智能豆浆机设计毕业设计(论文)

摘要

由于传统豆浆制作时间长，所以设计一款智能豆浆机是非常有必要的。本设计是基于MCS- 51 单片机的智能豆浆控制系统，主要由温度传感器、防溢防干烧电路、打浆电路、加热电路、报警电路等组成。生产过程打浆前进行预热可以缩短煮浆时间，防止煮浆过程过长而造成的糊锅现象，这样大大提高了工作效率，能在短短十多分钟内为你送上一杯美味可口的豆浆，既方便快捷又安全可靠。

关键词：豆浆机，MCS- 51，控制系统

A B S T R A C T

Due to the long tradition of milk production time, so the design of a smart Soymilk is very necessary. This design is based on the MCS-51 microcontroller smart milk control system, mainly by the temperature sensor, spill-proof anti-dry circuit, beating the circuit, heating circuit, alarm circuit. Beating the production process before preheating can shorten cooking time to prevent the paste pot boiling syrup phenomenon caused l on g pr o ce s s, thereby gr e atly enhanci n g the effi c ie n c y, in just t e n m inutes can s e nd you a gla s s of deli c ious milk bot h c onveni e nt a n d secure.

Keywor ds：Soymilk, MCS-51, Control systems

目录

摘要 (1)

ABSTRACT....................................................................................................................................................................................................... I I I 第 1 章引言 . (1)

1. 1 绪论 (1)

1. 2 设计背景与意义 (1)

1. 3 工作原理 (1)

第 2 章豆浆机设计方案选定 (3)

2. 1 方案设计 (3)

2. 2 方案论证 (4)

第三章豆浆机控制系统的硬件设计 (5)

3. 1 单片机的选用 (5)

3. 1. 1 AT89C51 单片机的简介 (5)

3. 2 电源电路设计 (7)

3. 2. 1 电源的作用 (8)

3. 2. 2 电源的组成 (8)

3. 2. 3 整流二极管、变压器容量的计算与选择 (8)

3. 2. 4 稳压器的选用 (9)

3. 2. 5 电源工作原理 (10)

3. 3 水位及温度检测电路设计 (10)

3. 4 加热电路的设计 (13)

3. 5 打浆电路的设计 (14)

3. 6 报警电路的设计 (15)

3. 7 复位电路的设计 (16)

3. 8 时钟电路的设计 (16)

第四章豆浆机控制系统的软件设计 (18)

4. 1 豆浆机控制系统的流程图的设计 (18)

4. 2 定时器子程序设计 (22)

4. 3 温度采集子程序 (25)

4. 4 设计效果与体会 (26)

第五章结束语 (27)

致谢 (28)

参考文献 (29)

附录 (30)

附录 1 智能豆浆机控制系统硬件图 (30)

附录 2 豆浆机控制系统程序 (31)

第 1 章引言

1. 1 绪论

豆浆是中国传统饮品之一，相传已有 1900 多年的历史了。豆浆不仅含有丰富

的人体必需的铁、钙、锌、磷等几十种矿物质，还含有维生素B1、B2 和植物蛋白质、磷脂等，所以它是一种老少皆宜的营养饮品。豆浆具有四大功效：1. 富含维他命，

让你廋得漂亮；2. 降低胆固醇，使血液清澈；3. 具洗净作用，使肠道顺畅；4. 具

高热效应，能升高体温。现在大多数人用它配以油条来饮用，是一种非常营养美

味的早餐，营养价值非常高。但是由于传统豆浆的制作工艺复杂繁琐，所以人们现在在市面上买到的不一定是新鲜的豆浆。随着人们对身体健康意识的提高，大多数人都愿意在家里亲手制作一杯美味可口的豆浆，这对于家用豆浆机的快速发展起到了一定的引导作用。现在豆浆机向着智能化，快捷化，安全化发展。让大家在快节奏生活的今天也能轻松的制作出一杯美味可口的豆浆作为早餐饮品，大大提高

