豆浆机设计方案

主要内容、基本要求、主要参考资料：
1. 主要内容：设计一个豆浆机控制系统
2.基本要求：
1.利用51单片机来控制豆浆机的加热、碎豆、煮浆过程；
2.利用单片机的并行口引脚实现加热电机、粉碎电机的控制；
3.当加热完成后报警提示；
4.豆浆机具备防溢出功能。

3.参考资料
[1]李广弟等单片机基础北京航空航天出版社
[2]楼然苗等 51系列单片机设计实例北京航空航天出版社
[3]唐俊翟等单片机原理与应用冶金工业出版社
[4]刘瑞新等单片机原理及应用教程机械工业出版社
[5]吴国经等单片机应用技术中国电力出版社
[6]李全利，迟荣强编著单片机原理及接口技术高等教育出版社，
[7]张毅刚等 MCS-51单片机应用设计哈工大出版社，
[8]霍孟友等单片机原理与应用机械工业出版社
[9]许泳龙等单片机原理及应用机械工业出版社
[10]段晨东《单片机原理及接口技术》清华大学出版社
完成期限：
指导教师签名：
课程负责人签名：
年月日
郑州华信学院
课程设计说明书题目：豆浆机控制系统
姓名：陈江涛
院（系）：机电工程学院
专业班级：电气工程及其自动化
学号： 0902120146
指导教师：宋东亚许洋洋
成绩：
时间：年月日至年月日
目录
1.摘要 (5)
1.1单片机在智能仪器中的应用 (5)
1.2单片机在过程控制中的应用 (5)
1.3.单片机与e-Home (6)
1.4.单片机与Internet (6)
2.引言 (6)
3．设计要求 (7)
3.1.设计任务 (7)
3.2.要求： (7)
4.设计分析 (8)
4.1.设计目的、意义： (8)
4.2．硬件电路设计及描述 (9)
5.软件设计流程及电路图 (19)
5.1设计流程： (19)
5.2设计电路图 (20)
6.软硬件调试 (21)
6.1软件调试 (21)
6.2硬件调试 (21)
7.豆浆机源程序代码 (22)
8.参考资料 (28)
9.附录 (29)
10.总结 (31)
1.摘要
单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机，它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛的特点。

它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。

因此，单片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。

1.1单片机在智能仪器中的应用
智能化仪器内部基本上都是用单片机进行信息控制与处理。

特别是近年来出现的数字信号处理器DSP是一种速度极高的单片机，它在通信和高速信息处理中起了极大的作用，从而扩展了单片机在智能仪器中的应用。

1.2单片机在过程控制中的应用
在化工过程、冶金过程、轧钢过程、机械加工过程、塑料成型过程等，以及其它各种各样的控制过程得到广泛应用。

单片机在过程
控制中，通常是对一个过程的直接数字控制，也就是DDC控制。

在现代化的汽车中就有不少的单片机控制器，包括点火控制、节油控制等。

1.3.单片机与e-Home
家用电器的嵌入式结构有单核嵌入和双核嵌入2种。

例如：一般电脑电饭煲，内部只有一个单片机，这种控制系统是单核嵌入；对于分体式空调，室内机与室外机中分别有1个单片机，为双核嵌入结构。

1.4.单片机与Internet
Internet技术已经深入到日常生活和工作中。

各类家用电器和智能装置，它们的“心脏”多是单片机，由于单片机芯片品种达数百种，其硬件结构和指令系统各不相同，不能像PC机那样通过标准的硬件接口和接口软件直接接入Internet网络。

2.引言
豆浆机是一种新型的家用饮料机，以黄豆等谷物等为原料，直接加工成熟的味道鲜美的热豆浆。

豆浆机由粉碎谷物的电机、豆浆加热器和控制电路三大部分组成。

用AT89C2051单片机研制的全自动豆浆机的控制系统，当放入适量浸泡好的的谷物后，加入适量的冷水，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，符合要求后加热管开始对水进行加热，当加热到一定时间后，豆浆机停止加热，并启动磨浆电机开始粉碎，运转一定时间后停止运转，继续加热。

