动化。

其工作过程是：

先将黄豆放入豆浆机内，内倒入适量的水，装好机头。

接上电源，指示灯LED亮起，处于待命状态。

按下功能键开始加热，当温度达到80℃左右时，停止加热；电机运转，将黄豆粉碎，而后电机停转，又开始加热，直到豆浆第一次沸腾，停止加热，进入防溢延煮过程，防溢延煮后，发出报警声，提示豆浆已做好。

若缺水，则关闭加热器和电机，并发出报警声，直到关闭电源，加水后才能继续使用。

豆浆生产的工序包括打浆、煮浆、防溢延煮，而三个工序又密切配合，使生产的豆浆味道更好，不同的豆浆种类，打浆和煮浆的时间和次数都不一样。

磨浆前进行预加热，既可以提高工作效率，又缩短煮浆的时间，防止磨浆后煮浆时间过长所易造成的糊锅现象。

可见，只要启动豆浆机，打浆、煮浆完全自动化，短短十几分钟就自动做好豆浆，既卫生可靠，又快捷方便。

整个过程由单片机全自动控制，让您用起来更加方便、安全。

关键词：

MCS-52，豆浆机，控制系统，稳压电源。

第一章绪论

引言

豆浆机由粉碎黄豆的电机、豆浆机加热器和控制电路三大部分组成。

用单片机研制的全自动豆浆机的控制系统，当放入适量泡好的黄豆，加入适量的冷水，把豆浆机的电源插头插入220V交流电源，豆浆机指示灯亮起，按下按钮，先对豆浆机进行水位检测，符合要求后电加热管开始对水进行加热，当水温达到80℃左右，豆浆机进行启动电机开始打浆，打浆电机按间歇方式打浆。

打浆过后，开始对豆浆加热，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。

然后间歇加热，最后进行豆浆的防溢延煮后发出声光报警信号。

若缺水，则关闭加热器和电机，并发出报警声，直到关闭电源，加水后才能继续使用。

只要按下启动按键并选择功能后，豆浆机就开始工作，一会儿就能喝到美味又营养的豆浆。

整个过程由单片机全自动控制，让你用起来更加的方便、更加的安全。

第二章豆浆机控制系统的功能分析

豆浆机的控制系统以单片机AT89C52为控制核心，结合控制传感器，加热及磨浆电路，水位检测及沸腾出电路，报警电路等的控制，达到只要启动豆浆机以后，所有的控制过程实现完全的目的。

2.1控制系统的硬件分析

硬件上豆浆机的控制系统首先需要以单片机AT89C52为控制核心，刚开始需要水位检测，这就需要一个传感器，为了减少成本，这里采用一个探针来代替传感器的使用，然后开始对水进行加热，开始时需要把水加热到80℃，这就需要一个温度传感器，这里采用数字温度传感器DS18b20，因为它单总线器件，线路简单，体积小，省去了A/D转换，并行扩展等步骤，使硬件图变得简单形象了很多。

由于豆浆机加热完毕后，需要启动打浆电机开始打浆，这里选用单相串励电机，因为串励电机具有机动转矩大、过载能力强、体积小、重量轻等很多优点，并且改类型电机在家用电器使用很普遍。

当打完浆后，需要对豆浆再次加热，这里就用到防溢的装置与水位检测装置一样，沸腾溢出装置同样采用一个探针来替代了传感器。

对豆浆再次加热完毕后，预示着豆浆加工完成了，最后发出音响信号，这里选用一个报警器。

2.2控制系统的软件分析

软件上就是对单片机的编程，在编程前需要画出一个流程图，根据豆浆机控制系统的设计要求及目的，即插上电源、按下启动按钮并且选择功能后，先对豆浆机进行水位检测，符合要求后就启动加热装置对水加热，当水温达到了80℃左右，豆浆机停止加热。

启动磨浆电机开始打浆，磨浆电机按间歇方式打浆：

运转15秒后停止运转，间歇5秒后再启动打浆电机，如此循环5次。

打浆结束后，电加热器继续加热，一直加热到一定值时豆浆上溢，当豆浆沫接触电极时，停止加热，间歇20秒后在开始加热，如此循环5次豆浆加工完成，间歇10秒后发出音响信号，提示豆浆已经做好。