了人们的身体健康。

1. 2 设计背景与意义

1994 年，九阳股份公司董事长、总裁王旭宁因爱喝豆浆而研制了九阳豆浆机。随着人们健康意识的不断提高，对绿色环保食品的追求，消费观念的转变，人们对

于传统健康饮品的需求不断上升。因此，家用智能豆浆机的需求量呈现出加速增

长的势头。2006 年后，东芝、美的、步步高、欧科、苏泊尔等知名品牌相继进入豆

浆机这个行业。但九阳凭借着先行者的优势，长期以来都在豆浆机这个行业独占鳌头，具有绝对的领先优势。

在高节奏生活的今天，有太多的人选择了不吃早餐，他们不吃早餐的原因大

部分是没有时间制作早餐。所以设计出一款高效省时的豆浆机是非常有意义的。设

计出这样一款能为人们健康服务的智能型豆浆机想必能受到广大消费者的青睐的。

1. 3 工作原理

本设计原理图如图 1- 1 所示。

图1 - 1 豆浆机工作原理图

本豆浆机是采用AT89C51 单片机设计的一款全自动智能豆浆机，其工作原理大致如下：首先装填好一定量的黄豆和水，按下豆浆机的自动启动键，开始预热至80℃；然后豆浆机自动开始搅拌，粉碎黄豆，过滤豆浆，磨浆完成后开始对豆浆进行加热，加热至沸腾；豆浆机自动进入防溢延煮程序，最后报警提示豆浆已经做好。控制系统通过电源电路对豆浆机供电，输入部分由温度传感器、防溢电路、防干烧电路、时钟电路、复位电路、按键组成；输出部分则包括声光报警、电机、加热电路。

第 2 章豆浆机设计方案选定

2. 1 方案设计

图 2 -1 方案一框图

方案一：由方案一框图我们可以知道，这个方案是以单片机为核心，由温度传感器、加热电路、打浆电路、报警电路组成。方案一工作原理为，首先装填好水和黄豆，然后开始加热，加热到80℃（由温度传感器检测），打浆电路开始运行，打浆一定时间后，打浆完成，然后又开始加热至沸腾，报警提示豆浆制作完毕。

图 2 -2 方案二框图

方案二：由方案二框图我们可以知道，这个方案是以单片机为核心，由温度传感器、加热电路、打浆电路、防干烧电路、防溢电路、报警电路、时钟电路、电源电路组成。方案二工作原理为，首先装填好一定量的黄豆和水，按下豆浆机

的自动启动键，开始预热至80°C；然后豆浆机自动开始打浆，打浆电机采用间歇性方式进行打浆，粉碎黄豆，磨浆完成后开始对豆浆进行加热，加热至沸腾；豆浆

机自动进入防溢延煮程序，最后报警提示豆浆已经做好。

2. 2 方案论证

本文设计的智能豆浆机主要以AT89C51 单片机为核心，由温度传感器、防溢电路、防干烧电路、时钟电路、复位电路等为输入部分，声光报警、电机、加热电路为输出部分。整个制作过程全自动化，高效省时，安全快捷，以使制作出来的豆浆健康美味。其中电机负责搅拌打浆，加热电路负责预热和煮浆，防溢电路负责煮浆时豆浆的溢出，报警电路则是煮浆完成后提醒大家豆浆制作完毕。

根据以上目的，我们选择方案二为本文的设计方案，具体原因有如下几点：（1）加热。方案二的加热主要包括了打浆前的预加热和打浆期间的间歇性加热，打浆前的预加热是在装填好黄豆和水以后，开启预加热模式，加热至80℃，这样可以缩短打浆后煮浆至沸腾的时间，防止由于煮浆时间过长而引起的糊锅现象，而且大大的提高了整个豆浆制作的工作效率。

（2）打浆。方案二在打浆时采用的是间歇性打浆方式，由于电机不能长期一直运转，所以我们采用这种方式，每次搅拌不超过一分钟，在间歇性打浆期间，我们同时也对豆浆进行加热，这样也能起到提高工作效率的作用。

（3）方案二由于加入了防干烧、防溢出电路，可以保证整个制作过程严防无水干烧，以及煮浆过程的溢出问题。配以豆浆机的报警电路可以提高豆浆机系统的安全性能。

第三章豆浆机控制系统的硬件设计

3. 1 单片机的选用

我们知道单片机的种类有很多种，本设计选用的是 A T M E L公司生产的 AT89C51单片机，是 51 系列单片机中的一个型号。AT89C51 是一种带 4K字节 FLASH存储器的低电压、高性能C M O S8位微处理器。它拥有128 字节内部RAM，32 个I /O口线，两个 16 位定时/计数器等，同时具备 4Kby t es 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM），能完美兼容 MCS- 51 指令系统。如此性价比超高的单片机能完美胜任豆浆机控制系统的核心。

3. 1. 1 AT89C51 单片机的简介

单片机是把微型计算机中的微处理器、存储器、I/O 接口、定时器/计数器、串行接口、中断系统等电路集成到一片集成电路芯片上形成的微型计算机。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。具有体积小，成本低，功能强等优点，广泛被应用于智能产品和工业智能化上。51 单片机是个单片机中最为典型和最具代表性的一种，本设计采用常见的 AT89C51。AT89C51 单片机是由 AT M E L公司生产的，采用 A T M E L高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS- 51 指令集和输出管脚相兼容。