在加热过程中当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，待液位下降至安全液位后，继续加热。

如果温度过高，致使液体沸腾，溢出容器，或液体减少至过低液位时，立即触动检测开关，关断电源，停止工作并报警。

正常情况下，当粉碎2次后，谷物已经粉碎完全。

之后再对豆浆进行最后的加热，豆浆就加工好了。

此时系统关断电源并发出报警信号，等待主人处理。

可见，只要按下启动按键，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，并配合安全保护措施，让顾客用起来更加的方便、更加的安全。

3．设计要求
3.1.设计任务：设计一个豆浆机控制系统
3.2.要求：
1.利用51单片机来控制豆浆机的加热、碎豆、煮浆过程；
2.利用单片机的并行口引脚实现加热电机、粉碎电机的控制
3.当加热完成后报警提示；
4.豆浆机具备防溢出功能。

4.设计分析
4.1.设计目的、意义：
1、通过对豆浆机的设计，进一步熟练掌握单片机汇编语言的编程方法及思想。

2、通过对豆浆机的设计，掌握单片机AT89C2051用法，以及延时程序的使用方法。

3、通过对豆浆机的设计，增强同学们对单片机兴趣及动手能力。

并在此过程中学会对程序的逐步调试。

4. 通过对豆浆机的设计, 在实际的电路上运行所编写、烧写的芯片，并能运用已学过的模拟电子和数字电子技术的相关知识对实际电路运行中所出现的故障进行排除。

5. 通过对豆浆机的设计，加深我们对单片机的了解，为以后学习PLC技术打下坚实的基础。

6. 通过对豆浆机的设计，提高我们的实践能力和团队合作精神，为以后在学习和工作中奠定坚实的基础。

4.2．硬件电路设计及描述
本系统的硬件设计主要包括单片机AT89C2051、74LS04、光耦直流电机设计。

在硬件设计过程中，充分利用各部件的功能，实现全自动豆浆机设计
4.2.1. AT89C2051
AT89C2051有20个引脚，2个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，AT89C051可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89C2051的引脚图如右图所示。

1、VCC：电源电压。

2、GND：地。

3、P1口：P1口是一个8位双向I/O口。

口引脚P1.2~P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。

P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(ANI0)和反相输入(AIN1)。

P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。

当P!口引脚写入“1”时，其可用作输入端，当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入“1”时，其可用作输入端。

当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。

4、P3口：P3口的P3.0~P3.
5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/O口引脚。

P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。

P3口缓冲器可吸收20mA 电流。

当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。

用作输入时，被外部拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。

P3口还用于实现AT89C2051的各种第二功能，如下表所列：
P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

5、RST：复位输入。

RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。

每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。

6、XTAL1：作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。

7、XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。

4.2.2.光耦
耦合器以光为媒介传输电信号。

它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。

目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。

光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。

输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。

这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。

由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。

所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。

在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可
以大大提高计算机工作的可靠性。

4.2.3.硬件设计描述
根据豆浆机的功能要求，选用 ATMEL公司的单片机AT89C2051。

并根据豆浆机的功能要求设计出控制电路图(见图1所示)。

从而也确定了该自动豆浆机的工作原理：
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。

当电源插头XP插入220V交流电。

T1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；同时电源变压器还对220V交流电进行电网隔离，以提高控制电路的使用安全性能。

整流硅堆UR对次级输出的交流电进行桥式整流，再由C2、C1进行滤波，以形成较平滑的直流电．送给三端集成正输出稳压器 ICl进行稳压调整。

经ICl稳压作用后．输出+5V直流电压。

经 C4、C3滤波后输出纹波很低的+5V电压。

作为单片机的工作电源．就可以保证IC2正常的工作。

IC2得到+5V工作电压后。

就进入工作状态。

首先．+5V电压对C5进行充电，使IC2①脚RST(复位)端瞬间变成高电位。

从而使单片
机硬件复位。

由于R13的放电作用，又使RST端电位逐渐降低。

最后，RST端由高电位变成了低电位，完成了复位任务。

随后单片机将进入初始化。

单片机完成初始化后即开始运行程序。

程序的第一步是通过单片机中的 CPU(中央处理器)将P1．7口变成低电位。

使红色发光二极管Dl发光显示，以示电源电路正常，单片机也已开始工作。

第二步为水位检查程序。

单片机进入工作状态后。

CPU将以访问P3．5端电位的形式来判断检查豆浆机中是否有水，以及检查水位是否符合要求。

如果 P3．5端为高电位．说明水位不符合要求，单片机就令P1．5端输出提示信号．通过 Q3放大后推动BL．使蜂鸣器发出“嘀、嘀、嘀”的急促响声；同时CPU令P1．7端输出间断的电信号。

