魏春英，秦飛舟*

（寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏銀川，750021）

基于單片機(jī)的家用料理機(jī)的設(shè)計(jì)

魏春英，秦飛舟*

（寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏銀川，750021）

本文介紹了一款以單片機(jī)為核心的多功能家用料理機(jī)，系統(tǒng)以AT89C205單片機(jī)為主控芯片，通過(guò)檢測(cè)來(lái)自用戶的按鍵輸入和當(dāng)前料理機(jī)的工作情況，諸如水位、溫度等，進(jìn)而控制加熱電路和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作，從而保證系統(tǒng)的安全性，制作出高品質(zhì)的飲品。系統(tǒng)結(jié)合穩(wěn)壓電路、加熱電路、溫度檢測(cè)電路、防溢及防干燒電路、報(bào)警電路和顯示電路組成，硬件部分采用protues繪制原理圖，軟件部分在keil中利用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，最后采用protues和keil進(jìn)行聯(lián)合仿真。系統(tǒng)具有使用簡(jiǎn)單便捷，穩(wěn)定性好，功耗低等特點(diǎn)。

單片機(jī)；料理機(jī)；加熱電路；自動(dòng)報(bào)警

引言

俗話說(shuō)“早吃好，午吃飽，晚吃少”，可見早餐是人們一日三餐中最為重要的一餐，長(zhǎng)期不吃早餐，容易導(dǎo)致胃炎，膽結(jié)石，肥胖等疾病，對(duì)于人們一天的工作狀態(tài)也有很大的影響，現(xiàn)今隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)早餐的重視與營(yíng)養(yǎng)和衛(wèi)生要求也日益提高，而在牛奶質(zhì)量堪憂的情況下，人們對(duì)于豆?jié){，核桃露，杏仁露，玉米汁，米糊，芝麻糊等現(xiàn)制營(yíng)養(yǎng)飲品的需求越來(lái)越多，而一款功能齊全，方便快捷的料理機(jī)就可以滿足人們對(duì)健康和品質(zhì)生活的追求，比起在外就餐，既經(jīng)濟(jì)衛(wèi)生，又營(yíng)養(yǎng)快捷。因此本文介紹一款基于單片機(jī)的家用料理機(jī)的功能與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心控制器，運(yùn)用電加熱原理和聲光報(bào)警等系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)水溫加熱，物料打磨，自動(dòng)報(bào)警等功能，具有使用簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，功耗低的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

料理機(jī)以單片機(jī)AT89C2051為控制核心，結(jié)合防溢及防干燒溢出檢查電路，溫度檢測(cè)模塊、電源電路，加熱驅(qū)動(dòng)電路模塊、報(bào)警模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，可完成各種鮮榨飲品的制作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在該系統(tǒng)中，穩(wěn)壓電路為整個(gè)系統(tǒng)中的不同外設(shè)提供系統(tǒng)需要的電壓，單片機(jī)需要檢測(cè)按鍵電路、溫度檢測(cè)電路、防溢和防干燒電路的輸入，同時(shí)要控制加熱電路、報(bào)警電路、步進(jìn)電機(jī)電路和顯示電路這幾個(gè)模塊。加熱電路用來(lái)產(chǎn)生熱量對(duì)水和各種雜糧或干果的混合物進(jìn)行加熱；溫度檢測(cè)電路用來(lái)檢測(cè)飲品的溫度，該溫度數(shù)據(jù)用于MCU對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的決策；防溢和防干燒電路用來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的水位，以保證系統(tǒng)安全可靠的工作；按鍵電路作為用戶的輸入，報(bào)警電路用作系統(tǒng)異常時(shí)報(bào)警和提示；步進(jìn)電機(jī)作為打漿的動(dòng)力設(shè)備，實(shí)現(xiàn)粉碎材料的功能；顯示電路做人機(jī)交互使用，顯示工作模式，液位狀態(tài)及液體溫度，及其它相關(guān)研磨漿狀態(tài)。

圖1 料理機(jī)硬件結(jié)構(gòu)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)

AT89C2051是一款低電壓，高性能8位CMOS微控制器，它采用 ATMEL的高密非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS－51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過(guò)在單塊芯片上組合通用的CPLI和閃速存儲(chǔ)器， AT89C2051是一強(qiáng)勁的微型計(jì)算機(jī)，對(duì)許多嵌入式控制應(yīng)用提供一定高度靈活和成本低的解決辦法。

AT89C2051提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：2K字節(jié)閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)RAM，15根I/O口，兩個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，一個(gè)精密模擬比較器以及兩種可選的軟件節(jié)電工作方式?？臻e方停止CPU工作但允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行工作口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM內(nèi)容但振蕩器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一個(gè)硬件復(fù)位。片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路其性能完全可以滿足系統(tǒng)的要求。

2.2 防溢及防干燒模塊電路設(shè)計(jì)

