豆浆机的制作

豆浆机的制作 邵阳学院毕业设计(论文) 第 1 章 设计思路与 1.1 设计思路 由于以前的豆浆机，磨浆要过滤豆渣，豆浆熬煮也要自己动手，还要特别注意豆浆溢锅的问，程序繁琐麻烦，给人们带来不便，针对这些情况拟定开发家用豆浆机全自动控制电路装置。 家用豆浆机全自动控制装置是在单片机的程序控制下进行工作的。打浆时，插上电源插头，接通电源, 直接按“启动”键，控制电路控制豆浆机工作。先给黄豆加热，并由传感器检测温度，当温度达到75度左右时，停止加热。启动磨浆电机开始磨浆，磨浆电机按间歇方式打浆:运转20秒后停止转运，间歇10秒后再启动打浆电机，如此循环进行打浆,次。磨浆完后，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，间歇20秒后再开始加热，如此循环16次，豆浆加工完成，间歇10秒后发出音响信号。 1.2 方案设计 方案1:此方案由单片机、传感器、加热电路、磨浆电路、报警电路组成。如图1.1所示其工作原理是先加热，加热到一定温度后，开始磨浆，磨浆完后，磨浆停止，又开始加热即煮沸后，立即停机，报警提示。 单 磨浆电路 传感器 片 加热电路 机 报警电路 图 1.1 方案1设计框图 1 邵阳学院毕业设计(论文) 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1.2所示其工作原理是豆浆机加电后直接按“启动”键，控制电路控制豆浆机进行加热，当温度达到75度左右时，停止加热，开始打浆;打浆电机按间歇方式打浆:运转20秒后停止转运，间歇10秒后再启动打浆电机，如此循环进行打浆,次。打浆结束后开始对豆浆加热，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，间歇20秒后再开始加热，如此循环16次，豆浆加工完成，间歇10秒后发出音响信号。 传感器 功能电路 单 加热电路 磨浆电路 片 缺水、沸腾溢机 报警电路 出电路 图1.2 方案2设计框图 1.3 方案论证 方案一如图1.1所示，由单片机、传感器、加热电路、磨浆电路、报警电路组成。工作过程是，先将黄豆放入豆浆机的搅拌器滤网内，搅拌壶内倒入适量的水，装好搅拌机。接上电源，按下“加热”键，开始加热，加热到一定温度后，开始磨浆，磨浆结束后,又加热直到豆浆沸腾煮熟，停止加热，发出柔和的报警声，提示豆浆已做好。其缺点是:没有检缺水、沸腾溢出。 方案二如图1.2所示, 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。先将黄豆放入豆浆的搅拌器滤网内,搅拌壶内倒入适量的水,装好搅拌机。接上电源，蜂鸣器长鸣一声，提示已接通电源，指示灯LED亮，处于待命状态。按下全自动启动键START，开始加热，温度达到75度时，停 2 邵阳学院毕业设计(论文) 止加热;搅拌马达运转，将黄豆粉碎，豆浆过滤，然后马达停转，又开始加热，直到豆浆沸腾煮熟，停止加热，发出报警声，提示豆浆已做好。若豆浆较长时间没喝而变凉，按下再加热键HEAT，加热至沸腾后，停止加热，发出报警声。若缺水，则关闭加热器和马达，按任何键不响应，并发出急促的报警声,直到关闭电源，加好水后才能工作。 进行论证后,我选择第二方案。其原因是:(1)加工方式是全自动。(2)粉碎黄豆前加热可以提高工作效率;缩短粉碎后加热至豆浆沸腾时间，防止粉碎后煮浆时间过长所易造成的糊锅现象。 3 邵阳学院毕业设计(论文) 第 2 章 单元电路设计 2.1 传感器的设计与选用 2.1.1 传感器的作用及组成 传感器一般由敏感元件、传感元件、测量电路和辅助电源四部分组成，如图2.1所示。在工业生产自动化过程中，检测、监视和控制温度、压力、流量、液位、PH等参数，以便设备工作在最佳状态，成本消耗最低，产品质量最高，同时，在生产过程中将各个环节的参数转为电信号，并与计算机接口，实现生产自动化。 被测 电量 敏感元件 传感元件 测量电路 非电量 辅助电源 图2.1 传感器组成方框图 2.1.2 传感器设计与选用 (1) 传感器的设计 家用豆浆机的串励电机工作转速可达到12Kr/S左右,大约一分钟时间便可将豆粒彻底粉碎。但由于该电机不可长时间连续运转,为了提高工作效率,粉碎前需要将水温加热至75度左右,所以需要设计传感器来作测温计。 在一定温度范围内，半导体材料的电阻R和绝对温度T的关系可表示为 T bTR,ae (2.2) T 其中常数a不仅与半导体材料的性质而且与它的尺寸均有关系，而常数b仅与材料的性质有关。常数a、b可通过实验方法测得。例如，在温度T时测得其电阻1为R T1 bT1R,aeT1 (2.3) 在温度T时测得其阻值为R 2T2 bT2R,ae (2.4) T2 4 邵阳学院毕业设计(论文) 将以上两式相除，消去a得 11b(,)RTTT112,e R T2 再取对数，有 RRln,ln12TTb, (2.5) 11(,) TT12 把由此得出的b代入(2.3)或(2.4)式中，又可算出常数a，由这种方法确定的常数a数 dR1bT,,,,，100% (2.8) 2RdTTT 显然，半导体热敏电阻的温度系数是负的，并与温度有关。 热敏电阻在不同温度时的电阻值，可用惠斯通电桥测得。 半导体热敏电阻是一种新型的测温元件，它的电阻—温度特性曲线如图2.9所示，可以看出其阻值随温度升高而很快减小，用它来设计测温计或传感器是很灵敏的。 图2.9 温度特性曲线 为了用它来制作测温计，首先要测定它的电阻—温度特性。这里介绍一种简单测试方法。 5 邵阳学院毕业设计(论文) ? 取热敏电阻，如型号是RRC6型的小型热敏电阻，按图2.10所示的结构，焊上引线，套上一段塑料套管，再把它浸在熔化的石蜡锅里浸蜡封口。 图2.10 热敏电阻 ? 把上述热效电阻接在图2.11所示的电桥臂中，图中检流计用50微安的微安表，R为电阻箱，取R,R?4KΩ，毫安表量程可取5毫安。 312 R1 mA mAR3R2W W 图2.11 ? 