此时关闭开关、拔下电源插头后，即可准备饮用豆浆。

按照上述对豆浆机控制系统的要求，完成豆浆机控制系统设计的流程图后，对单片机进行软件设计的编程来配合硬件的设计以至于完成整个豆浆机控制系统的设计。

2.3电源电路设计

电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标以及能否安全可靠的工作。

目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。

随着集成电路飞速发展，稳压电路也迅速实现集成化市场上已有大量生产各种型号的单片机集成稳压电路。

它和分立晶体管电路比较，具有很多突出的优点主要体现在体积小、重量轻、耗电省、可靠性高、运行速度快，且调试方便、使用灵活，易于进行大量自动化生产。

2.3.1电源的作用

各种电子电路都要求用稳定的直流电源供电，由整流滤波电路可输出较为平滑的直流电压，但当电网电压波动或负载改变时，将会引起输出端电压改变而不稳定。

为了获得稳定的输出电压，滤波电路的输出电压还应该经稳稳压电路进行稳压。

2.3.2电源的组成

电源由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。

电源变压器：

将电网提供的220V交流电压转换成为各种电路设备所需的交流电压。

整流电路：

利用单向导电器件将交流电转换成脉动直流电路。

滤波电路：

利用储能元件（电感或电容）把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。

稳压电源：

利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。

2.3.3变压器容量、整流二极管的计算与选择

据整流原理，因为UO=O.9U2，则可以得到U2=UO/O.9=5v/0.9≈5.56V。

在考虑到变压器、绕组损耗（压降）和整流二极管的压降，在T程中必须再在上述基础上增加5%，即U2=5.56*（1+5%）≈5.83V，整流二极管的承受最大的反向电压UDl=21/2U2≈5.83V，因为稳压器的最大电流是3A，所以流过二极管的最大电流ID1=1/2Ii=0.75ID2=0.75A；D2中的四个二极管的耐压值至少应该为8.24V，允许流过的最大电流为0.75A。

由于变压器输入的电压是220V，而副线圈输出的电压时12V，故有线圈匝数N=

=

==0.003。

变压器副边的有效值:

I2=1.ll*l.5=1.67A.变压器的容量：

S=UI=5.83*1.67=9.74W。

2.3.4电源工作原理

整个电源电路如图4.1所示，控制电路采用变压器降压、晶体二极管整流等方法获得工作电源。

当电源接入220V交流电，TR1开始对220V交流电进行降压，从次级输出12V左右的低压交流电，从而适应电路的使用要求。

整流硅对次级输出的交流电进行桥式整流，再由E2、C2进行滤波，已形成较平滑的直流电，送给三端集成正输出稳压器78L05进行稳压调整。

经78L05稳压作用后输出+5V的直流电压，经E3、C3滤波后输出纹波很低的+5V电压，作为单片机的工作电源，以保证单片机工作时的稳定和可靠。

图4.1豆浆机控制系统的电源电路

2.3.5桥式整流电路简介

桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。

桥式整流电路图如图4.4，它的工作原理如下:

输入为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl、D3导通;对D2、D4加反向电压,D2、D4截止。

电路中构成ab、D1、R、D3通电回路，在R上形成上正下负的半波整洗电压,输入为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。

电路中构成ab、D2、R、D4通电回路,同样在R上形成上正下负的另外半波的整流电压。

图4.2

如此重复下去,结果在R上便得到全波整流电压。

其波形图和全波整流波形图是一样的。

从图4.4中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。

桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。

半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。

桥式整流器利用四个二极管，两两对接。

输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。

桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。

第三章豆浆机控制系统的硬件设计

3.1单片机的选用

单片机的种类很多，本设计采用AT89C52。

AT89C52是ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可适用于提高许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

3.2.1单片机的简介

（1）AT89C2主要性能参数

兼容MCS-52产品指令系统，8k可反复擦写（）1000）的FlashROM

32个双向I/O口，256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0.24MHz

2个外部中断源，共6个中断源

2个读写中断口线，3级加密位

低耗空闲和掉电模式

（2）引脚功能

引脚如图4.2所示

图3.1单片机AT89C52

引脚功能说明：

AT89C52是为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主TC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

AT89C2的引脚图1所示，主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz品振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（9脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为12C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

在被设计中温度传感器，磨浆及加热电路，沸腾检测电路及报警电路等和单片机相连接时，只用了P1口和P3口，首先通过单片机中的CPU将P1.5口变成高电位，使发光二极管D4发光显示，以示电源电路正常，单片机的CPU就是通过检测这俩个端口的高低电位来对水位和沸腾溢出进行检测的。

