智能定時遙控多功能豆?jié){機的系統(tǒng)設(shè)計

1、四川師范大學(xué)成都學(xué)院程控交換課程設(shè)計智能定時遙控多功能豆?jié){機的系統(tǒng)設(shè)計前言豆?jié){機是一種新型的家用飲料機。傳統(tǒng)的豆?jié){機需每天早上將前一晚浸泡好的豆子放進豆?jié){機，然后等待至少十幾分鐘才能喝到豆?jié){，而且打制過程中如果缺水還需手動加水，使用起來頗為麻煩。據(jù)專家介紹，在豆?jié){里含有多種優(yōu)質(zhì)蛋白、多種維生素、多種人體必須的氨基酸和多種微量元素等。無論成年人、老年人和兒童，只要堅持飲用，對于提高體質(zhì)、預(yù)防和治療病癥，都大有益處。春秋飲豆?jié){，滋陰潤燥，調(diào)和陰陽；夏飲豆?jié){，消熱防暑，生津解渴；冬飲豆?jié){，祛寒暖胃，滋養(yǎng)進補。本設(shè)計設(shè)計了一種智能定時遙控多功能豆?jié){機，只要在前一天晚上把洗好的干豆放進豆?jié){機，進行定時，

2、早上起來就可以喝到鮮美可口的豆?jié){，實現(xiàn)了從浸泡干豆到豆?jié){煮熟的全自動過程。此外，還可以使用遙控器實現(xiàn)定時、單獨打漿、加熱、自動加水、粉碎等其它功能，同時遙控器上可以顯示室內(nèi)溫度、時間、年、月、日、星期等信息。 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計 1.1 主機硬件設(shè)計 主機部分由穩(wěn)壓電源、HT46R65單片機、鍵盤輸入電路、顯示電路、缺水檢測電路、自動加水電路、電機控制電路、加熱控制電路、小功率加熱電路、測溢出檢測電路(沸騰檢測電路)、82度檢測電路、紅外接收電路、報警指示電路等組成。主機的硬件框圖如圖1.1-1所。鍵盤顯示電路實時時鐘自動加水電路缺水檢測電路電機控制電路小功率加熱電路82度檢測電路溢出檢測電路加

3、熱控制電路紅外線接收電路報警指示電路HT46R56圖1.1-1 主機的硬件框圖1.1.1 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計穩(wěn)壓電源電路主要由降壓變壓器T1、整流橋D1、濾波電容C2、C3、C4、C5以及+5V三端穩(wěn)壓塊7805組成。穩(wěn)壓電源電路將220V電源轉(zhuǎn)變成繼電器控制電源12V和系統(tǒng)5V供電，穩(wěn)壓電源電路原理圖如圖1.1.1-1所示。圖1.1.1-1 穩(wěn)壓電源電路原理圖盛群半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的A/D+LCD型8位HT46R65單片機是一種高效、高性能的RISC結(jié)構(gòu)單片機。除了具有暫停、喚醒功能、集成定時器功能、振蕩器選擇和可編程分頻器等特性以外，HT46R65還具有脈寬調(diào)制輸出，增加了使用靈活性，這些特性同

4、時也保證了在實際應(yīng)用時僅需極少的外部器件，從而降低了整個產(chǎn)品的成本。在主機中選用HT46R65單片機是因為它具有蜂鳴器及看門狗功能，更重要的是預(yù)分頻器(Prescaler)可以實現(xiàn)1到128的分頻，此外，還有內(nèi)部LCD信號產(chǎn)生電路及多種掩膜選項，可自動產(chǎn)生時間與增益可變的信號直接驅(qū)動LCD，與用戶接口的連接也十分簡單。1.1.2 鍵盤輸入電路設(shè)計 鍵盤輸入電路由四個按鍵組成，分別是定時、小時和分鐘加、小時和分鐘減、全自動工作；最大定時時間為24小時，已經(jīng)足夠滿足要求。 顯示電路中的LCD是專門定制的，可以直接與HT46R65的SEGMENT和COM口相連，并可以直接驅(qū)動，使用起來非常方便，編程

5、也很簡單。本系統(tǒng)中定制的LCD液晶顯示屏用4位顯示定時的小時和分鐘。液晶屏有12個引腳，各引腳如表1.1.2-1所示。 表1.1.2-1 引腳表PIN123456789101112COM1COM1A1E1A2E2E3A3A4E4COM2COM2B1F1B2F2F3B3B4F4COM3COM3C1G1C2G2G3C3C4G4COM4COM4D1DOTD2D3D41.1.3 液晶屏的程序這個液晶屏的5到12引腳連接的是SEG16到SEG23，1到4引腳連接的是COM0到COM4，數(shù)據(jù)讀取或?qū)懭氲刂贩秶鸀?0H到57H，具體編程方法非常簡單，如果將顯示初始化為0000，程序如下： void lcd_