把热效电阻放在如图2.14所示的热水瓶中，瓶中开始放冰水混合物，用0(2?分度值的水银温度计测量水温。 6 邵阳学院毕业设计(论文) 图2.14 ? 接通电桥电源，调节W，使毫安表读数不大于1毫安，再调节R，使电桥平衡，3测出对应温度下热敏电阻的阻值。 ? 逐步提高水温，测出不同温度下的热敏电阻阻值。 图2.15 伏安特性 顺便说一下，为什么测量时电桥干路中的电流不能超过一定值，这是由于热敏电阻伏安特性决定的。热敏电阻在同一室温下的伏安特性如图2.15所示。为什么当电流I上升到一定值后，它两端的电压U反而下降，这是由于通过热敏电阻的电流过大使它本身发热造成的(自热)。设计热效电阻温度计应避免它进入特性的这一阶段(称为负阻段)。 7 邵阳学院毕业设计(论文) 设计热敏电阻温度计的电路如图2.16所示。取R,R，R值等于测温范围最231 低温度(0?)时热敏电阻的阻值。R是校正满刻度电流用的。取R值等于测温范44围最高温度(100?)时热敏电阻的阻值。测量时首先把S接在R端，改变W使24微安表指示满刻度，然后再把S接在R端，如果在0?时，R,R，R,R，2TT132电桥平衡，微安表指示为零。温度越高，R值越小，电桥越不平衡，通过表头的电T RT流也就越大。这样就可以用通过表头的电流来表征被测温度的高低。 S2R4 uAR3R1 R2 WR5 S1 图2.16 热敏电阻温度计的电路图 (2) 传感器的选用 要测量壶中水的温度,需要体积小的温度计。而热敏电阻传感器的结构简单,体积小,电阻率高,热惯性小,所以选用它作为家用豆浆机的测温计。 2.1.3 传感器的工作原理 金属导电是靠自由电子在电场作用下作定向运动,当温度升高时,自由电子的数目基本不增加,只有自由电子杂乱无章的动能增加了。因此,在一定电场作用下,使自由电子作定向运动就会遇到更大的阻力,即电阻值增加了。而半导体参加导电的是载流子(为自由电子和空穴两种异性电荷),由于半导体中的载流子数目要比原子的数目少几千倍到几万倍,相邻自由电子之间的距离是原子之间距离的几十倍到几百倍,所以在一般情况下它的电阻值很大。当温度升高时,半导体中更多的价电子获得热能而激发,挣脱核束缚成为载流子,因而参加导电的载流子数目增加了,所以,半导体的电阻值随温度升高而急剧减小,且按指数规律下降,呈非线性。 8 邵阳学院毕业设计(论文) 2.2 单片机处理电路的设计及选用 2.2.1 单片机处理电路的设计 随着科学技术的不断发展，采用单片机控制的产品已经十分普遍，涉及的领域也十分广泛。在家电领域中，如豆浆机,它以单片机为核心，在单片机控制下,完成从加 热 2.2.2 单片机的选用 单片机种类较多，使用较多的是MCS-51系列。但美国Zilog公司的Z8系列单片机新颖、品种多，特别适合-家电智能化和更新换代。Z8具有下列主要特点:1)多累加器的结构。内部RAM128字节或256字节单元均可作为累加器使用，方便了软件的编写，减少了软件的长度，提高了内存的利用率。2)端口3的一些引脚可通过软件接通内部的模拟器，可用于过零检测、A/D转换。3)矢量中断。4)有看门狗，提高抗干扰能力。 我选用Z86E02单片机，内含512字节ROM，128字节RAM，18引脚，体积小，价格廉，特别适合小家电智能控制。 2.2.3单片机的作用及组成 单片机控制家用豆浆机完成了从加热、打浆、再加热、报警整个工序，减少人们的繁琐操作和劳动程度。它由时钟OSC、中央处理器CPU、程序存储器ROM、数字存储器RAM、内部总线、各种I/O、定时器/计算器CTC等组成。 2.2.4 单片机的结构、引脚及功能 (1) 单片机结构 9 邵阳学院毕业设计(论文) Z86E02单片机引脚功能图 (2) 单片机的引脚 Table 1. 18-Pin Standard Mode Identification Pin # Symbol Function Direction 1-4 P24-P27 Port 2, Pins 4, 5, 6, 7 In/Output 5 V CC Power Supply 6 XTAL2 Crystal Oscillator Clock Output 7 XTAL1 Crystal Oscillator Clock Input 8 P31 Port 3, Pin 1, AN1 Input 9 P32 Port 3, Pin 2, AN2 Input 10 P33 Port 3, Pin 3, REF Input 11-13 P00-P02 Port 0, Pins 0, 1, 2 In/Output 14 GND Ground 15-18 P20-P23 Port 2, Pins 0, 1, 2, 3 In/Output (3) 单片机的功能 10 邵阳学院毕业设计(论文) Z86E02单片机内部功能 2.3 缺水、沸腾溢出电路设计 2.3.1 缺水、沸腾溢出电路的作用及组成 (1) 缺水、沸腾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家用豆浆机缺水时干烧和沸腾溢出等问题。 (2) 缺水、沸腾溢出电路由碳膜湿敏传感器、单片机和电阻组成。其碳膜湿敏传感器形状如图2.18所示 11 邵阳学院毕业设计(论文) 电极 温度膜 基片 图2.18 碳膜湿敏传感器形状 在绝缘的聚苯乙烯基片上制备两个电极,然后在电极之间喷涂一层含有碳粉粒的有机胶状纤维素湿膜,便构成了碳膜湿敏传感器。湿敏膜主要由直径约为3.5um的碳粉粒、随温度稳定的水溶性纤维乙醚粘合剂、湿润性可塑剂、分散剂等组成。碳粉粒主要用来构成连接两电极的导电网;粘合剂用来固定碳颗粒;可塑剂用来增强粘合剂的亲水性;分散剂用来使碳颗粒均匀分散。 当湿敏膜吸湿后发生膨胀,由于体积增大使碳颗粒的密度降低,碳颗粒间距增加,造成电阻值增大;干燥时,湿敏膜脱水收缩,碳颗粒间距缩小,又使电阻变小。 2.3.2 缺水、沸腾溢出电路工作原理 缺水、沸腾溢出检测原理如图2.19所示。