使Dl闪烁发光显示。

如P3．5端为低电位．则说明水位的高度符合要求．单片机即进入下一工作程序。

第三步为水加热程序。

当水位符合要求后。

CPU就令P1.2口由高电位变成低电位，使反相器输出高电平，从而让光耦中的发光二极管导通发光停止，光耦中的三极管没有基极电流，集电极为高电平，
三极管Q3导通，继电器动作，通过K1的触点作用将电热管与220V 电源接通;同时，令P1.6输出低电平，让发光二极管D2发光，用于显示处于加热状态。

于是电热管对冷水开始加热。

时间大约为5分钟左右。

这个加热过程也称之为预加热，其主要目的是为了防止在以后粉碎黄豆等物时．避免产生大量的泡沫，在烧煮豆浆时不会因泡沫过多而造成频繁的溢出．造成加热频繁的被迫停止，延长了豆浆的加工时间。

所以，预加热在自动豆浆机中是很有必要的。

当冷水被加热到80度左右时．CPU令P1.2口为低电位，P1.6为高电位，使VTl截止,K1释放一电热管失电而停止加热，D2停止发光，至此水加热程序结束。

第四步为粉碎程序。

当水温加热到80度左右后，单片机进入粉碎程序。

在粉碎程序中，CPU令P1.4口输出高电位，使Q2导通，驱动继电器 K2吸合，再接通粉碎电机的工作电源。

使粉碎电机高速旋转。

带动刀片高速切削，实施对粉碎物的粉碎。

为了减少电机的发热量，粉碎电机每粉碎15秒．就休息5秒，然后再开始第二轮粉碎。

在粉碎过程中。

如果出现溢出现象。

CPU即令P1．2口停止高电位输出而变为低电位输出，于是Q2截止一 K2复位一电机断点停转一粉
碎停止。

待溢出现象消失。

粉碎工作再次进行。

粉碎电机每粉碎工作15秒休息5秒钟为一轮。

这种工作过程共循环5次．然后结束粉碎程序。

第五步为烧煮豆浆程序。

当粉碎程序结束，接下来就进入烧煮豆浆阶段。

由于黄豆被粉碎时。

虽然是在80度左右水温下进行粉碎的，但是还是会产生较多的泡沫。

所以，该阶段表现的是加热与溢出之间的一对矛盾。

为了使豆浆机适应较多种类植物的加工需要，该程序中采用了加热一次如溢出一次为一次循环，并对循环次数进行累计计算，或是计算总的加热时间(包括溢出时间在内)的两种计算方式并用，即在“加热一溢出—停止加热”共循环1 0次或是煮豆浆到达2分钟的两种计算方式中。