加热时，因为温度传感器为单线智能数字传感器，P3.0和P3.4作为输出端口，与三级管组成一个驱动控制电路，当程序给一个加热或打浆信号时，这俩个端口相应的变成高电位使三级管和导通继而驱动继电器工作。

报警电路和单片机端口组合时，单片机的端口组合时，单片机的端口同样也是作为一个输出端口来使用的。

3.2温度检测电路的设计

当豆浆机正常工作时，需要先加热到80℃左右的温度，然后停止加热继续下一步的工作，所以这就需要一个温度传感器来检测水温，这里我选用的是NTC热敏电阻温度传感器，选择它是灵敏度高、反应迅速；电阻值和B值精度高、一致性互换性好；采用双层密封工艺，具有良好的绝缘密封性和抗机械碰撞、抗折弯能力、稳定性好、可靠性高。

3.2.1温度传感器DS1820简介

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9—12位数字值读数方式。

可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

他在测温精度、转换时间。

传输距离、分辨率等方面较DS18B20有了很大的改进，给用户带来了跟方便的使用和更令人满意的效果。

（1）DS18B20

独特的单线接口，只需一个接口引脚即可通信

多点能力使分布式温度检测应用得以简化

不需要外部元件

可用数据线供电

不需要备份电源

测量范围从-55至+125摄氏度，增量值为0.5摄氏度

以九位数字值方式读出温度

在一秒内把温度变换为数字

用户可以定义的，非易失性的温度变换为数字

告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度警告情况）

应用范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统

（2）DS18B20的引脚如图5所示

1.GND为电源地

2.DQ为数字信号输入/输出端

3.VDD为外接供电电源

图5温度传感器DS18B20的引脚图

3.3.2温度传感器DS18B20的测温原理

下面介绍51单片机AT89C52构成的测温系统的测温原理。

如图6所示，图中低温度系数品振的振荡受到的影响很小，

用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡产生的时钟脉冲后进行计数，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摄氏度所对应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摄氏度所对应的一个基数值。

减法计数器1对低温度系数振产生的脉冲信号进行减法计数。

当减法计数器1预置值见到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品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温度。

斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。

系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。

操作协议为：

初始化DS18B20（发复位脉冲）—发ROM功能命令—发存储器操作命令—处理数据。

3.3.3DS18B20与单片机AT89C52的接口设计

DS18B20与单片机AT89C52的接口设计如图6所示，P1.5口接单线总线为保证在有效的DS18B20适中周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管和AT89C52的P1.1来完成对总线的上拉。

当DS18B2处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。

采用寄生电源供电方式VDD和GND端均接地。

由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。

主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：

初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。

假设单片机系统所用的晶振频率为12MHz，根据DS18B20的初始化时序，写时序和读时序，分别编写3个子程序：

INTT为初始化子程序，WRTTE为写（命令或数据）子程序，READ为读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始，实际在实验中不用这种方式，只要在数据线上加一个上拉电阻4.7k欧姆另外2个分别接电源和地。

图6温度传感器DS18B20与单片机AT89C52的连接图

3.4加热及磨浆电路的设计

加热电路的作用是通过加热管把磨成粉末的黄豆煮熟，本设计使用的加热器的功率为800W；磨浆电路的作用是通过电机把黄豆搅拌成粉末，电机选用的是单相串励电机，由于串励电机具有转动转矩大，过载能力强，调速方便，体积小等有点，在家用电器中普遍使用。

但是串励电机的转速很高，为了避免其连续工作容易造成损坏，本设计采用的是间歇性打浆的方式。

单片机输出电流经三极管放大，来驱动继电器闭合，使加热管发热把豆浆煮熟，同理，继电器闭合使电机运转把黄豆搅碎。

加热及磨浆电路的工作原理如图7所示，加热及磨浆电路由电器JR1、JR2，三极管T2、T3，电阻R5，R6以及二极管D1，D2，单片机AT89C52.蛋单片机工作时，检测完水位正常后，赋给P1.1一个电平，软件检测到P1.1变为低电平后，赋给单片机P3.0脚一个高电平，使三极管T2饱和导通，电流流过继电器JR1，使触点闭合，于是加热管得电开始对豆浆加热，当温度达到80摄氏度时，单线数字温度传感器DS18B20将温度信号传给单片机，单片机检测到这个信号后，使P3.0脚变为低电平，三极管T2截止，继电器触点断开，电阻丝停止加热。