PG是装在豆浆机搅拌壶底的参考地电极，经R10(100Ω)接地。PW是装在搅拌壶中部的缺水检测电极，PF是装在搅拌壶顶部的沸腾溢出检测电极。正常工作时，PW和PG被水淹没，PW和PG之间电阻较大，与R、R共同对+5V分压，P得到比P高的电压,比较器1输出763.13.3 高电平。缺水时，PW露出水面，和PG之间电阻很小，与R、R共同对+5V分76压，P得到比P低的电压,比较器1输出低电平。用软件检测比较器1的输出电3.13.3 平，便知是否缺水。 用同样方法检测豆浆是否沸腾溢出。豆浆沸腾之前，电极PF远离水面，PF和PG之间电阻很小，与R、R共同对+5V分压，P得到比P低的电压,比较器2983.23.3 12 邵阳学院毕业设计(论文) VCC 输出低电平。豆浆沸腾时，泡沫淹没PF，和PG之间电阻大，与R、R共同对+5V98分压，P得到比P高的电压，比较器2输出高电平。用软件检测比较器2的输出3.23.3 R6R8电平，便知豆浆是否沸腾溢出。 R7pw R9PF PG R10R11R12 VCC 图2.19 缺水、沸腾溢出检测电路 2.4 报警电路设计 2.4.1报警电路的作用 报警电路的作用是通过蜂鸣器发出声音信号，提醒主人豆浆以经煮好了。 2.4.2 报警电路的设计 声音信号电流从单片机的P脚输入到三极管T，使功率放大，以驱动蜂鸣器2.44B发出声音。报警电路如下图2.20所示 2 13 R2 邵阳学院毕业设计(论文) B2 T4 Z86E02 R4118P2.4P2.3217P2.5P2.2316P2.6P2.1415P2.7P2.0514VCCGND 613Z86E02XTL2P0.2712图2.20 报警电路图 XTL1P0.1811P3.1P0.0 910P3.2P3.3 2.4.3 报警电路的工作原理 报警电路由单片机Z86E02、电阻R、三极管T与蜂鸣器B组成。通过事先442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P脚自动2.4输出一个高电平,通过电阻R使三极管T饱和导通,于是蜂鸣器B发出报警声音,提442醒主人加热完成。 2.5 磨浆及加热电路设计 2.5.1 磨浆电路的作用 磨浆电路的作用是通过电机，把黄豆搅拌成粉沫。 2.5.2 加热电路的作用 加热电路的作用是通过加热管，把搅拌成粉沫的黄豆以经煮熟。 2.5.3 磨浆及加热电路的设计 单片机输出电流经三极管放大，来驱动继电器闭合，使电机转动，把东西搅拌成粉粒。同理，使加热管发热把东西煮熟。磨浆及加热电路图如图2.21所示 14 邵阳学院毕业设计(论文) ~220V~R18 R15 D2 K1D1R16K2 电机 C7 M C6 R(HEAT) 加热管 T2T3 R3R5 Z86E02 118P2.4P2.3217P2.5P2.2316P2.6P2.1415P2.7P2.0514VCCGND613XTL2P0.2712XTL1P0.1811P3.1P0.0910 P3.2P3.3 图2.21 磨浆及加热电路图 2.5.4 磨浆及加热电路的工作原理 磨浆及加热电路由继电器K1、K2，三极管T2、T3，电阻R15、R16、电容C6、C7以及二极管D1，单片机Z86E02组成。当按下加热键HEAT时，赋给P0.0一个低电平，软件检测到P变为低电平后,赋给单片机P脚一个高电平,使三极管0.02.6 T2饱和导通,电流流过继电器K1,使K1闭合,于是电机得电开始打浆。在系统程序的控制下,打浆机按间歇方式打浆。电机运转20秒后,单片机P脚变为低电平,使2.6三极管T2截止,继电器K1断开,电机停止打浆,间歇10秒后,单片机P脚又恢复2.6为高电平,从而继续驱动电机工作。如此循环5次后打浆结束,单片机P脚变高电2.5 15 邵阳学院毕业设计(论文) 平,使三极管T3饱和导通,从而让继电器K2闭合,电阻丝R(HEAT)得电开始对豆浆加热。当豆浆温度加热到75度时,单线数字温度传感器DS1820将温度信号传给单片机,单片机检测到这个信号时,使P脚变为低电平,三极管T3截止,继电器K2断2.5 开,电阻丝停止加热。 2.6 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。它和分立的晶体管电路比较,具有很多突出的优点,主要体现在在体积小、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。 2.6.1 电源的作用及组成 (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经稳压电路进行稳压。 (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。稳压电源的组成方框图如图2.22所示。 电源变压整流电滤波电稳压电 器 路 路 源 图2.22 稳压电源的组成方框图 ? 电源变压器:将电网提供的220V交流电压转换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。 16 邵阳学院毕业设计(论文) ? 稳压电路:利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。 2.6.2 电源技术指标 输入电压 AC 220V 输出电压 DC 5V 输出电流 I1A 0 2.6.3 整流二极管、变压器容量的计算与选择 据整流原理，因为Uo=0.9U2则可以得到U2=Uo/0.9=5V/0.9?5.56V 。