由于料理機(jī)在工作的過(guò)程中有可能會(huì)發(fā)生溢出、干燒等情況，在這種情況下，如果機(jī)器還繼續(xù)工作，就會(huì)存在很大的安全隱患，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生火災(zāi)。因此需要對(duì)料理機(jī)的水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。水位監(jiān)測(cè)及溢出電路的作用是以傳感器作為信息采集系統(tǒng)來(lái)控制料理機(jī)缺水時(shí)干燒及沸騰溢出等問(wèn)題。

水位及溫度檢測(cè)電路采用探針模擬傳感器來(lái)檢測(cè)水位及沸騰溢出的情況，然后通過(guò)比較器輸出高低電平，這樣就可以通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)比較器輸出電平的高低來(lái)檢測(cè)水位及沸騰時(shí)的溢出狀態(tài)；S1閉合時(shí)，給單片機(jī)一個(gè)高電平信號(hào)，表示豆?jié){溢出，開關(guān)打開時(shí)表示正常沒(méi)有溢出。同理，S2閉合時(shí)，輸入高電平表示干燒，開關(guān)打開時(shí)表示正常。當(dāng)其中任意按鈕閉合，都會(huì)引起蜂鳴器報(bào)警，提示可以關(guān)閉電源了。

圖2 水位監(jiān)測(cè)模塊和溢出模塊

2.3 加熱模塊和磨漿模塊設(shè)計(jì)

加熱電路的作用是通過(guò)加熱管把磨成粉末的食材煮熟，本設(shè)計(jì)使用的加熱器功率為 800w 磨漿電路的作用是通過(guò)電機(jī)把食材拌成粉末。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，為了避免其連續(xù)工作容易造成損壞，本設(shè)計(jì)采用的是間歇性打漿的方式。加熱電路的工作原理是單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，通過(guò)三極管Q2進(jìn)行放大信號(hào)，然后啟動(dòng)繼電器RL1，繼電器RL1獲得電流后吸附貼片，從而形成加熱電流回路，使加熱電路開始工作。打漿電路的工作原理是單片機(jī)發(fā)出信號(hào)通過(guò)三極管Q3對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后啟動(dòng)繼電器RL2，繼電器 RL2獲得電流后吸附鐵片，從而形成打漿電流回路，使打漿電路開始工作。

圖3 加熱電路與打漿電路圖

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成。其電路如圖4所示。其中，電源變壓器TR1是將電網(wǎng)提供的220V交流電壓轉(zhuǎn)換成為各種電路設(shè)備所需的交流電壓；整流電路對(duì)次級(jí)輸出的交流電進(jìn)行橋式整流， 經(jīng)過(guò)濾波電容的濾波輸入到7812穩(wěn)壓芯片中去，從7812上出來(lái)的電壓經(jīng)過(guò)濾波電容后就為 12V直流電，該電壓供給步進(jìn)電機(jī)和加熱電路，同時(shí)該電壓被輸入到三端穩(wěn)壓器7805上，再濾波后就得到5V的直流電源，該電壓供給MCU和防干燒電路等外設(shè)使用。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換電路圖

報(bào)警模塊的電路如圖5所示，該模塊是由一個(gè)三極管Q1、一個(gè)電阻R5及一個(gè)蜂鳴器LS1所構(gòu)成。報(bào)警模塊電路的工作流程就是當(dāng)料理機(jī)工作完成時(shí)或是水位檢測(cè)不符標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)P1口發(fā)來(lái)的高電平信號(hào)繼而向P1.5接口發(fā)出信號(hào)，并通過(guò)三極管Q1使得信號(hào)的功率被放大，最終使蜂鳴器報(bào)警發(fā)出通知。

圖5 報(bào)警模塊電路圖

當(dāng)料理機(jī)煮漿過(guò)程中，由于溫度大，會(huì)使飲品中的酸性物質(zhì)產(chǎn)生大量的泡沫，影響正常煮漿工作，為了不停止工作，節(jié)省大量時(shí)間，所以需要一個(gè)主動(dòng)的消泡裝置。在電動(dòng)機(jī)的主軸上按掛兩個(gè)金屬棒，金屬棒采用銅制的金屬材料，其導(dǎo)電性能優(yōu)，并且在多次試驗(yàn)下的數(shù)據(jù)表明，金屬棒裝設(shè)在防溢電極下面2.5厘米處，它的消泡效果最好，這樣就完成了主動(dòng)消泡裝置的設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

料理機(jī)的主程序是整個(gè)系統(tǒng)工作流程的控制和決策者，主要通過(guò)檢測(cè)水位傳感器、溫度傳感器的輸入，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)、加熱器、顯示屏和蜂鳴器的輸出，從而達(dá)到使整個(gè)系統(tǒng)有條不紊運(yùn)行的目的。主程序的流程圖如圖6所示，以豆?jié){為例。