加热结束后，单片机P3.4脚变高电平从而让继电器触点闭合，于是电机得电开始打浆，在系统程序得控制下，打浆机按间歇方式打浆。

电机运转20秒后，单片机3.4脚变为电平，从而继续驱动电机工作，如此循环5次打浆结束。

图7豆浆机控制系统的加热及磨浆电路

3.5水位检测及沸腾出检测电路的设计

加热电路的作用是通过加热管把磨成粉末的黄豆煮熟，本设计使用的加热器的功率为800W：

磨浆电路的作用是通过电机把黄豆搅拌成粉末，电机选用的是单相串励电机，由于串励电机具有启动转矩大，过载能力强。

防溢出电路的作用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时干烧及沸腾溢出等问题。

这单采用探针作为传感器来检测水位及沸腾溢出，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。

水位检测及沸腾溢出电路的原理如图4.13所示，K1，K2分别是水位检测传感器和沸腾溢出传感器，为了减少成本，这单采用探针来代替这两个传感器，使用中将接控制电路的公共点“地”，探针分别通过传输。

单片机的P3.2，P1.3端连接。

正常工作时，Kl被水淹没，它和地之问的电阻较小，与R13共同对+5V分压，U+得到比U-低的电平，比较器输出低电平。

缺水时，Kl露出水面，它的电阻很大，R13共同对+5V分压，U+得到比U-高的电压，比较器输出高电平，通过非门后输出低电平产生下降沿。

用软件检测比较器的电平变化，便知是否缺水。

3.6报警电路的设计

报警电路的作州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P1.5脚输入到蜂鸣器LSl发出声音。

报警电路如图4.12所示，报警电路由单片机AT89C52与蜂鸣器LS1、发光二极管组成。

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P1.4、P1.5脚自动输出一个高低平，使蜂鸣器、发光二极管通电导通，于是蜂鸣器LS1发出报警，提醒豆浆加热完成。

此次设计我做的是基于单片机的豆浆机控制电路设计，讲过多次的修改和整理，可以满足设计的基本要求。

当放入适量浸泡好的的黄豆，加入适量的冷水，浆豆浆机电源插头插入220V交流电源，豆浆机指示灯亮起，按下按钮，开始对水进行加热，水温达到80度左右，豆浆机停止加热。

启动打浆电机开始打浆，运转15秒或者20秒后停止运转，停止10秒后再启动打浆电机，如此循环6次或者4次。

打完浆后，开始对豆浆加热，豆浆温度达到一定值时豆浆上溢，豆浆沫接触到防溢电极时，停止加热。

豆浆机自动进入防溢延煮程序，完成后发出声光信号。

但因为我的水平有限，此电路中也存在着一定的问题，比如说三端集成稳压器会产生热损失，温度传感器NTC温度传感器在本设计中只是检测了一个温度，当温度达到80度时单片机进行下一步工作，在这里没有充分的利用它的功能及优点。

总之，此设计以单片机AT89C51作为核心的控制元件，配合其他器件，使豆浆机的控制系统县有功能强、性能可靠、电路简单、成本低的特点，加工经过优化的程序，使其有很高的智能化水平。

第四章豆浆机控制系统的软件设计

4.1豆浆机控制系统的流程图的设计

第五章结论

此次毕业设计要求我们在雷老师的指导下独立进行查阅资料，设计方案，设计电路与编写工作程序等工作，并写出报告。

这次毕业论文对于提高我们的素质和科学实验能力非常有益，为以后从事电子电路方面的设计，研制电子产品打下了良好的基础。

通过这两个多月的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。

这次的毕业设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。

刚开始的时候，大家就分配好了各自的题目，并且经常聚在一起讨论各自的设计，我们的交流帮我解决了很多的问题，是同学们给了我帮助。

在毕业设计中只有一个人独立设计、制作是远远不够的，大家的交流讨论能帮助自己解决很多实际的问题。

相互交流讨论是我们成功的一项非常重要的保证。

虽然这只是一次的比较简单的毕业制作（基于单片机的自动豆浆机控制电路），可是平心而论，也耗费了我们不少的心血，这就让我不得不佩服专门搞单片机开发的技术前辈，才