再考虑到变压器、绕阻损耗(压降)和整流二极管的压降,在工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UD1=21/2U2?8.24V,同理,UD2=21/2U2?8.24V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=0.75A ID2=0.75A; 综上所序,D1中的四个二极管的耐压值至少为8.24V,允许流过的最大电流为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是12V，故有 N=U1/U2=220/12=18.1 由于线圈匝数比只能为一个整数，因此匝数比取18。变压器副边的有效值:I2= 1.11×1.5=1.67A。变压器的容量:S=UI=5.83×1.67=9.74 W。 2.6.4 稳压器的选用 嵌入式控制系统的MCU一般都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作。而设计者多习惯采用线性稳压器件(如78xx系列三端稳压器件)作为电压调节和稳压器件来将较高的直流电压转变MCU所需的工作电压。这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会大的“热损失”(其值为V压降×I负荷)，其工作效率仅为30%,50%。加之工作在高粉尘等恶劣环境下往往将嵌入式工业控制系统置于密闭容器内的聚集也加剧了MCU的恶劣工况，从而使嵌入式控制系统的稳定性能变得更差。 而开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作。因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、要么是完全截止无电流流过。因此，开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达70%,90%。在相同电压降的条件下，开关电源调节 17 邵阳学院毕业设计(论文) 器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。因此，开关稳压电源可大大减少散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对MCU工作环境的有害影响。 采用开关稳压电源来替代线性稳压电源作为MCU电源的另一个优势是:开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。此外，由于开关稳压电源“热损失”的减少，设计时还可提高稳压电源的输入电压，这有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力。 LM2576系列开关稳压集成电路是线性三端稳压器件(如78xx系列端稳压集成电路)的替代品，它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为MCU的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。 LM2576系列开关稳压集成电路的主要特性如下: (1) 最大输出电流:3A; (2) 最高输入电压:LM2576为40V，LM2576HV为60V; (3) 输出电压:3.3V、5V、12V、15V和ADJ(可调)等可选; (4) 振东频率:52kHz; (5) 转换效率:75%,88%(不同电压输出时的效率不同); (6) 控制方式:PWM; (7) 工作温度范围:-40? , +125? (8) 工作模式:低功耗/正常两种模式可外部控制; (9) 工作模式控制:TTL电平兼容; (10) 所需外部元件:仅四个(不可调)或六个(可调); (11) 器件保护:热关断及电流限制; (12) 封装形式:TO-220或TO-263。 LM2576内部包含52kHz振荡器、1.23V基准稳压电路、热关断电路、电流限制电路、放大器、比较器及内部稳压电路等。为了产生不同的输出电压，通常将比较器的负端接基准电压(1.23V)，正端接分压电阻网络，这样可根据输出电压的不同选定不同的阻值，其中R=1kΩ(可调-ADJ时开路)，R分别为1.7 kΩ(3.3V)、12 3.1 kΩ(5V)、8.84 kΩ(12V)、11.3 kΩ(15V)和0(-ADJ)，上述电阻依据型号不同已在芯片内部做了精确调整，因而无需使用者考虑。将输出电压分压 18 邵阳学院毕业设计(论文) 电阻网络的输出同内部基准稳压值1.23V进行比较，若电压有偏差，则可用放大器控制内部振荡器的输出占空比，从而使输出电压保持稳定。 由LM2576构成的基本稳压电路仅需四个外围器件，其电路如图2.23所示。 图2.23 稳压器电路原理框图 电感L1的选择要根据LM2576的输出电压、最大输入电压、最大负载电流等参数选择，首先，依据如下公式计算出电压?微秒常数(E?T): E?T=(Vin - Vout)×Vout/ Vin×1000/f (1) 上式中，Vin是LM2576的最大输入电压、Vout是LM2576的输出电压、?是LM2576的工作振荡频率值(52kHz)。 该电路中的输入电容C2一般应大于或等于100μF，安装时要求尽量靠近LM2576的输入引脚，其耐压值应与最大输入电压值相匹配。而输出电容C1的值应依据下式进行计算(单位μF): C?13300 Vin/ Vout×L (2) 上式中，Vin是LM2576的最大输入电压、Vout是LM2576的输出电压、L是经计算并查表选出的电感L1的值，其单位是μH。电容C铁耐压值应大于额定输出电压的1.5,2倍。对于5V电压输出而言，推荐使用耐压值为16V的电容器。 二极管D1的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2576的最大电流限制。二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍。 Vin的选择应考虑交流电压最低跌落值(Vac-min)所对应的LM2576输入电压值及LM2576的最小输入允许电压值Vmin(以5V电压输出为例，该值为8V)，因此，Vin可依据下式计算: Vin?