從流程圖中可以看出，系統(tǒng)上電之后首先初始化相關(guān)外設(shè)，這些外設(shè)包括蜂鳴器、LCD顯示、加熱器、溫度傳感器等。在初始化外設(shè)完畢后，需要打開外部中斷0和外部中斷1，這是檢測(cè)飲品溢出和干燒的必要條件。之后系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)水位異常情況，如果系統(tǒng)檢測(cè)到的水位過(guò)高或者過(guò)低，LCD上會(huì)提示用戶加水或者減水讓水位達(dá)到正常水平；若水位正常，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)用戶是否按下開始鍵，這樣做的目的是為了讓用戶對(duì)往豆?jié){機(jī)中加的水進(jìn)行確認(rèn)，在用戶按下了開始鍵之后，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)用戶是否通過(guò)按鍵選擇好了要制作飲品的濃度；濃度選擇完畢后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶選擇的飲品濃度來(lái)給定一個(gè)打漿次數(shù)并把該次數(shù)寫入變量中去，之后開始加熱水到80度；在水溫達(dá)到80度后，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉加熱，開始控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)刀片打漿，打漿指定圈數(shù)后，系統(tǒng)再次將水溫加熱到80度，之后打漿次數(shù)變量減1，然后又關(guān)閉加熱，繼續(xù)打漿、加熱，變量減1……，這樣反復(fù)進(jìn)行直到打漿次數(shù)變量減到0，說(shuō)明豆?jié){制作完畢了，之后系統(tǒng)關(guān)閉打漿和加熱，然后LCD顯示打漿完成，蜂鳴器發(fā)出提示音

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 按鍵驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，按鍵用來(lái)獲得用戶的輸入，主要表現(xiàn)為用戶水位的確認(rèn)和豆?jié){制作模式的選擇。本設(shè)計(jì)使用的是獨(dú)立按鍵，其編程比較簡(jiǎn)單，程序流程圖如圖7示。

從圖中可以看出，按鍵檢測(cè)函數(shù)最重要的一個(gè)部分就是去抖，這是因?yàn)榧偃缬邪存I按下，理想的情況是直接從高電平跳躍到低電平，但是因?yàn)槿耸衷诎窗存I的過(guò)程中會(huì)存在抖動(dòng)，或者說(shuō)由于按鍵本身的特性，在人按它的過(guò)程中，或多或少的都會(huì)存在抖動(dòng)現(xiàn)象，使得在按鍵按下的過(guò)程中，整個(gè)電平中會(huì)有很多抖動(dòng)，所以如果不去抖，就會(huì)使得檢測(cè)到的按鍵狀態(tài)不正確，產(chǎn)生誤操作。一般情況下，按鍵在開始按到穩(wěn)定大概需要5～10ms才能穩(wěn)定，本系統(tǒng)加入的去抖延時(shí)為5ms。

圖7 按鍵驅(qū)動(dòng)程序流程圖

4 系統(tǒng)仿真

采用protues對(duì)飲品的制作過(guò)程進(jìn)行仿真。主要測(cè)試了智能豆?jié){機(jī)的水位檢測(cè)功能、防干燒和防溢檢測(cè)功能以及溫度檢測(cè)功能。料理機(jī)在工作的過(guò)程中，如果發(fā)生了飲品溢出或干燒，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉加熱和步進(jìn)電機(jī)，并且蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，飲品溢出時(shí)，系統(tǒng)加熱關(guān)閉，LCD向用戶發(fā)出提示信息。飲品煮好，蜂鳴器發(fā)出“嘀、嘀”的響聲，提醒用戶。仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)仿真圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于單片機(jī)的全自動(dòng)料理機(jī)的原理及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心控制器，運(yùn)用電加熱原理和聲光報(bào)警等系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)水溫加熱，飲品打磨，自動(dòng)報(bào)警等功能以及良好的人機(jī)交互界面，具有使用簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，功耗低等特點(diǎn)。

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Design of Household Food Processor Based on Single Chip Microcomputer

WEI Chunying,QIN Feizhou*
(School of physics and electronic electrical engineering of Ningxia University,Ningxia Yinchuan,750021,China)

A multi-functional household food processor base on single chip microcomputer is introduced in this paper. The machine uses AT89C2051 MCU as the master control chip. through the detection of the key input from a user and the current working situation of food processor machine,such as water level,temperature,heating circuit and stepper motor and control work,so as to ensure the security of the system,making the high quality of drink. The system combined with Voltage stabilizing circuit ,heating circuit ,temperature detection circuit,overflow and prevent dry heating circuit,alarm circuit and display circuit. The design of the hardware part adopts the Protues draw the circuit diagram,the software part uses the C language to carry on the programming in Keil,finally uses Protues and Keil to carry on the joint simulation. The food processor has characteristics of easy control and good stabilization and low power consumption and so on.

single chip microcomputer; food processor; heating circuit; alarm circuit

TH772

A

1672-9129(2017)06-0197-04

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.074

魏春英,秦飛舟. 基于單片機(jī)的家用料理機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì),2017,6(6)： 197-199.

Cite：WEI Chunying,QIN Feizhou. Design of Household Food Processor Based on Single Chip Microcomputer[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 197-199.

2017-02-13；

2017-03-17。

魏春英（1975-）寧夏，寧夏大學(xué)副教授，研究方向：電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)；秦飛舟（1972-）寧夏，寧夏大學(xué)教授，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

Email：weicy2006@163.com