多口味自动售卖五谷营养豆浆机

周姝颖，林凡强，周璟瑜

(成都理工大学信息科学与技术学院，四川成都 610059)

嵌入式系统越来越多的出现在智能消费系统和工业化产品当中，它是提高生产效率，减少人力资源的重要途径。多口味自动售卖豆浆机系统正是基于搭载ARM的嵌入式平台，涉及到电路设计，硬件编程及自动化研究。此豆浆机利用新鲜豆子进行现场打磨，健康营养，提供了人们每日所需的蛋白质和膦脂，对提高人体素质具有积极作用，同时也方便了人们的日常生活。除此之外，该自动化豆浆机也创造了一个商业投资的机会。

1 豆浆机的基本构成

豆浆机箱体高2 m，长和宽约为60 cm，内部核心的功能实现都在这个长方体当中。由于STM32嵌入式单片机的强大功能，通过外围电路设计和模块功能，完成了豆浆机自动出豆、研磨、搅拌、加热、清洗的过程，定量打磨出浆;同时用户通过触摸式液晶显示屏可以了解豆浆的价格，选择豆浆的口味，由于有自动售卖功能，在外部设计中还加入了投币口，以方便交易。

(1)客户点击液晶显示中的口味选项(包括大豆、红豆、绿豆、黑豆等)，系统给出价格，客户投币。

图1 系统总设计图

(2)系统的MCU在220 V正常电压下控制原料的加入(客户选择的原料)，并且加热冷水，通过流量传感器将定量热水加入打磨机，磨出的浆液导入一个小水箱，MCU通过传感器的感应会自动进行搅拌，这样豆浆的口味更加细腻。

(3)存储豆浆，同时这也是一个沉淀过程，滤去大颗粒豆渣，最后出浆的才是成品豆浆。

(4)清洗各个部位，由MCU控制从另一个入水口导入热水多次清洗搅拌箱和存储箱，留下的废水从废水口排出。

2 系统硬件及功能设计

2.1 搭载STM32F103ZET6的电路板

主电路板框架结构，如图2所示。

图2 主电路板框架结构图

实验系统的核心是STM32F103ZET6的MCU，其内核和存储器小，降低了实验成本;高效的电源管理机制，实现低功耗;较强的处理性能，满足工业级产品的开发;中断处理时间极短，满足高速与临界控制的应用场合［1－6］。

(1)电源可以为 STM32内部供电，设计采用SOT－223封装的稳压芯片LM1117－3.3，选择其常用的典型固定输出电路，输出高精度基准电压3.3 V，为内部的数字电路供电。

(2)LCD采用ATK－7'_TFTLCD模块，带有800×480电容触摸屏。FSMC连接方式。用户在使用LCD屏时，首先触摸的信号会激活LCD的选择界面，然后用户关于豆浆原料的选择会通过触摸选项的信号传递回MCU。这个触摸信号是通过触摸屏的驱动ICGT811传递的。触摸时的信号为一个100μs的低电平脉冲，MCU通过GT811上的CT_INT可以获取。

(3)STM32有SDIO接口规范。主要用于为带有SD卡槽的设备进行外设功能扩展。每交易一次，交易时间及交易内容都会以数据流的方式写入SD卡，数据可以将用户的交易数据存入SD卡，以便日后结算交易额和盈利时查询。写入交易记录的数据有时间、选择口味、交易额、交易是否成功。

(4)继电器。是控制磨盘、搅拌和流量的开关。当大豆原料进入磨盘的入口时，MCU通过信号线控制继电器将电磁阀打开，电磁阀的线圈会产生磁力，磁力使得机械开关闭合，将磨盘和流量开关打开，此时一边打磨一边进水。待到打磨过程结束，MCU继续通过继电器控制电磁阀打开搅拌器开关搅拌内容物。

2.2 人机交互设计

当LCD界面闲置时，液晶屏会滚动播放广告，当用户随意点击屏幕，屏幕显示豆浆选择界面。初期设定了4种口味可供选择，直接点击所需的口味，界面跳转至付款界面。等待用户投币，MCU会判断用户选择和投币信息是否一致，若用户少投币，界面会在5 s后给出“请继续投币”的提示。如果MUC检测信息不一致的1 min内没有完成交易，则系统会吐出已投硬币，界面显示“交易失败”，并返回初始界面。如果MCU检测信息一致，则豆浆机启动，根据配方完成豆浆的制作，此时界面会显示“交易成功”，为了不使MCU收到其他交易指令而破坏已成功的交易，界面的触摸功能会关闭，并一直会持续到豆浆出浆。之后，界面在5 s后跳回广告播放，LCD 打开触摸功能［7－12］。

