基于單片機(jī)的高效省時(shí)豆?jié){機(jī)控制器設(shè)計(jì)

于三營(yíng)

摘 要：豆?jié){是非常具有中國(guó)民族特色的食品，適合各個(gè)年齡段飲用，同時(shí)富含人身體所需的多種營(yíng)養(yǎng)。豆?jié){中含有較多的蛋白質(zhì)和水溶性纖維，具有強(qiáng)身健體、預(yù)防糖尿病等功效。傳統(tǒng)豆?jié){機(jī)需要提前將豆子浸泡一晚，放入豆?jié){機(jī)后開始打碎豆子并加熱，大致需要花費(fèi)二十分鐘才能完成。而本文中設(shè)計(jì)的高效省時(shí)豆?jié){機(jī)除了保留原有功能且提高加熱功率之外，還有水位監(jiān)測(cè)、報(bào)警等功能，不僅增加了安全性，也使豆?jié){可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成，節(jié)約了使用者的時(shí)間。

關(guān)鍵詞：高效省時(shí)；豆?jié){機(jī)；單片機(jī)

前言：豆?jié){營(yíng)養(yǎng)豐富，雖然無法與豆腐相比，但是卻在諸多飲品之上，每個(gè)年齡段都可以飲用豆?jié){來達(dá)到養(yǎng)生的目的。隨著人們?cè)絹碓阶⒅刈约旱慕】?，更多的人?huì)購(gòu)買豆?jié){機(jī)來親自制作豆?jié){。近年來豆?jié){機(jī)在不斷地更新?lián)Q代，功能也更加多樣化，除了一些輔助功能外，還可以制作更多種類的食物飲品。因此，豆?jié){機(jī)廠商更加注重對(duì)豆?jié){機(jī)功能的開發(fā)以及在節(jié)能、制作速度方面的表現(xiàn)。

1.高效省時(shí)豆?jié){機(jī)設(shè)計(jì)的目的及意義

現(xiàn)代人們生活節(jié)奏快，待在家中的時(shí)間短，每天很早就需要外出工作或?qū)W習(xí)，很少有時(shí)間制作和吃早餐，因此豆?jié){機(jī)的設(shè)計(jì)目的是讓人們可以在早上使用較短的時(shí)間自制豆?jié){，滿足人體對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需要。據(jù)調(diào)查顯示，學(xué)生群體與工作群體中有近一半的人基本不吃早餐，主要原因是早上時(shí)間比較匆忙，因此高效省時(shí)豆?jié){機(jī)的設(shè)計(jì)就十分有必要。

我國(guó)人口老齡化的趨勢(shì)越來越明顯，老年人更加注重養(yǎng)生，因此豆?jié){機(jī)這種可以制作營(yíng)養(yǎng)豐富的豆?jié){且在生活中會(huì)被頻繁使用的產(chǎn)品很受歡迎。因此設(shè)計(jì)這款豆?jié){機(jī)的意義就是滿足市場(chǎng)的需求，同時(shí)使更多的人能夠養(yǎng)成早上喝豆?jié){的健康習(xí)慣。

2.高效省時(shí)的豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)的功能需求分析

2.1控制系統(tǒng)的硬件功能分析

在硬件方面，首先需要有單片機(jī)芯片來控制豆?jié){機(jī)的工作流程，在向其中加水時(shí)需要有傳感器來感應(yīng)水的位置。當(dāng)加入適量的水與黃豆后，豆?jié){機(jī)開始加熱，在該過程中需要使用最大的功率，本設(shè)計(jì)中使用的功率為1000瓦，可以很大程度上減少加熱的時(shí)間。在加熱到90度時(shí)，單向串勵(lì)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)刀具將豆子打碎。因?yàn)榇畡?lì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛使用于各種家用電器中。在該過程進(jìn)行3分鐘后，通過單片機(jī)改變豆?jié){機(jī)內(nèi)部占空比使加熱功率下降到750瓦，2分鐘后降到300瓦，再過1分鐘停止打漿。在此過程中，如果內(nèi)部出現(xiàn)溢出情況，則機(jī)器暫停工作并進(jìn)入待機(jī)，使用者可以在30秒后選擇是否繼續(xù)工作。最后開始以300瓦的功率煮漿，在此過程中需要使用消泡裝置避免產(chǎn)生過多的氣泡而出現(xiàn)溢出問題，在煮2分鐘后，機(jī)器工作完成進(jìn)入保溫狀態(tài)。