（1）主要性能参数

• 与 MCS- 51 兼容

• 多功能 8 位 CPU

• 片内带4K字节可编程闪烁存储

器寿命：1000 写/擦循环数据保

留时间：10 年

•片内带振荡器和时钟电路

•片内带 128* 8位内部 RAM

• 片外数据存储的寻址空间为64KB

• 程序存储器的寻址空间为64KB

• 32 可编程 I /O线

• 两个 16 位定时器/计数器

• 两个优先级别的 5 个中断源

•全静态工作：0Hz - 29Hz

•三级程序存储器锁定

•片内采用单总线结构

•有较强的位处理能力

•低功耗的闲置和掉电模式

（2）引脚功能引脚

如图 3- 1 所示。

图3 -1 A T 89 C 51 引脚图

（3）晶振特性

晶体振荡器可以简称为晶振。在电气上它可以等效成一个电阻和一个电容并联再串联一个电容的二端网络，这个网络在电工学上有两个谐振点，以频率的高低来分的话，其中较高的频率是并联谐振，较低的频率是串联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。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，而引脚 XTAL1 和XTAL2 则分别是此放大器的输入端和输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。本设计晶体振荡器的值为12MHz ，电容选择陶瓷电容，电容值约为 30μ F。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。

内部振荡电路连接图外部振荡电路连接图

图3 - 2 内外部振荡电路连接图

陶瓷谐振器C1，C2=40PF±10PF石英晶振C1，C2=30PF±10PF

3. 2 电源电路设计

电源电路的设计，乃是在整个电路设计中最基础的必备功夫。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。电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足

负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的

直流电能的电源就是直流稳压电源。随着集成电路的高速发展，稳压电路这一块也

出现了单片机集成稳压电路，它具有很多的优点，比如重量轻、体积小、可靠性高、耗电省、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。3. 2. 1 电源的作用

本设计中的各电子电路都要求使用稳定的直流电源供电，而整流滤波电路可以

输出较为平滑的直流电压。当电网电压波动或者负载改变时，将会引起输出端电

压的改变而不稳定，那么为了获得稳定的输出电压，我们还应将滤波电路的输出

经稳压电路进行稳压。总的来说，电源的作用就是讲输入的普通电流，经过滤波、稳压、变压，然后将纯净、稳定、连续的电流输送给其它硬件使用。

3. 2. 2 电源的组成

如图 3-3 所示，电源的组成为：电源变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路。

~220V …

U

50Hz …

源的组成

电源变压器：将 220V 交流电压降低为同频率各种电路设备所需的交流电压。

整流电路：将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。滤波电路：滤去整流输出电压中的纹波，尽可能减小脉动的直流电压中的交

流成分，保留其直流成分，使其输出的电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。稳压电路：即使电网电压波动、负载等参数发生变化时也能保持输出电压的

稳定，提供稳定的直流电源。

3. 2. 3 整流二极管、变压器容量的计算与选择

U 5V 根据桥式整流电路原理，由U0.9U，则可以得到U0 5 . 5 6V 。

0 . 90 . 9

再考虑到绕组损耗（压降）、变压器和整流二极管的压降，在工程中必须再在上

8

022

2U U 2 述基础上增加 5%，即 U 2

5.56 (1 5%) 5.83V ，整流二极管承受的最大反向电

D 1

2

5 . 8 3V 8 . 2 4V ，同理可得， U 5 . 8 3V 8 . 2 4V 。

因为稳压器的最大电流是 3A ，所以流过二极管的最大电流 I

1 0 . 7 5 A ，同理

2

可得， I 1 0 . 7 5 A 。综上所叙述，D1 中的四个耐压值至少为 8.24V ，允许流

2

过的最大电流是 0.75A 。D2 中的四个二极管的耐压值至少为 8.24V,允许流过的最 大电流是 0.75A 。

由 于 变 压 器 输 入 的 电 压 是 220V ， 而 副 线 圈 的 输 出 的 电 压 是 12V, 固 有

U 2 2 0V

N

1

1 8 . 3 。因为线圈匝数比只能为一个常数，所以匝数比取作 18。变

1 2V

压 器 副 边 的 有 效 值 为 ： 1.11 1.5 1.665 A 。 变 压 器 的 容 量 为 ：

S U I 5.83V 1.665 A 9.70695W 。

3. 2. 4 稳压器的选用

集成 稳压器 是指将不 稳定的 直流电压 变为稳 定的直 流电压 的集成 电路。 由于集 成稳 压 器具有 稳压精 度高、 工作 稳 定可 靠 、 外 围 电路 简 单、 体 积小 、 重量轻 等显 著 优点， 在各种 电源电 路中 得 到了 普 遍的 应 用。 常 用的 集 成稳 压

器有： 金属 圆 形封装 、 金属 菱形封 装、 塑 料封 装 、 带 散 热板 塑 封、 扁 平式 封 装、双 列直插 式封装 等。在 电子制 作中 应 用的 较 多的 是 三端 固 定输 出 稳压 器。

