基于单片机的家用料理机的设计

魏春英，秦飞舟*

（宁夏大学物理与电子电气工程学院，宁夏银川，750021）

基于单片机的家用料理机的设计

魏春英，秦飞舟*

（宁夏大学物理与电子电气工程学院，宁夏银川，750021）

本文介绍了一款以单片机为核心的多功能家用料理机，系统以AT89C205单片机为主控芯片，通过检测来自用户的按键输入和当前料理机的工作情况，诸如水位、温度等，进而控制加热电路和步进电机进行工作，从而保证系统的安全性，制作出高品质的饮品。系统结合稳压电路、加热电路、温度检测电路、防溢及防干烧电路、报警电路和显示电路组成，硬件部分采用protues绘制原理图，软件部分在keil中利用C语言进行程序设计，最后采用protues和keil进行联合仿真。系统具有使用简单便捷，稳定性好，功耗低等特点。

单片机；料理机；加热电路；自动报警

引言

俗话说“早吃好，午吃饱，晚吃少”，可见早餐是人们一日三餐中最为重要的一餐，长期不吃早餐，容易导致胃炎，胆结石，肥胖等疾病，对于人们一天的工作状态也有很大的影响，现今随着人们生活水平的提高，人们对早餐的重视与营养和卫生要求也日益提高，而在牛奶质量堪忧的情况下，人们对于豆浆，核桃露，杏仁露，玉米汁，米糊，芝麻糊等现制营养饮品的需求越来越多，而一款功能齐全，方便快捷的料理机就可以满足人们对健康和品质生活的追求，比起在外就餐，既经济卫生，又营养快捷。因此本文介绍一款基于单片机的家用料理机的功能与设计实现,该系统采用单片机作为核心控制器，运用电加热原理和声光报警等系统，可实现水温加热，物料打磨，自动报警等功能，具有使用简单，稳定性好，功耗低的优点。

1 系统总体设计

料理机以单片机AT89C2051为控制核心，结合防溢及防干烧溢出检查电路，温度检测模块、电源电路，加热驱动电路模块、报警模块、电机驱动模块，可完成各种鲜榨饮品的制作。系统结构框图如图1所示。

在该系统中，稳压电路为整个系统中的不同外设提供系统需要的电压，单片机需要检测按键电路、温度检测电路、防溢和防干烧电路的输入，同时要控制加热电路、报警电路、步进电机电路和显示电路这几个模块。加热电路用来产生热量对水和各种杂粮或干果的混合物进行加热；温度检测电路用来检测饮品的温度，该温度数据用于MCU对整个系统的决策；防溢和防干烧电路用来检测系统的水位，以保证系统安全可靠的工作；按键电路作为用户的输入，报警电路用作系统异常时报警和提示；步进电机作为打浆的动力设备，实现粉碎材料的功能；显示电路做人机交互使用，显示工作模式，液位状态及液体温度，及其它相关研磨浆状态。

图1 料理机硬件结构组成框图

2 系统硬件设计

2.1 单片机系统

AT89C2051是一款低电压，高性能8位CMOS微控制器，它采用 ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS－51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速存储器， AT89C2051是一强劲的微型计算机，对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。

AT89C2051提供以下标准功能：2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个5向量两级中断结构，全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。片内晶振及时钟电路其性能完全可以满足系统的要求。

2.2 防溢及防干烧模块电路设计

由于料理机在工作的过程中有可能会发生溢出、干烧等情况，在这种情况下，如果机器还继续工作，就会存在很大的安全隐患，严重时可能发生火灾。因此需要对料理机的水位进行监测。水位监测及溢出电路的作用是以传感器作为信息采集系统来控制料理机缺水时干烧及沸腾溢出等问题。

水位及温度检测电路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；S1闭合时，给单片机一个高电平信号，表示豆浆溢出，开关打开时表示正常没有溢出。同理，S2闭合时，输入高电平表示干烧，开关打开时表示正常。当其中任意按钮闭合，都会引起蜂鸣器报警，提示可以关闭电源了。

图2 水位监测模块和溢出模块

2.3 加热模块和磨浆模块设计

加热电路的作用是通过加热管把磨成粉末的食材煮熟，本设计使用的加热器功率为 800w 磨浆电路的作用是通过电机把食材拌成粉末。由于电机转速很高，为了避免其连续工作容易造成损坏，本设计采用的是间歇性打浆的方式。加热电路的工作原理是单片机发出信号，通过三极管Q2进行放大信号，然后启动继电器RL1，继电器RL1获得电流后吸附贴片，从而形成加热电流回路，使加热电路开始工作。打浆电路的工作原理是单片机发出信号通过三极管Q3对信号进行放大，然后启动继电器RL2，继电器 RL2获得电流后吸附铁片，从而形成打浆电流回路，使打浆电路开始工作。