6、init() unsigned int i; _bp=0x01; _mp1=0x50; for(i=0;i<8;i+) _iar1=0x0f; _mp1+; 1.1.4 檢測電路設(shè)計圖1.1.4-1 缺水檢測電路 、 溢出檢測電路 、 82度檢測電路 缺水檢測電路如圖1.1.4-1所示主要是用來檢測是否缺水，防止干燒，如果檢測到缺水則可以自動加水。不缺水時PA6輸入為低電平，缺水的時候為高電平。水位情況檢測反饋路徑為：加熱管外殼(接線路板地)水電極R22PA6，當(dāng)容器內(nèi)無水或水量低于水位線，即水浸不到電極時，PA6為高電平，然后自動加水；當(dāng)容器內(nèi)水量達到水位線時(即水量浸到電極時)，PA

7、6為低電平，PA2輸出高電平，Q2飽和導(dǎo)通，繼電器K2吸合，加熱管正常加熱。 溢出檢測電路如圖1.1.4-1所示主要是用來防止?jié){沫溢出。漿溢情況檢測反饋路徑為：加熱管外殼(接線路板地)豆?jié){及漿沫防溢電極R23PA7，當(dāng)豆?jié){沸騰泡沫向上溢時，防溢檢測電極接觸到泡沫漿液，使PA7由高電平變?yōu)榈碗娖?，PA2輸出低電平，Q2截止，繼電器K2不吸合，加熱管停止加熱。當(dāng)泡沫下落后，PA7變?yōu)楦唠娖?，PA2輸出高電平，Q2飽和導(dǎo)通，繼電器K2吸合，加熱管正常加熱，不斷反復(fù)進行防溢延煮. 82度檢測電路如圖1.1.4-1所示是通過一個比較器電路來實現(xiàn)的。比較器電路由雙運放LM358和電阻、電容、穩(wěn)壓管組成，L

8、M358采用12V供電，當(dāng)LM358的負輸入端電壓高于正輸入端電壓時，輸出為低電平，穩(wěn)壓管Z_D1截止，PD1輸入為低電平；當(dāng)LM358的負輸入端電壓低于正輸入端電壓時，輸出為1011V的電壓，此時穩(wěn)壓管Z_D1導(dǎo)通，PD1輸入為高電平(4.3V)。 1.1.5 熱敏電阻和電壓負端輸入電壓隨熱敏電阻R26阻值的變化而變化。負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻R26是采用單一高純度材料、具有接近理論密度結(jié)構(gòu)的高性能陶瓷，它最基本的性質(zhì)就是電阻值隨溫度上升而下降。電阻變化與溫度變化的具體關(guān)系如式1所示：R1=R0*expB*(1/T1-1/T0)。其中，R0和R1為電阻值，T0和T1為絕對溫度，B值是一個

9、表征NTC的電阻值與絕對溫度的關(guān)系的常數(shù)。熱敏電阻的B值并非是恒定的，其大小因材料構(gòu)成而異，最大甚至可達5K/°C，因此在較大的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用式1時，將會與實測值之間存在一定誤差。本系統(tǒng)中使用的NTC熱敏電阻的參數(shù)為：25°C時的阻值為22K，B值為4200，代入式1可以求得R1為2.2K時的溫度為82°C。當(dāng)溫度小于82°C時，熱敏電阻的阻值大于2.2K，此時負端輸入電壓低于正端輸入電壓，輸出為高電平，當(dāng)溫度高于82°C時，熱敏電阻的阻值小于2.2K，此時負端輸入電壓高于正端輸入電壓，輸出為低電平，停止加熱，開始打漿。紅外接收電路圖如圖1.1

10、.5-1所示可使用一種集成了紅外接收和放大的一體化紅外線接收器，該器件無需任何其它外接元件就能完成從紅外線接收到輸出TTL電平信號兼容的所有工作，而體積僅與普通塑封三極管一樣大，適合于各種紅外線遙控和紅外線數(shù)據(jù)傳輸。接收器對外只有3個引腳：Out、Gnd、Vcc與單片機接口非常方便。 圖1.1.5-1 紅外接收脈沖信號輸出口，直接接單片機的I/O口，即接PD5引腳； Gnd接主控器的地線； Vcc接主控器的電源正極(+5V)； 1.2 遙控器硬件設(shè)計 遙控器部分包括電源(由電池供電)、時鐘電路、溫度傳感器、鍵盤輸入電路、顯示電路、紅外發(fā)射電路等。遙控器由三節(jié)電池(4.5V)供電。 鍵盤輸入電路