2.2控制系統(tǒng)的軟件功能分析

軟件方面是指對(duì)單片機(jī)的編程，根據(jù)豆?jié){機(jī)的功能以及工作流程來設(shè)計(jì)流程圖。在豆?jié){機(jī)接通電源并開啟后，首先開始水位檢測(cè)，在確認(rèn)水位符合要求后，開始使用1000瓦的功率加熱，在加熱到90度后，啟動(dòng)電機(jī)開始打漿，該過程是連續(xù)的，3分鐘后功率變?yōu)?50瓦，2分鐘后變?yōu)?00瓦。最后電機(jī)停止工作，僅對(duì)豆?jié){加熱，如果豆?jié){因?yàn)榧訜岫绯龅椒酪珉姌O上時(shí)，停止加熱并進(jìn)行消泡，持續(xù)2分鐘后進(jìn)入保溫狀態(tài)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了避免豆?jié){機(jī)出現(xiàn)誤操作，需要在防溢電極上添加一個(gè)延時(shí)子程序，豆?jié){溢出到電極上后，延時(shí)5秒消泡。流程圖完成后，可以開始軟件的編程，并與硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合，最終完成整體的設(shè)計(jì)工作。

3.高效省時(shí)的豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1電源電路的設(shè)計(jì)

電源是電器的重要組成部分，也是電器實(shí)現(xiàn)各種功能的基礎(chǔ)，其性能是否滿足電器的使用標(biāo)準(zhǔn)決定了電器的是否可以穩(wěn)定的工作。當(dāng)前使用的主要是直流穩(wěn)壓電源，由于科技的發(fā)展，電器中更多使用集成化電路，能滿足幾乎所有家用電器的用電需求。目前市場(chǎng)上充斥著種類繁多的由單片機(jī)集成的電路，讓設(shè)計(jì)階段有了更多的選擇。使用穩(wěn)壓電路的原因在于其質(zhì)量好、節(jié)能、穩(wěn)定性好、運(yùn)行速度快，適合大批量生產(chǎn)，因此也被廣泛應(yīng)用于各種家用電器的制造中。穩(wěn)定的直流電源是電路正常工作的基礎(chǔ)，而如果電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng)，則必然會(huì)導(dǎo)致電壓出現(xiàn)大幅度變化，因此也需要對(duì)電路采取穩(wěn)壓處理。電源由變壓器、整流二極管、濾波器、穩(wěn)壓器四部分構(gòu)成。變壓器是將220V的標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)為可以被電器直接使用的電壓，這是每個(gè)電源的基礎(chǔ)。其余三個(gè)部件分別負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)為脈動(dòng)直流電，從脈動(dòng)直流電轉(zhuǎn)為平穩(wěn)的直流電，最終通過穩(wěn)壓電路的調(diào)整作用來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓并為電器供電。

3.2加熱與磨漿電路的設(shè)計(jì)

加熱功能是通過1000瓦的加熱管來完成，加熱管中有加熱電阻，通電后可以進(jìn)行加熱，將豆?jié){機(jī)內(nèi)的豆子煮熟，該功能直接由電路控制。磨漿電路是使用單向串勵(lì)電機(jī)將豆子磨碎，打成豆?jié){。需要注意的是，串勵(lì)電機(jī)雖然優(yōu)點(diǎn)比較明顯，但是轉(zhuǎn)速較快，不適合長(zhǎng)時(shí)間工作，如果持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)由于過熱而損壞，因此整個(gè)磨漿過程需要間歇進(jìn)行。在電路中的電流是通過單片機(jī)輸出電流通過三極管放大，驅(qū)動(dòng)繼電器閉合來向加熱和磨漿兩個(gè)電路供電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩種功能。