图3 加热电路与打浆电路图

2.4 电源模块设计

电源模块由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。其电路如图4所示。其中，电源变压器TR1是将电网提供的220V交流电压转换成为各种电路设备所需的交流电压；整流电路对次级输出的交流电进行桥式整流， 经过滤波电容的滤波输入到7812稳压芯片中去，从7812上出来的电压经过滤波电容后就为 12V直流电，该电压供给步进电机和加热电路，同时该电压被输入到三端稳压器7805上，再滤波后就得到5V的直流电源，该电压供给MCU和防干烧电路等外设使用。

图4 电压转换电路图

报警模块的电路如图5所示，该模块是由一个三极管Q1、一个电阻R5及一个蜂鸣器LS1所构成。报警模块电路的工作流程就是当料理机工作完成时或是水位检测不符标准时，单片机会根据P1口发来的高电平信号继而向P1.5接口发出信号，并通过三极管Q1使得信号的功率被放大，最终使蜂鸣器报警发出通知。

图5 报警模块电路图

当料理机煮浆过程中，由于温度大，会使饮品中的酸性物质产生大量的泡沫，影响正常煮浆工作，为了不停止工作，节省大量时间，所以需要一个主动的消泡装置。在电动机的主轴上按挂两个金属棒，金属棒采用铜制的金属材料，其导电性能优，并且在多次试验下的数据表明，金属棒装设在防溢电极下面2.5厘米处，它的消泡效果最好，这样就完成了主动消泡装置的设计。

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

料理机的主程序是整个系统工作流程的控制和决策者，主要通过检测水位传感器、温度传感器的输入，来控制步进电机、加热器、显示屏和蜂鸣器的输出，从而达到使整个系统有条不紊运行的目的。主程序的流程图如图6所示，以豆浆为例。

从流程图中可以看出，系统上电之后首先初始化相关外设，这些外设包括蜂鸣器、LCD显示、加热器、温度传感器等。在初始化外设完毕后，需要打开外部中断0和外部中断1，这是检测饮品溢出和干烧的必要条件。之后系统会检测水位异常情况，如果系统检测到的水位过高或者过低，LCD上会提示用户加水或者减水让水位达到正常水平；若水位正常，系统会检测用户是否按下开始键，这样做的目的是为了让用户对往豆浆机中加的水进行确认，在用户按下了开始键之后，系统会检测用户是否通过按键选择好了要制作饮品的浓度；浓度选择完毕后，系统会根据用户选择的饮品浓度来给定一个打浆次数并把该次数写入变量中去，之后开始加热水到80度；在水温达到80度后，系统会关闭加热，开始控制步进电机正反转动来带动刀片打浆，打浆指定圈数后，系统再次将水温加热到80度，之后打浆次数变量减1，然后又关闭加热，继续打浆、加热，变量减1……，这样反复进行直到打浆次数变量减到0，说明豆浆制作完毕了，之后系统关闭打浆和加热，然后LCD显示打浆完成，蜂鸣器发出提示音

图6 系统软件流程图

3.2 按键驱动设计

在本设计中，按键用来获得用户的输入，主要表现为用户水位的确认和豆浆制作模式的选择。本设计使用的是独立按键，其编程比较简单，程序流程图如图7示。

从图中可以看出，按键检测函数最重要的一个部分就是去抖，这是因为假如有按键按下，理想的情况是直接从高电平跳跃到低电平，但是因为人手在按按键的过程中会存在抖动，或者说由于按键本身的特性，在人按它的过程中，或多或少的都会存在抖动现象，使得在按键按下的过程中，整个电平中会有很多抖动，所以如果不去抖，就会使得检测到的按键状态不正确，产生误操作。一般情况下，按键在开始按到稳定大概需要5～10ms才能稳定，本系统加入的去抖延时为5ms。

图7 按键驱动程序流程图

4 系统仿真

采用protues对饮品的制作过程进行仿真。主要测试了智能豆浆机的水位检测功能、防干烧和防溢检测功能以及温度检测功能。料理机在工作的过程中，如果发生了饮品溢出或干烧，系统会关闭加热和步进电机，并且蜂鸣器发出警报，饮品溢出时，系统加热关闭，LCD向用户发出提示信息。饮品煮好，蜂鸣器发出“嘀、嘀”的响声，提醒用户。仿真结果达到了预期的设计要求，如图8所示。

图8 系统仿真图

5 结束语

本文介绍了一种基于单片机的全自动料理机的原理及系统软硬件设计，该系统采用单片机作为核心控制器，运用电加热原理和声光报警等系统，可实现水温加热，饮品打磨，自动报警等功能以及良好的人机交互界面，具有使用简单，稳定性好，功耗低等特点。

[1]郭天祥. 新概念51单片机C语言教程[M]. 电子工业出版社,2009.

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[4]张毅刚,彭喜元,彭宇. 单片机原理及应用[M]. 北京： 高等教育出版社,2010.

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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,秦飞舟. 基于单片机的家用料理机的设计[J]. 数码设计,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-）宁夏，宁夏大学副教授，研究方向：电路与系统设计；秦飞舟（1972-）宁夏，宁夏大学教授，研究方向：计算机应用。

Email：weicy2006@163.com