基于单片机的高效省时豆浆机控制器设计

于三营

摘 要：豆浆是非常具有中国民族特色的食品，适合各个年龄段饮用，同时富含人身体所需的多种营养。豆浆中含有较多的蛋白质和水溶性纤维，具有强身健体、预防糖尿病等功效。传统豆浆机需要提前将豆子浸泡一晚，放入豆浆机后开始打碎豆子并加热，大致需要花费二十分钟才能完成。而本文中设计的高效省时豆浆机除了保留原有功能且提高加热功率之外，还有水位监测、报警等功能，不仅增加了安全性，也使豆浆可以在更短的时间内完成，节约了使用者的时间。

关键词：高效省时；豆浆机；单片机

前言：豆浆营养丰富，虽然无法与豆腐相比，但是却在诸多饮品之上，每个年龄段都可以饮用豆浆来达到养生的目的。随着人们越来越注重自己的健康，更多的人会购买豆浆机来亲自制作豆浆。近年来豆浆机在不断地更新换代，功能也更加多样化，除了一些辅助功能外，还可以制作更多种类的食物饮品。因此，豆浆机厂商更加注重对豆浆机功能的开发以及在节能、制作速度方面的表现。

1.高效省时豆浆机设计的目的及意义

现代人们生活节奏快，待在家中的时间短，每天很早就需要外出工作或学习，很少有时间制作和吃早餐，因此豆浆机的设计目的是让人们可以在早上使用较短的时间自制豆浆，满足人体对营养的需要。据调查显示，学生群体与工作群体中有近一半的人基本不吃早餐，主要原因是早上时间比较匆忙，因此高效省时豆浆机的设计就十分有必要。

我国人口老龄化的趋势越来越明显，老年人更加注重养生，因此豆浆机这种可以制作营养丰富的豆浆且在生活中会被频繁使用的产品很受欢迎。因此设计这款豆浆机的意义就是满足市场的需求，同时使更多的人能够养成早上喝豆浆的健康习惯。

2.高效省时的豆浆机控制系统的功能需求分析

2.1控制系统的硬件功能分析

在硬件方面，首先需要有单片机芯片来控制豆浆机的工作流程，在向其中加水时需要有传感器来感应水的位置。当加入适量的水与黄豆后，豆浆机开始加热，在该过程中需要使用最大的功率，本设计中使用的功率为1000瓦，可以很大程度上减少加热的时间。在加热到90度时，单向串励电机开始运转，带动刀具将豆子打碎。因为串励电机转矩大、体积小、质量小等优点，所以被广泛使用于各种家用电器中。在该过程进行3分钟后，通过单片机改变豆浆机内部占空比使加热功率下降到750瓦，2分钟后降到300瓦，再过1分钟停止打浆。在此过程中，如果内部出现溢出情况，则机器暂停工作并进入待机，使用者可以在30秒后选择是否继续工作。最后开始以300瓦的功率煮浆，在此过程中需要使用消泡装置避免产生过多的气泡而出现溢出问题，在煮2分钟后，机器工作完成进入保温状态。

2.2控制系统的软件功能分析

软件方面是指对单片机的编程，根据豆浆机的功能以及工作流程来设计流程图。在豆浆机接通电源并开启后，首先开始水位检测，在确认水位符合要求后，开始使用1000瓦的功率加热，在加热到90度后，启动电机开始打浆，该过程是连续的，3分钟后功率变为750瓦，2分钟后变为300瓦。最后电机停止工作，仅对豆浆加热，如果豆浆因为加热而溢出到防溢电极上时，停止加热并进行消泡，持续2分钟后进入保温状态。在实际设计中，为了避免豆浆机出现误操作，需要在防溢电极上添加一个延时子程序，豆浆溢出到电极上后，延时5秒消泡。流程图完成后，可以开始软件的编程，并与硬件设计相结合，最终完成整体的设计工作。