11、由21個按鍵組成，其中09十個數(shù)字和定時鍵用來設(shè)定豆?jié){機的定時時間。AUTO、HEAT、MILL、WATER按鍵可以對豆?jié){機進行單獨操作，分別實現(xiàn)全自動工作、加熱、粉碎、自動加水功能。Enter、Up、Down、Right、Left等五個按鍵用來設(shè)定時鐘的時間。 1.2.1 紅外發(fā)射電路紅外發(fā)射電路如圖1.2.1-1 紅外發(fā)射電路所示，發(fā)射電路連接的是PC7引腳，載波頻率為40kHz，通過編程使PC7口產(chǎn)生一個周期性的紅外載波輸出，根據(jù)不同的編碼規(guī)則，可以更改輸出周期，從而達到數(shù)字信號傳輸?shù)墓δ堋?圖1.2.1-1 紅外發(fā)射電路1.2.2 數(shù)據(jù)傳送協(xié)議和時序在本系統(tǒng)中，用HT48R70A實現(xiàn)I

12、R的發(fā)射，用HT46R56實現(xiàn)IR的接收，其編碼方式為：1位啟始信號+8位數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)傳送協(xié)議和時序圖如1.2.2-1所示。 圖1.2.2-1 數(shù)據(jù)傳送協(xié)議和時序圖液晶模塊采用的是金鵬電子公司的OCM1286-5系列，這是一款128×6點陣型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖形，可與CPU直接連接，具有八位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線、6條控制線及電源線，采用KS0108控制IC。 時鐘芯片采用DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片，內(nèi)含一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、日、月、年、星期信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可以自動調(diào)整。溫度傳感器采用DALLAS公司的

13、數(shù)字溫度傳感器18B20，可提供9位到12位(二進制)溫度讀數(shù)，指示器件的溫度，CPU通過一條連線與18B20通信，可以顯示從-55度到+125度的溫度范圍，使用起來非常方便，且價格也很便宜。1.3 電源電路的設(shè)計電源是各種電子設(shè)備必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠的工作。1.3.1 電源的作用及組成電源的作用各種電子電路都要求用穩(wěn)定的直流電源供電，由整流濾波器電路可輸出較為平滑的直流電壓，但當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負載改變時，將會引起輸出端電壓改變而不穩(wěn)定，為了獲得穩(wěn)定的輸出電壓，濾波電路的輸出電壓還應(yīng)經(jīng)穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓。電源的組成電源由電源變壓器、整流電路、

14、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成。穩(wěn)壓電源的組成方框圖如圖1.3.1-1所示：電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電源圖1.3.1-1 穩(wěn)壓電源組成方框圖1.3.2 電源技術(shù)指標(biāo) 輸入電壓 AC 220V 輸出電壓 DC 5V 輸出電流 I0 1A1.3.3 電源工作原理整個電源電路如圖1.3.3-1所示。接通電源后，220V交流電源變壓器T1降壓，得到+12V的交流電壓，再經(jīng)過整流濾波電路，得到+12V的直流電壓，又經(jīng)穩(wěn)壓器LM2576輸出+5V電壓給單片機供電。圖1.3.3-1 電源電路圖1.4 穩(wěn)壓器的選用嵌入式控制系統(tǒng)的MCU一般都需要一個穩(wěn)定的工作電壓才能工作。而設(shè)計者多習(xí)慣采用線性穩(wěn)壓器件（如78

15、xx系列三端穩(wěn)壓器件）作為電壓調(diào)節(jié)和穩(wěn)壓器件來將較高的直流電壓轉(zhuǎn)變MCU所需的工作電壓。這種線性穩(wěn)壓電源的線性調(diào)整工作方式在工作中會大的“熱損失”，其工作效率僅為30%50%。加之工作在高粉塵等惡劣環(huán)境下往往將嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)置于密封容器內(nèi)的聚焦也加劇了MCU的惡劣工況，從而使嵌入式控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性變得更差。而開關(guān)電源調(diào)節(jié)器則以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作。因此開關(guān)穩(wěn)壓電源的功耗極低，其平均工作效率可達70%90%。在相同電壓降的條件下，開關(guān)電源調(diào)節(jié)器件與線性穩(wěn)壓器件相比具有少得多的“熱損失”。開關(guān)穩(wěn)壓電源可大大減少散熱片的體積和PCB板的面積，甚至在大多數(shù)情況下不需要假裝散熱片，從而減少了對M