(220Vmin/Vac-min) 19 邵阳学院毕业设计(论文) 如果交流电压最低允许跌落30%(Vac-min=154V)、LM2576的电压输出为5V(Vmin=8V)，则当Vac=220V时，LM2576的输入直流电压应大于11.5V，通常可选为12V。 2.6.5 电源工作原理 整个电源电路如图2.24所示。接通电源后,220V交流电源经变压器T降压,1得到+12V的交流电压,再经过整流滤波电路，得到+12V的直流电压,又经稳压器LM2576输出+5V电压给单片机供电。 1+5VB1 T112V14+VINFEEDBA52ON+50UT3220V42CNDL1R17C2LM2576-5C1 D1 3 图2.24 电源电路图 20 邵阳学院毕业设计(论文) 第3章 系统组成及工作原理 3.1 系统组成 系统主要由由稳压电源、Z86E02单片机、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3.1所示 图3-1 豆浆机全自动控制电路图 3.2 系统工作原理 电路由Z86E02单片机控制,全自动制浆时,插上电源插头,接通电源。220V交流电源经变压器T1降压，得到+12V的电压，给继电器JM、JH和报警蜂鸣器B1供电。稳压器输出+5V电压给单片机。 Z86E02振荡频率为4MHz，有P、P、P三个输入输出端口。P口作为按0230键。P接加热键HEAT，P接全自动启动键START。键未按下时，P、P0.00.10.00.1分别由电阻R、R拉成为高电平(+5V)，当START键或HETA键按下时，P13140.0或P变为低电平,软件不断检测P和P电平，便知道哪个键被按下，执行相应0.10.00.1 的控制动作。 Z86E02的P输出报警信号，经三极管T放大，驱动蜂鸣器B报警。P2.4422.5输出加热信号，经三极管T放大，驱动继电器JH闭合，控制加热器R(HEAT)3 加热。P输出马达驱动信号，经三极管T放大，驱动继电器JM闭合，控制马达2.62 M运转。为了避免继电器开关断开时拉弧，分别在JH、JM开关两端并接RC吸收元件。 P口为输入口，内有两个模拟比较器，其中P为比较器的参考电压端，由R、33.311R对+5V分压提供，接比较器的反向输入端。P为缺水检测输入端，P为沸腾123.13.2溢出检测输入端，分别接比较器的正向输入端。 杯内加水不够时，PW没被水淹没，PW和PG之间电阻较大，这时单片机得 21 邵阳学院毕业设计(论文) 到高电平，加热器、马达均不工作。当水位正常时，控制电路控制豆浆机进行加热，当温度达到75度左右时，单线数字温度传感器DS1820,可把温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理。单片机控制停止加热，并输出马达驱动信号，经三极管放大，驱动继电器闭合，控制马达运转打浆;打浆电机按间歇方式打浆:运转20秒后停止转运，间歇10秒后再启动打浆电机，如此循环进行打浆,次。打浆结束后开始对豆浆加热，豆浆温度达到一定值时，豆浆上溢，泡沫淹没PF，和PG之间电阻小，单片机得到低电平，马上停止加热，间歇20秒后再开始加热，如此循环16次，豆浆加工完成，间歇10秒后发出音响信号。 第 4 章 程序设计 4.1 程序流图 主程序流图如图4.1所示。接上电源，蜂鸣器长鸣一声(滴――，约1秒钟)，提示已接通电源。调缺水检测子程序，若缺水，则急促报警(滴，滴„)，若有水，则检测全自动启动按键START是否按下，若按下，则处理START程序;若没按下，则检测加热键HEAT是否按下，若HEAT键按下，则处理HEAT程序，若没按下，则返回缺水检测程序，循环进行。 22 邵阳学院毕业设计(论文) 开始 上电报警 调测水程序 Y START键按调START程 下了吗, 序 N N Y 调HEAT程HEAT键按序 下了吗, 图4.1 主程序流图 全自动启动键START程序流程如图4.2所示。接通搅拌马达电源，运转20秒，停10秒，共5次，保证马达间歇工作。然后关闭马达，调缺水检测子程序，若缺水，则急促报警，关闭马达;若有水，加热器通电加热。检测是否沸腾溢出，若没有沸腾溢出，则返回缺水检测程序，若不缺水，继续加热;若沸腾溢出，溢出小于16次，则加热停止20秒，避免豆浆继续溢出;然后缺水检测程序，不缺水时，再加热。若沸腾溢出达到16次，即第一次沸腾后，间断地加热约5分钟，保证豆浆完全煮熟。最后发出“滴,，滴，滴”周期性柔和的双音报警，提示工作完毕，豆浆已做好。 23 邵阳学院毕业设计(论文) 马达运转20S停 10S，共5次 调检水程序 加热器通电 , 沸腾溢出吗 , , 关加溢出16次吗 热器 20S , 关加热器平缓 报警 图4.2 START程序流程图 加热键HEAT程序流程如图4.3所示，先调缺水检测程序，若缺水，则报警，关加热器;若有水，加热器通电加热，检测是否沸腾溢出。若没有沸腾溢出，则返回检测是否缺水，不缺水，继续加热;若沸腾溢出，然后发出“滴,，滴，滴”周期性的双音报警，提示加热完毕。 