图3 界面设计流程图

2.3 出豆系统

触摸屏上每一个选项后面对应不同的豆浆原料，不同的选择会使不同原料桶开关上的电机工作。首先MCU会判断触摸屏上信号的坐标位置，这是由于每一个选项的触摸点都有自己的坐标范围，当MCU通过CUR_X和CUR_Y寄存器读取触摸点的坐标后，会判断此坐标对应的大豆原料配方，交易成功后打开对应原料的电机开关。料筒的开关是旋转式的。软件设置电机旋转的转速，控制电机打开的时间，合适的速度会使料筒开关有足够时间打开角度，使各种大豆原料漏下。

2.4 流量控制

在用户选择了豆浆口味，在触摸屏上按确认键以后，低脉冲信号会通过CD_INT信号线传回MCU，MCU控制继电器与磨盘的电源和流量计相连接，在原料桶电机工作的同时，打磨豆浆的磨盘电源被打开，水通过增压泵进入磨盘，磨盘转动开始打磨落下的豆子，水和豆子融合形成豆浆。

豆浆机使用的进水系统是由水位传感器、增压泵，以及控制电路组成。具体实现方式如下:水桶放在机器的底层，机器的中层放置了一个储水罐。在补水程序执行时通过自动检测蓄水罐中的水位，如果水位低于最低水位则启动增压泵将水从矿泉水桶中抽入蓄水罐直到蓄水罐的水位达到高水位线，以保证蓄水罐的供水。蓄水罐水位控制电路主要通过LM358双运放来实现。STM32还会在补水时通过PC0检测滞迟比较器的输出若长时间停留在高电平时，STM32会通过PC1关断为水位控制电路的供电，并通过PB5控制蜂鸣器报警以提示缺水，需要更换水桶。蓄水罐下安放了一个加热罐，用管道将蓄水罐的水导入热水罐提供磨豆浆用的热水，冷水则直接从蓄水罐引出。在此冷热水的加入与停止都由电磁阀的开关来控制。放水的水量通过水流传感器来检测以实现水量的精确控制。

3 软件实现流程图

系统采用模块化程序设计，在初始化里实现复位，模式设定，FIFO设定，频率设定，时钟设定等。子程序有中断程序，流量计算程序，补水程序，电机转速设置程序，继电器开关程序，LCD程序，出浆程序。

图4 软件流程图

等到触摸屏的信号CT_INT为低并持续100μs时，MCU启动中断，设置交易参数，开始检查交易直到交易额与用户输入一致，若一致则打开电机。此后将这些交易信息通过I/O口写入SD卡。SD卡的读写过程大致分为4个步骤:(1)有74个时钟信号的准备，所有的初始化命令都在这74个时钟信号后开始工作。(2)MCU发送命令CMD17或CMD24准备开始读或写。(3)SD卡会发送一个respond作为回应。(4)数据开始读出或写入SD卡，在数据块的最后加上16位的CRC循环校验码，如有多个数据块可继续发送。原料进入磨盘后，MCU通过I/O口软件置高，使得继电器工作，打开磨盘和电磁阀的机械开关。设置感应参数s1，在豆浆进入搅拌桶以后提示MCU将搅拌开关打开，设置定时参数t1，搅拌半分钟后静置半分钟，然后出浆。出浆后出浆口关闭。感应参数s2将出浆信息反馈给MCU，打开电磁阀和搅拌开关，清洗装置，废水由废水口排出。

4 测试结果及结论

整机接通220 V电压，屏幕开始播放广告，点击屏幕会出现交易界面。选择黄豆豆浆，投入一个一元硬币，5 s之后提示继续投币，1 min后没有继续投币，先投入的一元硬币被吐出。再次点击屏幕，投入3个一元硬币，机器开始运作。首先原料桶开始下料，豆子由管子进入磨盘，此时进水系统和磨盘同时打开，磨出浆液，顺着出口管子流入搅拌器，此时搅拌器工作，大约半分钟后，也是出浆完毕的时间，磨好的新鲜豆浆静止一会由机器的出浆口流出。一杯200 ml的豆浆生成完毕。在杯子底部也有豆子残渣，但磨盘磨出的豆粉很细腻，大颗粒在静置时以沉淀，不会影响口感。

本次项目设计了一个基于STM32芯片的多口味自动售卖五谷营养豆浆机，结合工业设计，完成了嵌入式平台的搭载，人机交互以及自动化模式，以及软硬件的设计和开发，成功实现了从选豆、磨豆、搅拌、清洗到出浆的过程。此豆浆机完全无需人员监管，解放了人力。并且在机器内部使用的空气加压出豆浆的装置，解决了机器内部结构优化问题，使其体积减小，内部空间利用率增加，可以放入更多原料。

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