16、CU工作環(huán)境的有害影響。采用開關(guān)穩(wěn)壓電源來替代線性穩(wěn)壓電源作為MCU電源的另一個優(yōu)勢是：開關(guān)管的高頻通斷特性以及串聯(lián)濾波電感的使用對來自于電源的高頻干擾具有較強的抑制作用。此外，由于開關(guān)穩(wěn)壓電源“熱損失”的減少，設(shè)計時還可提高穩(wěn)壓電源的輸入電壓，這有助于提高交流電壓抗跌落干擾的能力。LM2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是線性三端穩(wěn)壓器件的替代品，它具有可靠的工作性能、較高的工作效率和較強的輸出電流驅(qū)動能力，從而為MCU的穩(wěn)定、可靠工作提供了強有力的保證。1.5 傳感器的設(shè)計與選用1.5.1 傳感器的工作原理 金屬導(dǎo)電是靠自由電子在電場作用下作定向運動，當(dāng)溫度升高時，自由電子的數(shù)目基本不增加，只有自

17、由電子雜亂無章的動能增加了。因此，在一定電場作用下，使自由電子做定向運動就會遇到更大的阻力，即電阻值增加了，而半導(dǎo)體參加導(dǎo)電的是載流子，由于半導(dǎo)體中的載流子數(shù)目要比原子的數(shù)目少幾十倍到幾百倍，所以在一般情況下它的電阻值很大。當(dāng)溫度升高時，半導(dǎo)體中更多的價電子獲得熱能而激發(fā)，掙脫核束縛成為載流子，因而參加導(dǎo)電的載流子數(shù)目增加了，所以，半導(dǎo)體的電阻值隨溫度升高而急劇減小，且按指數(shù)規(guī)律下降，呈非線性。1.5.2傳感器的作用與組成傳感器由敏感元件、傳感元件、測量電路和輔助電源四部分組成，如圖1.5.2-1所示。被測非電量敏感元件傳感元件測量電路電量輔助電源圖1.5.2-1 傳感器組成方框圖在工業(yè)生產(chǎn)自

18、動化過程中，檢測、堅實和控制溫度、壓力、流量、液位、PH等參數(shù)，以便設(shè)備工作在最佳狀態(tài)，成本消耗最低，產(chǎn)品質(zhì)量最高，同時，在生產(chǎn)過程中將各個環(huán)節(jié)的參數(shù)轉(zhuǎn)為電信號，并與計算機接口，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。家用豆?jié){機的串勵電機工作轉(zhuǎn)速可達到12Kr/S左右，大約一分鐘時間便可將豆粒徹底粉碎。但由于該電機不可長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)，為了提高工作效率，粉碎前需要將水溫加熱到75度左右，所以需要設(shè)計傳感器來做測溫計。2 報警電路設(shè)計2.1 報警電路的作用 報警電路的作用是通過蜂鳴器發(fā)出聲音信號，提醒主人都將已經(jīng)煮好了。2.2 報警電路的設(shè)計 聲音信號電流從單片機的P2.4腳輸入到三極管T4，使功率放大，以驅(qū)動蜂鳴器B2

19、發(fā)出聲音。報警電路如圖2.2-1所示：圖2.2-1 報警電路圖2.3 報警電路的工作原理報警電路由單片機Z86E02、電阻R4、三極管T4與蜂鳴器B2組成。通過事先編寫的程序，在單片機的控制下，系統(tǒng)開始工作，當(dāng)加熱完成后，單片機P2.4交自動輸出一個高電平，通過電阻R4使三極管T4飽和導(dǎo)通，于是蜂鳴器B2發(fā)出報警聲音，提醒主人加熱完成。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計包括主機軟件部分和遙控器軟件部分。3.1 遙控器主要程序流程圖遙控器主要程序流程圖如圖3.1-1所示。是否有時鐘鍵按下？開始系統(tǒng)初始化顯示不變的內(nèi)容顯示變化的內(nèi)容時間和溫度 N 調(diào)整時鐘 Y 是否有紅外發(fā)送鍵按下？ Y N紅外發(fā)送結(jié)