只要一种先被确认。

就告“烧煮豆浆程序”结束。

这种智能控制设计，可以保证得到满意的豆浆加工效果。

煮豆浆的过程为：P1.2口高电位--Ql导通--*K1吸合一开始煮豆浆；如出现溢出现象时，就将豆浆的一个电位与溢出触点相通路，将P3．2的高电位拉低为低电位。

于是形成了P3．2口的中断信号。

当P3．2口中断控制信号送给单片机，CPU即令 P1.2口为低电位--Ql截止一
K1释放一电热管失电一煮豆浆停止。

当P3.2口的中断控制信号消失．电热管又一次得电开始加热。

第六步为报捷程序。

一旦豆浆煮好，CPU令P1．3口输出慢节奏的1000Hz音频信号．通过Q3推动蜂鸣器BL发出“嘀、嘀”的响声；同时。

P1．7端输出间断的电信号。

使VDl也随着“嘀、嘀”节奏而闪光。

当然。

在此之前，你也已经闻到香浓的豆浆味了。

在粉碎过程中，或在烧煮豆浆过程中出现溢出时，均使用中断程序。

从而使电机迅速停止工作或使电热管迅速停止加热。

采用中断形式后，使豆浆机更具有人性化的智能特性，提高了豆浆机的自动控制性能和整机的含金量。

控制电路中保护熔断器FU的熔断值为5A，对配合800W的电热管比较合适。

如使用快速熔断器，可以将熔断值降为4A，那样对电热管的保护更为有效。

SKl和SK2分别是水位检测传感器和溢出检测传感器。

为了减少制造成本，本设计采用探针来代替这两个传感器。

使用中，将U形加热器外边的金属外壳接控制电路的公共点“地”。

探针分别通过传输
线与单片机的P3．5端和P3．2端连接。

U形发热管的功率为800W．也有一些豆浆机中使用的是600W发热管。

粉碎电机为异步交流电机。

该种电机力矩大，转速高，特别适合豆浆机中使用。

其功率为60—120W左右。

K1、K2为普通的12V小型继电器。

其触点最大电流为2A，型号为：12862／12V。

BL为一只外径12mm的蜂鸣器。

直流电阻为32Q左右。

D3和D4是两只整流二极管。

在电路中起续流之用，以提高K1、K2的复位速度，减小触点问的接触火花．保护继电器触点。

5.软件设计流程及电路图
5.1设计流程：
软件上就是对单片机的编程了，在编程前需要画出一个流程图，如图2 。

根据豆浆机控制系统的设计要求及目的，即插上电源按下按钮后，先对豆浆机进行水位检测，符合要求后，再设定工作模式。

根据豆浆机的工作场合，我们模拟设定3个工作模式：模式1，加热6S ，粉碎6S ；模式2，加热9S ，粉碎9S ；模式3，加热12S ，粉碎12S 。

当粉碎2次，加热3次后，豆浆机完成工作，此时关电源，报警。

另外，程序需设3个中断：超液位
中断、液位溢出中断和液位过低中断（液位溢出中断和液位过低中断可用一个中断）。

超液位中断时，系统暂停工作，报警灯亮。

待液位下降至安全位置时，继续之前的操作；当液位溢出中断和液位过低中断时，系统直接断电
结束操作，报警灯亮，蜂鸣器响。

图2 主程序简单流程图
按照上述对豆浆机控制系统的要求，软件程序应包括主程序、键盘子程序、显示子程序、两个中断子程序和报警子程序。

具体程序见附图。

用软件的编程配合硬件的设计以至于完成整个豆浆机控制系统的设计
5.2设计电路图
豆浆机工作原理图
6.软硬件调试
6.1软件调试
软件模拟调试部分程序调试用Keil软件来完成，具体步骤为：打开Keil软件，先建立一个工程并保存，在所建工程弹出的对话框中选择AT89C51处理器；新建一个文档以编辑程序，将所设计的程序输入到新建文档中并保存文档.C；将所保存的文档添加到工程中去，点击Project菜单下的Options for Target进行工程配置，编译程序直至无误。

软件模拟调试仿真部分用Proteus软件完成，具体步骤为：运行Proteus软件，选择所需元件，根据原理图画出仿真图，添加仿真文件并编译直至无误后运行，数码管和红黄绿各灯依规律显示。