78XX 系列 集成稳 压器 是常用 的固定 正输出 电压的 集成稳 压器 ，输 出 电 压

有 5V 、 6 V 、 9 V 、 12V 、 15 V 、 18V 、 24V 等 规格 ， 最大 输 出电 流 为 1. 5 A 。 它 的 工作 原 理： 取 样电 路 将输 出 电压 按 比例 取 出， 送 入比 较 放大 器 与基 准 电压 进 行比 较 ， 差 值 被放 大 后去 控 制调 整 管， 以 使输 出 电压 保 持稳 定 。 它 的 内部 含 有限 流 保护 、 过热 保 护和 过 压保 护 电路 ， 采用 了 噪声 低 、 温 度 飘逸 小 的基 准 电压 源 ， 工 作 稳定 可 靠。 78 X X 系 列集 成 稳 压器 为 三端 器 件， 一 脚为 输 入端 ，

一脚 为 接地 端 ， 一 脚 为输 出 端， 使 用十 分 方便 。

在此 设计中 我选用 的是 78XX 系列中 的 7805 ， 它能 够提供 多种固 定的 输

出电 压 ， 应 用 范围 广 。 内 含 过流 、 过热 和 过载 保 护电 路 。 带 散 热片 时 ， 输 出 电流 可达 1A ， 虽 然 是固定 稳压电 路， 但 使 用外 接 元件 ， 可获 得 不同 的 电压 和

2 2U 2 压

U

D 2

2

D 1

I i

D 2

I i

2

I 2 2

电流。在本设计中就是利用它把 12V 的直流电压变成 5V 的稳定电压给单片机提供电源，以确保正常工作。

3. 2. 5 电源工作原理

整个电源电路如图3- 4 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。当电源插头 J 1 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。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 7805 进行稳压调整。经 7805 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3 - 4 豆浆机控制系统的电源电路

3. 3 水位及温度检测电路设计

水位及温度检测电路如图 3-5 所示。

图3 - 5 水位和温度检测电路

如图3-5 所示：水位检测及沸腾溢出电路的原理为两个按键开关分别模拟溢出水检测传感器和欠水检测传感器，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3-5 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。自动切断电源并提示用户。

（1）水位检测电路

水位检测电路的原理如图 3- 6 所示，K1 是水位检测传感器，为了减少成本，这里采用探针来代替这个传感器，使用中将接控制电路的公共点“地”，探针分别通过传输线与单片机的 P1. 1，P1. 0 端连接。正常工作时，Kl 被水淹没，它和地之间的电阻较小，与 R7 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，R7 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

11

器的电平变化，便知是否缺水。

图 3 -6 水位检测电路

（2）沸腾溢出电路

用同样的方法检测豆浆是否沸腾溢出。沸腾溢出电路的原理如图 3- 7 所示，豆浆沸腾之前，电极 K2 远离水面，它和地之间的电阻很大，与 R3 共同对+5V 分压，U+得到比 U- 高的电压，比较器输出高电平。豆浆沸腾时，泡沫淹没 K2，电阻小，与 R3 共同对+5V 分压，U+得到比 U- 低的电压，比较器输出低电平。用软件检测比较器的输出电平，便知豆浆是否沸腾溢出。

图 3 -7 沸腾溢出电路

（3）温度检测电路

温度检测电路原理如图 3-8 所示，在该电路的设计中采用了 DS 18B20 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 ~5 V/D C 。

4 . 测量结果以 9 ~12 位数字量方式串行传送。

图 3 -8 温度检测电路

3. 4 加热电路的设计

加热电路如图 3- 9 所示：

图 3 -9 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 打浆电路的设计

打浆电机控制电路如图 3-10 所示：

图3 -10 打浆电机控制电路

如图 3- 10 所示，打浆电机控制电路的工作原理是通过单片机发送信号，然后由MPS8098 三极管对信号进行放大，继而启动继电器，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。

在安全性能方面，本设计的打浆电机控制电路，采用了继电器来控制电机的运

转和断开，此外，单片机的 I /O 口还加入了 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I /O 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。

在打浆电机控制电路中，打碎电机是最为核心的元件，所以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，既可以在交流电源工作也可以使用直流电源工作，兼容性良好。本设计中，采用的是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 报警电路的设计

报警电路如图 3-11 所示：

图 3 - 11 报警电路

报警电路的工作原理是通过蜂呜器 LS1 发出声音信号，提醒豆浆已经制作完毕。声音信号所需电流是从单片机输入到蜂鸣器 LS1 的。

如图 3- 11 所示，报警电路由蜂鸣器和三极管组成。因为蜂鸣器工作电流相对较大，为了做隔离，加了一个 NPN的三极管来做蜂鸣器的驱动。通过编写好的控制程序，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