20、束 圖3.1-1 遙控器主要程序流程圖3.2 主機主要程序流程圖主機主要程序流程圖如圖3.2-1時間到？開始初始化鍵盤掃描、紅外接收（設(shè)定定時時間） N缺水檢測 Y 自動加水 Y N加熱到82度 電機運轉(zhuǎn)15s，加熱15s，共4次加熱器工作沸騰溢出 N Y停止加熱10s溢出少于10次 Y N關(guān)加熱器 啟動報警器保溫結(jié)束圖3.2-1 主機主要程序流程圖4 結(jié)束語本系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)完成，系統(tǒng)能穩(wěn)定、可靠的完成全自動工作、單獨打漿、單獨加熱、單獨粉碎、自動加水等各種功能，并有使用方便等優(yōu)點。在此次家用豆?jié){機全自動控制裝置的畢業(yè)設(shè)計中，用到了電路原理、模擬電子技術(shù)以及單片機相關(guān)的知識，很好的把大學(xué)學(xué)到的

21、理論知識轉(zhuǎn)換到實踐動手能力上。經(jīng)過多次反復(fù)測試表明，這款豆?jié){機使用方便，它能夠?qū)Π存I操作命令和無水干燒、加熱溢出等現(xiàn)象實時做出判斷和響應(yīng)，整個工作過程流暢順利，它的運行達到了最初的設(shè)計要求。由于整個工作過程完全采用程序控制，可根據(jù)不同的硬件和要求，很容易通過調(diào)整相關(guān)的指令和時間常數(shù)等，實現(xiàn)最佳的運行效果。在這次設(shè)計中，很好的把我大學(xué)學(xué)到的知識運用到實物中，提高了自己的動手動腦能力，以及應(yīng)變突發(fā)狀況的處理能力。與此同時也使自己的不足凸顯出來，大學(xué)學(xué)的理論知識不夠扎實導(dǎo)致運用到實踐中時不太靈活，而平時很少的動手實踐也常常導(dǎo)致在設(shè)計中不知所措。 此次課程設(shè)計我們在孫活老師的指導(dǎo)下獨立進行查閱資料，設(shè)

22、計方案，設(shè)計電路與編寫工作重新等，并寫出課程設(shè)計報告。這次課程設(shè)計提高了我的科學(xué)實驗?zāi)芰瓦壿媱?chuàng)新能力，為以后從事電子電路方面的設(shè)計，研制電子產(chǎn)品打下良好的基礎(chǔ)。通過這次課程設(shè)計我也發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，有許多知識漏洞，看到了自己的實踐經(jīng)驗好事比較缺乏的，理論聯(lián)系實踐方面還急需提高。在此我特別要感謝我的指導(dǎo)老師們孫老師和段老師對我們的指導(dǎo)，我還要感謝在我遇到困惑時給予我?guī)椭耐瑢W(xué)們。在老師們和我們的共同努力下，我們才能順利的完成此次課程設(shè)計。在以后的工作和學(xué)習(xí)中，我會更加的努力學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮自己的特長。對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。附錄：主程序ORG 0000HAJMP M

23、AINORP 200HMAIN:ORL P2.4， #03H MOV A, P2.4 LCALL AD ;調(diào)整水程序 JC START ;判斷START按下了嗎 JNZ START ;有鍵按下 LCALL START ;調(diào)START程序 JC HEAT ;判斷HEAT按下了嗎 JNZ HEAT ;有鍵按下 LCALL HEAT ;調(diào)HEAT程序 SJMP MAINSTART子程序START:MOV A, START LCALL D20S ;調(diào)運轉(zhuǎn)20S子程序LCALL D10S ;調(diào)停10S子程序LCALL FLASA5 ;調(diào)5次子程序LCALL AD ;調(diào)測水程序MOV A, P2.5JC

24、K ;判斷沸騰溢出JNZ K ;有沸騰溢出則轉(zhuǎn)移LCALL ADLCALL FLASA16 ;調(diào)沸騰溢出16次子程序JC FLASA16 ;判斷有16次了嗎JNZ FLASA16 ;有16次則轉(zhuǎn)移MOV IE, P2.5 ;關(guān)加熱器LCALL DELAY ;調(diào)加熱器子程序MOV IE, P2.5JNB FH,TT ;等待20SDJN 20H, TT ;判斷20S定時到了嗎SETB FH ;20S到標(biāo)志LCALL ADHEAT子程序：HEAT: MOV A, HEAT LCALL AD ;調(diào)檢水程序MOV A, P2.5JC K ;判斷沸騰溢出JNZ K ;有沸騰溢出則轉(zhuǎn)移MOV IE, P2.5MOV A, P2.4LCALL AD ;沒沸騰溢出則調(diào)檢水程序參考文獻：1 謝志萍