24 邵阳学院毕业设计(论文) 调检水程序 加热器通电 , 沸腾溢 出吗 , 关加热器平缓 报警 图,., HEAT程序流程图 4.2 程序设计 (1) 主程序: ORG 0000H AJMP MAIN ? ORP 200H MAIN: ORL P2.4, #03H MOV A， P2.4 LCALL AD ;调测水程序 JC START ; 判断START按下了吗? JNZ START ;有键按下 LCALL START ;调START程序 JC HEAT ; 判断HEAT按下了吗? JNZ HEAT ;有键按下 LCALL HEAT ; 调HEAT程序 SJMP MAIN 25 邵阳学院毕业设计(论文) (2) START子程序: START:MOV A, START LCALL D20S ;调运转20S子程序 LCALL D10S ;调停10S子程序 LCALL FLASA5 ;调5次子程序 LCALL AD ;调测水程序 MOV A, P2.5 JC K ;判断沸腾溢出 JNZ K ;有沸腾溢出则转移 LCALL AD LCALL FLASA16 ;调沸腾溢出16次子程序 JC FLASA16 ;判断有16次了吗? JNZ FLASA16 ;有16次则转移 MOV IE , P2.5 ;关加热器 LCALL DELAY ;调加热器子程序 MOV IE, P2.5 JNB FH, TT ;等待20S DJN 20H, TT ;判20S定时到否 SETB FH ;20S到标志 LCALL AD (3) HEAT子程序: HEAT:MOV A, HEAT LCALL AD ;调检水程序 MOV A, P2.5 JC K ;判断沸腾溢出 JNZ K ;有沸腾溢出则转移 MOV IE, P2.5 MOV A, P2.4 LCALL AD ;没沸腾溢出则调检水程序 26 邵阳学院毕业设计(论文) 第 5 章 产品制作与调试 5.1 PCB板设计 印刷电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支掌件。它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展，PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。 要使电子电路获得最佳性能，元器件的布局及导线的布设很重要。为了设计质量好、造价低的PCB，应遵循以下的一般性原则。 (1) 布局 首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加;尺寸过小时，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。 在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则: ? 尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。 ? 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 ? 重量超过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。 ? 对于电位器、可调电感器、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便调节的地方;若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。 ? 应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。 根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则: ? 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。 ? 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、 27 邵阳学院毕业设计(论文) 紧凑地排列在PCB板上。尽量减少和缩短各个元器件之间的引线和连接。 ? 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但壮观，而且装焊容易，易于批量生产。 ? 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形，长度比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200mm×150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。 (2) 布线 布线应遵循以下原则: ? 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈耦合。 ? 印制板导线的最小宽度主要，由导线与绝缘基板间的黏附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.5mm、宽度为1,15mm时，通过2A的电流，温度不会高于3?。因此，导线宽度为1.5mm可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.02,0.3mm导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小于5,8mil。 ? 印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，应尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状。这样利于排除铜箔与基板间黏合剂受热产生的挥发性气体。 (3) PCB及电路抗干扰措施 ? 电源线设计 根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。 ? 地线设计 ?正确选择单点接地与多点接地 ?数字地与模拟地分开 ?接地线应尽量加粗 ?接地线构成闭环路 ? 退耦电容配置 28 邵阳学院毕业设计(论文) ?电源输入端跨接10,100uF的电解电容器。如有可能，接100uF以上的电容更好。 ?原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01F的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，P 可每个4,8个芯片布置一个1,10F的钽电容。 