3.高效省时的豆浆机控制系统设计

3.1电源电路的设计

电源是电器的重要组成部分，也是电器实现各种功能的基础，其性能是否满足电器的使用标准决定了电器的是否可以稳定的工作。当前使用的主要是直流稳压电源，由于科技的发展，电器中更多使用集成化电路，能满足几乎所有家用电器的用电需求。目前市场上充斥着种类繁多的由单片机集成的电路，让设计阶段有了更多的选择。使用稳压电路的原因在于其质量好、节能、稳定性好、运行速度快，适合大批量生产，因此也被广泛应用于各种家用电器的制造中。稳定的直流电源是电路正常工作的基础，而如果电网出现波动，则必然会导致电压出现大幅度变化，因此也需要对电路采取稳压处理。电源由变压器、整流二极管、滤波器、稳压器四部分构成。变压器是將220V的标准电压转为可以被电器直接使用的电压，这是每个电源的基础。其余三个部件分别负责将交流电转为脉动直流电，从脉动直流电转为平稳的直流电，最终通过稳压电路的调整作用来实现稳压并为电器供电。

3.2加热与磨浆电路的设计

加热功能是通过1000瓦的加热管来完成，加热管中有加热电阻，通电后可以进行加热，将豆浆机内的豆子煮熟，该功能直接由电路控制。磨浆电路是使用单向串励电机将豆子磨碎，打成豆浆。需要注意的是，串励电机虽然优点比较明显，但是转速较快，不适合长时间工作，如果持续运转，会由于过热而损坏，因此整个磨浆过程需要间歇进行。在电路中的电流是通过单片机输出电流通过三极管放大，驱动继电器闭合来向加热和磨浆两个电路供电，进而实现两种功能。

3.3水位检测及沸腾溢出检测电路的设计

该电路是使用传感器或探针作为前段单元来达到检测的功能，可以及时发现电器中水位较低或由于沸腾而溢出的情况。一般为了节省成本，会使用探针，探针与电路比较器（comparator）相连，当检测到水位异常后，比较器会输出电平，单片机可以通过电平的高低来判断水位的实际情况。在电路设计中，两个探针P1与P2分别感应水位较低以及溢出的情况。P1位于水位的最低刻度，正常情况下水需要没过P1，此时比较器输入低电平，当P1与水分开时，其电阻会变大，比较器会输出高电平。同理，P2会处于水位的最高刻度，当水超出该刻度后会判定为沸腾溢出，正常情况下比较器输入的为高电平，沸腾溢出时输出的是低电平。通过软件来检测比较器输出的电平高低，就可以直接对机器内部出现的异常情况进行判定。该电路一般与报警电路相连，当出现上述的问题时，蜂鸣器会开始报警，提醒使用者加水或关闭机器。

3.4报警电路的设计

该电路是通过蜂鸣器进行报警，用途是当豆浆机出现问题或已经完成工作后提醒用户。该电路由单片机、电阻、三极管、蜂鸣器构成。电路根据预先编程的程序，并在单片机的控制下进行工作，当控制系统触发了报警的条件时，单片机会输出高电平，经过电阻输入三极管中，使三极管饱和导通，蜂鸣器就会因此发出声音。其原理在于，电流从单片机输入三极管，功率会被放大，最后流入蜂鸣器中，为其提供电能进而发出声音。

3.5主动消泡装置

主动消泡装置的作用顾名思义，当机器工作时会产生较多泡沫，当泡沫溢出到防溢电极上时，该装置就会开始工作并将大量的泡沫消除。该装置的结构相对简单，一般是由钢制金属棒构成，安装在电机上，当泡沫触碰到过防溢电极后，电机会带动金属棒进行搅拌，起到消泡的作用。根据多次试验，将金属棒安装在防溢电极下方3厘米处，起到的效果最明显。

结语：豆浆是一种健康食品，符合当代人对饮食的需求，也是中老年人最佳的日常饮品。因为在外面购买的豆浆中，很多都加入了香精、色素等食品添加剂，对人体会造成一定伤害，所以更多的人会使用豆浆机自己制作豆浆。随着科技的发展，豆浆机有了容易清洁、节能环保、噪声小等优点，使人们可以根据自己的需求来选择。豆浆机主要的能是打碎与加热，因此质量是否达标是选购豆浆机最重要的参考依据，在设计方面，应更多参考消费者的需要，增加其实用的功能。

参考文献：

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