6.2硬件调试
接通电源和串口、并口线，打开Keil软件，进行工程配置选择硬件模拟，编译无误后运行。

7.豆浆机源程序代码
7.1豆浆机源程序
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0003H
LJMP TINGZHI
ORG 0040H
MAIN: CLR P1.7 ;初始化
CLR P1.5 ;蜂鸣器长鸣一声，声音提示准备就绪
LCALL D1s
SETB P1.5
MOV SP,#2FH
MOV TCON,#01H ;设置外部中断0触发方式为电平触发
MOV IE,#81H ;开中断
KAISHI: MOV C,P3.0 ;判别是否覭开始工作
MOV 00H,C
MOV C,P3.0
ORL C,00H
JC KAISHI
SHUI: MOV C,P3.5 ;是否有水
MOV 01H,C
LCALL D10ms
MOV C,P3.5
ORL C,P3.5
JC FMING
CLR P1.6 ;正常，开始加热
CLR P1.6
CLR P1.2
CLR P1.2
LCALL D2FEN
SETB P1.6 ;停止加热
SETB P1.2
SETB P1.6
SETB P1.2
CLR P1.4 ;初次粉碎
CLR P1.4
LCALL D5s
SETB P1.4
SETB P1.4
CLR P1.6 ;第二次加热CLR P1.6
CLR P1.2
CLR P1.2
LCALL D2FEN
SETB P1.6 ;停止加热
SETB P1.2
SETB P1.6
SETB P1.2
MOV R1,#4
FENS: CLR P1.4 ;开始粉碎
CLR P1.4
LCALL D5s
LCALL D5s
LCALL D5s
SETB P1.4
SETB P1.4
LCALL D5s
DJNZ R1,FENS
ZHUF: MOV R3,#10 ;开始煮沸ZHU1: CLR P1.2
CLR P1.6
CLR P1.2
CLR P1.6
LCALL D5s
LCALL D5s
DJNZ R3,ZHU1
WANC: LCALL FMING
LJMP WANC
TINGZHI: SETB P1.6
SETB P1.2
SETB P1.6
SETB P1.2
CLR IE0
LCALL D5s
LCALL D5s
RETI
FMING: MOV R0,#5 ;蜂鸣程序F1: CLR P1.5
LCALL D1s
SETB P1.5
LCALL D1s
DJNZ R0,F1
LJMP MAIN
D10ms: PUSH 04H ;10ms延时子程序PUSH 05H
MOV R5,#10
D1ms: MOV R4,#249
DL: NOP
NOP
DJNZ R4,DL
DJNZ R5,D1ms
POP 05H
POP 04H
RET
D1s: PUSH 05H
PUSH 06H
PUSH 07H
MOV R5,#10
D0: MOV R6,#239
D1: MOV R7,#209
DJNZ R7,$
DJNZ R6,D1
DJNZ R5,D0
POP 07H
POP 06H
POP 05H
RET
D5s: PUSH 04H
MOV R4,#5
D2: LCALL D1s
DJNZ R4,D2
POP 04H
RET
D2FEN: PUSH 04H
MOV R4,#150 AX: LCALL D1s
DJNZ R4,AX
POP 04H
RET
END
8.参考资料
[1]李广弟等单片机基础北京航空航天出版社
[2]楼然苗等 51系列单片机设计实例北京航空航天出版社
[3]唐俊翟等单片机原理与应用冶金工业出版社
[4]刘瑞新等单片机原理及应用教程机械工业出版社
[5]吴国经等单片机应用技术中国电力出版社
[6]李全利，迟荣强编著单片机原理及接口技术高等教育出版社，
[7]张毅刚等 MCS-51单片机应用设计哈工大出版社，
[8]霍孟友等单片机原理与应用机械工业出版社
[9]许泳龙等单片机原理及应用机械工业出版社
[10]段晨东《单片机原理及接口技术》清华大学出版社
9.附录元器件表：
10.总结
经过近几周的单片机课程设计，我做的全自动家用豆浆机的控制系统的设计终于完成了。

虽然经过了多次曲折的修改和整理，最终还是比较圆满的实现了本次设计的基本要求。

针对这个控制系统，我比较满意的有两点：第一，完美的安全防范措施。

其有三重安全保护，使豆浆机的使用更安全；第二，全过程完全自动化，只需要将豆类等谷物和水加入豆浆机，并按键，片刻之后就会变成鲜美的豆浆。

操作简便，更加人性化。

在本次设计的过程中，我发现了很多的问题，并且也学会了很多东西。

此刻我已经对单片机这科有了比较深的认识，能熟练地运用相关的编程软件和仿真软件，会用单片机去做一些比较简单的控制系统。

这就是我在这次课程设计中的最大收获。

虽然我的作品成功了，但我觉得还有一些可以改进的地方：第一：我将同一个模式下的加热时间和粉碎时间设置成
相同的，虽然程序简单了，但不是很合理；
第二：可以再加上加热很粉碎次数的统计；
第三：我的控制系统中加热很粉碎是通过时间来控制的，我觉得要是改用温度来控制就更好了。

总之，通过对豆浆机的设计, 在实际的电路上运行所编写、烧写的芯片，我重新对模拟电子和数字电子技术的相关知识有了新的认识，加深了我对单片机的软件功能和硬件结构的理解，为以后学习相关课程打下了坚实的基础。