P ?对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接入退耦电容。 ?电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。 ?在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生;较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1,2KΩ，C取2.2,47uF。 ?CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。 5.2 元器件检测与元器件项目表 5.2.1 元器件检测 (1)电容的检测: ? 万用表电阻挡的正确选择 因为电解电容的容量较一般固定电容大得多，所以，应针对不同容量选用合适的量程。根据经验，一般情况下，1~47UF间的电容，可用R*1K挡测量，大于47UF的电容可以用R*100挡测量。 ? 测量漏电阻 将万用表红表笔接负极，黑表笔接正极。要刚接触的瞬间，万用表指针即向右偏转较大幅度(对于同一电阻挡，容量越大，摆幅越大)，接着逐渐向左回转，直到停在某一位置。然后，将红黑表笔对调，万用表指针将重复上述摆动现象。但此时所测阻值为电解电容的反向漏电阻，此值略小于正向漏电阻。即反向漏电流比正向漏电流要大。实际使用经验表明，电解电容的漏电阻一般应在几百K欧姆以上，否则，将不能正常工作。在测试中，若正向反向均无充电现象，即指针不动，则说明容量消失或内部短路，如果所测阻值很小或为零，说明电容漏电大或已击穿损坏，不能再使用。 ? 极性判别 对于正负极标志不明的电解电容器，可利用上述测量漏电阻的方法加以判别。即 29 邵阳学院毕业设计(论文) 先任意测一下漏电阻，记住其大小，然后交换表笔再测出一个阻值。两次测量中阻值朋的那一次便是正向接法，即，黑表笔接的是正极，红表笔接的是负极。 (2)普通二极管的检测 (包括检波二极管、整流二极管、阻尼二极管、开关二极管、续流二极管)是由一个PN结构成的半导体器件，具有单向导电特性。通过用万用表检测其正、反向电阻值，可以判别出二极管的电极，还可估测出二极管是否损坏。 ? 极性的判别 将万用表置于R×100档或R×1k档，两表笔分别接二极管的两个电极，测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。两次测量的结果中，有一次测量出的阻值较大(为反向电阻)，一次测量出的阻值较小(为正向电阻)。在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极。 ? 单负导电性能的检测及好坏的判断 通常，锗材料二极管的正向电阻值为1kΩ左右，反向电阻值为300左右。硅材料二极管的电阻值为5 kΩ左右，反向电阻值为?(无穷大)。正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。正、反向电阻值相差越悬殊，说明二极管的单向导电特性越好。 若测得二极管的正、反向电阻值均接近0或阻值较小，则说明该二极管内部已击穿短路或漏电损坏。若测得二极管的正、反向电阻值均为无穷大，则说明该二极管已开路损坏。 ? 反向击穿电压的检测 二极管反向击穿电压(耐压值)可以用晶体管直流参数测试表测量。其方法是:测量二极管时，应将测试表的“NPN/PNP”选择键设置为NPN状态，再将被测二极管的正极接测试表的“C”插孔内，负极插入测试表的“e”插孔，然后按下“V(BR)”键，测试表即可指示出二极管的反向击穿电压值 (1)电阻器的检测。 ? 将两表笔(不分正负)分别与电阻的两端引脚相接即可测出实际电阻值。为了提高测量精度，应根据被测电阻标称值的大小来选择量程。由于欧姆挡刻度的非线性关系，它的中间一段分度较为精细，因此应使指针指示值尽可能落到刻度的中段位置，即全刻度起始的20,,80,弧度范围内，以使测量更准确。根据电阻误差等级不同。读数与标称阻值之间分别允许有?5,、?10,或?20,的误差。如不相符，超出误差范围，则说明该电阻值变值了。 ? 注意:测试时，特别是在测几十kΩ以上阻值的电阻时，手不要触及表笔和电阻的导电部分;被检测的电阻从电路中焊下来，至少要焊开一个头，以免电路中的其他 30 邵阳学院毕业设计(论文) 元件对测试产生影响，造成测量误差;色环电阻的阻值虽然能以色环标志来确定，但 在使用时最好还是用万用表测试一下其实际阻值 5.2.2元器件项目表 名称 个数 数值 变压器 1个 继电器 2个 三极管 3个 喇叭 1个 稳压块(LM2576) 1个 电解电容 2个 CA-2F P 马达 1个 100W 加热丝 1个 800W 晶振 1个 4M Z单片机(Z86E02) 1个 整流器 1个 2个 CD-47uF 电容 2个 CD-100uF 4个 CD-470u 2个 100Ω 8个 1000Ω 电阻 2个 500Ω 4个 470Ω 2个 200Ω 二极管(NP) 3个 发光二极管 1个 电感器 1个 5uH 传感器(DS1820) 1个 碳膜敏湿敏传感器 2个 开关 2个 5.3 产品安装 制造电子产品,可靠与安全是两个很重要因素，而零件的安装对于保证产品的安 31 邵阳学院毕业设计(论文) 全可靠是至关紧要的。任何疏忽都可能造成整机工作失常，甚至导致更为严重的后果。 (1) 安装的基本要求 ? 保证导通与绝缘的电气性能 电气连接的通与断，是安装的核心。这里所说的通与断，不仅是在安装以后简单地使用万用表测试的结果，而且要考虑在震动、长期工作、温度、湿度等自条件变化的环境中，都能保证通者恒通、断者恒断。 ? 保证机械强度 电子产品在使用的过程中，不可避免地需要运输和搬动，会发生各种有意或无意的震动、冲击，如果机械安装不够牢固，电气连接不够可靠，都有可能因为加速运动的瞬间受力使安装受到损害。 ? 