3.3水位檢測(cè)及沸騰溢出檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

該電路是使用傳感器或探針作為前段單元來達(dá)到檢測(cè)的功能，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電器中水位較低或由于沸騰而溢出的情況。一般為了節(jié)省成本，會(huì)使用探針，探針與電路比較器（comparator）相連，當(dāng)檢測(cè)到水位異常后，比較器會(huì)輸出電平，單片機(jī)可以通過電平的高低來判斷水位的實(shí)際情況。在電路設(shè)計(jì)中，兩個(gè)探針P1與P2分別感應(yīng)水位較低以及溢出的情況。P1位于水位的最低刻度，正常情況下水需要沒過P1，此時(shí)比較器輸入低電平，當(dāng)P1與水分開時(shí)，其電阻會(huì)變大，比較器會(huì)輸出高電平。同理，P2會(huì)處于水位的最高刻度，當(dāng)水超出該刻度后會(huì)判定為沸騰溢出，正常情況下比較器輸入的為高電平，沸騰溢出時(shí)輸出的是低電平。通過軟件來檢測(cè)比較器輸出的電平高低，就可以直接對(duì)機(jī)器內(nèi)部出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行判定。該電路一般與報(bào)警電路相連，當(dāng)出現(xiàn)上述的問題時(shí)，蜂鳴器會(huì)開始報(bào)警，提醒使用者加水或關(guān)閉機(jī)器。

3.4報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

該電路是通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，用途是當(dāng)豆?jié){機(jī)出現(xiàn)問題或已經(jīng)完成工作后提醒用戶。該電路由單片機(jī)、電阻、三極管、蜂鳴器構(gòu)成。電路根據(jù)預(yù)先編程的程序，并在單片機(jī)的控制下進(jìn)行工作，當(dāng)控制系統(tǒng)觸發(fā)了報(bào)警的條件時(shí)，單片機(jī)會(huì)輸出高電平，經(jīng)過電阻輸入三極管中，使三極管飽和導(dǎo)通，蜂鳴器就會(huì)因此發(fā)出聲音。其原理在于，電流從單片機(jī)輸入三極管，功率會(huì)被放大，最后流入蜂鳴器中，為其提供電能進(jìn)而發(fā)出聲音。

3.5主動(dòng)消泡裝置

主動(dòng)消泡裝置的作用顧名思義，當(dāng)機(jī)器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多泡沫，當(dāng)泡沫溢出到防溢電極上時(shí)，該裝置就會(huì)開始工作并將大量的泡沫消除。該裝置的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般是由鋼制金屬棒構(gòu)成，安裝在電機(jī)上，當(dāng)泡沫觸碰到過防溢電極后，電機(jī)會(huì)帶動(dòng)金屬棒進(jìn)行攪拌，起到消泡的作用。根據(jù)多次試驗(yàn)，將金屬棒安裝在防溢電極下方3厘米處，起到的效果最明顯。

結(jié)語：豆?jié){是一種健康食品，符合當(dāng)代人對(duì)飲食的需求，也是中老年人最佳的日常飲品。因?yàn)樵谕饷尜?gòu)買的豆?jié){中，很多都加入了香精、色素等食品添加劑，對(duì)人體會(huì)造成一定傷害，所以更多的人會(huì)使用豆?jié){機(jī)自己制作豆?jié){。隨著科技的發(fā)展，豆?jié){機(jī)有了容易清潔、節(jié)能環(huán)保、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，使人們可以根據(jù)自己的需求來選擇。豆?jié){機(jī)主要的能是打碎與加熱，因此質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)是選購(gòu)豆?jié){機(jī)最重要的參考依據(jù)，在設(shè)計(jì)方面，應(yīng)更多參考消費(fèi)者的需要，增加其實(shí)用的功能。

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