保证传热的要求 即要保证绝缘的要求，又不能影响散热的效果，即希望导热而不导电。 ? 安装时接地与屏蔽要充分利用 接地与屏蔽的目的:一是消除外界对产品的电磁干扰，二是消除产品对外界的电磁干扰，三是减少产品内部的相互电磁干扰。接地与屏蔽在设计中要认真考虑，在实际安装中更要高度重视。一台电子设备可能在实验室工作很正常，但到工业现场工作时，各种干扰可能就会出现，有时甚至不能正常工作，这绝大多数是由于接地、屏蔽设计安装不合理所致。 (2) 印制电路板上元器件的安装 ? 元器件引线的弯曲成形 为使元器件在印制板上的装配排列整齐并便于焊接，在安装前通常采用手工或专用机械把元器件引线弯曲成一定的形状。 ?引线弯曲的最小半径不得小于引线直径的2倍，不能“打死弯”。 ?引线弯曲处距离元器件本体至少在2mm以上，绝对不能从引线的根部开始弯折。 ? 元器件的插装 ?装配时，应该先安装那些需要机械固定的元器件，然后再安装靠焊接固定的 元器件。 ?各种元器件的安装，应该使它们的标记朝上或朝着易于辨认的方向，并注意 32 邵阳学院毕业设计(论文) 标记的读数方向一致。 ?当元器件在印制板上立式装配时，单位面积上容纳元器件的数量较多，适合 于机壳内空间较小、元器件紧凑密集的产品。 ?在非专业化条件下批量制作电子产品的时候，通常是安装元器件与焊接同步 进行操作。 5.4 产品调试 ? 在整机通电调试之前,各部件应该先通过装配检验和分别调试 ? 检查确认产品的供电系统(如电源电路)的开关处于“关”的位置，用万用表等仪表判断并确认电源输入端无短跑或输入阻抗正常，然后顺序接上地线和电源线，插好电源插头，打开电源开关通电。接通电源后，此时要观察电源指示灯是否点亮，注意有无异样气体，产品中是否有冒烟;对于低压直流供电的产品，可以用手摸一下有无温度超常。如有这些现象，说明产品内部电路存在短跑，必须立即关断电源检查故障。如果看来正常，可以用仪器仪表(万用表或示波器)检查供电系统的电压和纹波。 ? 按照电路的功能模块，根据调试的方便，从前往后或者从后往前地依次把它们接通电源，分别测量各电路的工作点和其他工作状态。 ? 当各级各块电路调试完成以后，把它们连接起来，测试相互之间的影响，排除影响性能的不利因素。 ? 如果调试高频部件，要采取屏蔽措施，防止工业干扰或其他强电磁场的干扰。 ? 测试整机的消耗电流和功率。 ? 对产品进行老化和环境试验。 33 邵阳学院毕业设计(论文) 结 论 本单片机控制系统具有下列特点:1)抗干扰能力强。在硬件上，用继电器隔离强电和弱电;为了避免加热器感应电对缺水检测和沸腾溢出检测的干扰，参考地电极P不直接接地，而是经R(100Ω)接地。软件上，加看门狗。2)安全可靠。为G10 了防止加热器干热，在主程序和子程序中，不断检测是否缺水，一旦缺水，关闭马达或加热器，并发出急促的“滴，滴„”报警声。硬件也有安全设计。3)报警程序为多警声输出，接通电源时，发出“滴„，滴，滴”，便于区分工作状态。 经反复测试表明,该家用豆浆机使用方便。它能够对按键操作命令和无水干烧、加热溢出等现象实时做出判断和响应，整个工作过程流畅顺利，它的运行达到了最初的设计要求。由于整个工作过程完全采用程序控制,可根据不同的硬件和要求,很容易通过调整相关的指令和时间常数等,实现最佳的运行效果。 34 邵阳学院毕业设计(论文) 参 考 文 献 [1] 薛永毅等.新型电源电路应用实例.北京:电子工业出版社,2002 [2] 王化祥，张淑英编著.传感器原理及应用.天津:天津大学出版社,1992 [3] 刘迎春著.传感器原理、设计与应用.长沙:国防科技大学出版社,1991 [4] 汤元信，亓学广，刘元法等编著.电子工艺及电子工程设计.北京航空航天大学出版 社,1999年 [5] 胡汉才编著.单片机原理及接口技术.北京:清华大学出版社,1996 [6] 丁志刚,李刚民编.单片微型计算机原理与应用.北京:电子工业出版社,1990.5 [7] 林克明,石昭祥.Z8高性能单片微机原理与应用.中国科学技术出版社,1994 [8] 李朝清.单片机原理及接口技术[M].北京航空航天大学出版社,1996 [9] 何立民.单片机应用文集[M].北京:北京航空航天大学出版社,1991 [10] 陈家胜.太阳能热水器辅助加热控制器的研制[J].电子技术,2000,10 [11] 申 军.微机应用系统抗干扰方法的探讨[A].中国自动化学会第十一届青年学术年会 论文集[C],1996 35 邵阳学院毕业设计(论文) 致 谢 在本次毕业设计过程中得到了刘老师的悉心指导，刘老师工作认真负责的态度，治学严谨的作风给我留下了深刻的印象。在家用豆浆机全自动控制电路设计上给我指导，才能顺利完成论文设计。通过毕业设计，使我对电子产品的设计思路有了一定的了解。在这次设计中，使自己多年来所学的理论知识与实践做到有机结合，进一步深化巩固自己所学的理论知识。当然在设计过程中，还存在不少的问题，其主要上自己对大学三年所学的知识掌握不是十分牢固，这给设计带来一定的困难。更重要的是重新认识了自己，兵书上说，知己知彼，百战不殆，可见一个连自己都不了解的人，将来如何适应社会，大学就如同一个练钢炉，铁在炉子里面是不断降低碳元素的百分比，当它出炉的时候我们不再称呼它为铁，而是钢。我们在里面也正是剔除杂质，重新认识自己和完善自己的过程，当我们离开校园的时候也是我们出炉的时刻。这个过程是苦的，只要我们坚持下去说不定也会成为特种钢，苏轼也曾说，古之成大事者，不惟有超世之才，亦有坚忍不拔之志。老师在这个过程中充当了练钢师的角色，发挥着无与伦比的作用，感谢老师大学三年来对我的教导和这次对我的毕业设计的指导。本次设计由于在刘先任老师的精心指导下和其他同学的帮助下，得以圆满完成。在此，我特向他们表示衷心的感谢。 36 邵阳学院毕业设计(论文) 附录一 主电路电气原理图 附录二 PCB板布局图 37 邵阳学院毕业设计(论文) 附录三 PCB板图 38 邵阳学院毕业设计(论文) 附录四 PCB板装配图 39 邵阳学院毕业设计(论文) 40