基于嵌入式技術的智能豆漿機的開發研究

岳倩倩

摘 要：隨著網絡技術、通信技術和傳感器技術的飛躍發展，人們對智能家居家電的需求和關注度也越來越高。控制系統核心是ARM720T，可以簡單便捷實現豆漿機的全智能化，溫度控制部分可以實現溫度的控制。豆漿機由電動機，控制電路和加熱器，報警電路、信號檢測電路組成。ARM作為控制核心可以簡單快捷的解決控制問題；ARM不僅應用廣泛而且ARM技術越來越成熟，從而使得ARM作為內核小家電越來越受人們的青睞。

關鍵詞：智能豆漿機；溫度控制； 報警電路；ARM720T

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2018）02-0064-05

豆漿現在已經是人們生活中必不可少的一種健康綠色食品，人們的生活節奏越來越快，現磨豆漿的時間太長導致人們不愿花時去磨，對于工廠加工的豆漿不放心，因此，作為智能小家電的一種，智能豆漿機進入人們的生活。[1]早期智能豆漿機實現完全是以單片機為核心，價格便宜且容易操作但其基本功能同一化比較嚴重，大部分智能家居共同特點是“程序化”比較嚴重，“人性化”體現不夠。換句話說，智能性表現的還不夠令人滿意[2]。嵌入式ARM作為豆漿機的內核可以容易實現研磨，溫度控制，防溢檢測，報警集一身。使人們不必花太長時間等待豆漿的研磨加熱。ARM的技術日益成熟，作為內核不僅方便，也更加實惠，且符合人們對豆漿品質的放心。

1 研究方式與思路

豆子經過高溫的水泡過之后，會使得豆子更加容易打碎，因此，打碎之前必須對豆漿機內的水加溫。當溫度達到一定程度時，豆漿機開始打磨，反復打磨幾次之后，再次加熱，由于再打磨過程中豆漿中產生許多的泡沫，加熱時泡沫溢出，為防止溢出設計防溢出電路，反復加熱幾次，豆漿機停止工作，蜂鳴提示豆漿完成。

如何能夠實現這些功能，首先，考慮的就是控制系統的內核，作為控制系統的核心是豆漿機的心。而嵌入式ARM可以很好的實現這些功能且ARM的技術也日益成熟。其次，考慮的是溫度的檢測，豆子經過高溫泡過容易打磨，但是如何控制溫度便需要溫度的檢測，作為溫度的控制可以有兩種方式 一種便是熱敏電阻。第三，考慮的是溫度傳感器，最后選擇熱敏電阻，熱敏電阻較溫度傳感器更加方便。第四，考慮的是防溢出。防溢出選擇的是雙向電壓比較器的，液面位置不同導致電壓比較器的輸出結果不同來實現溢出的停止。做好這些就可以基本實現豆漿機的智能化。思路確立之后，所要的便是了解豆漿機的工作原理以及所選芯片的基本結構和引腳口的功能。

2 系統硬件電路的設計

2.1 豆漿機的組成及工作原理

豆漿機由打磨部分、控制部分、信號檢測部分，報警電路，穩壓電路組成。當豆漿機工作時穩壓電路將220V電壓整流成12V電壓給蜂鳴器和中間繼電器供電，此外經過7805穩壓成5V電壓給主控芯片供電。加入適量的水和豆子之后，按下啟動鍵豆漿機開始由預加熱模塊加熱，加熱到80℃后，主控芯片開始控制電動機轉動，開始打漿過程中，定時打漿10s然后停止5s，反復幾次，停止打漿。開始加熱，加熱過程中水位進行檢測，防止溢出，防止缺水，加熱時，檢測過程中若缺水，則會報警。若泡沫接觸防溢電極時，加熱管停止加熱，直到泡沫脫離防溢電極時重新加熱，反復幾次，停止工作，報警提示豆漿完成。

2.2 系統總體框圖

如圖1所示。系統主要由穩壓電路，報警電路，防止程序跑飛電路，防溢檢測電路，溫度控制電路構成。上述系統總體框圖中MAX831L是喂狗程序的主要芯片。在工作過程中會定時向主控芯片發送喂狗指令。穩壓電路也就是電源電路主要為整個系統提供電源。LM393是檢測電路的主要元件。

2.3 系統的硬件組成及工作原理

（1）ARM720T電路。ARM720T應用電路基于ARM為核心的最小系統。ARM720T是ARM公司生產的一種功耗低，性能高，價格低廉的核心控制器，符合成本效益，易于掌握，特別適用于嵌入式小型家電智能控制。

（2）控制驅電路：根據中間繼電器的原理。線圈得電，其線圈所對應得常開觸點閉合，常閉觸點斷開。將線圈和三極管相連在接入主控芯片引腳口，根據主控芯片反饋在引腳口的高低電平來控制三極管的通斷繼而控制線圈其觸點的連接和斷開。在本次設計電路中正是利用這些特點實現豆漿機的控制。根據這些特點可以很大程度上實現了單片控制，也實現了豆漿機的打磨，加熱，信號檢測的全自動。

（3）信號檢測電路及其工作原理。缺水檢測、沸騰溢出檢測以及溫度檢測是信號檢測的三個部分。為了使豆漿機不會由于缺水和水位過低造成干燒，從而損壞豆漿機。如圖2所示。

缺水檢測電路：該模塊利用分壓電路以及LM393的特性來實現，主控芯片對水位檢測實現控制。缺水檢測電路是由電加熱管外殼、豆漿機內的豆漿或者水、測溫電極（與LM393所連接的引腳口）。LM393 是雙向電壓比較器，LM393的參考電壓是由兩個電阻分壓后所提供的。測溫電極和加熱管都是在裝豆漿的杯子中，水位在正常工作時，水位會漫過測溫電極，測溫電極和電加熱管之間將會形成的一個小電阻R，R和分壓電阻形成的分壓電路對電源電壓進行分壓，則造成LM393的內部比較器正端電壓會比負端的電壓要小，LM393內部比較器輸出“0”給主控芯片；當豆漿機內缺水時，水位漫不過加熱器的外殼時，測溫電極和電加熱管構成一個大電阻，這個大電阻與分壓電阻對 + 5 V分壓，比較器輸出高電平給主控芯片，主控芯片輸出反饋信號給加熱模塊，加熱模塊的線圈失電，其所對飲的觸點動作，加熱器停止加熱。報警電路接受主控芯片的高電平信號，所對應的三級管導通，蜂鳴器報警。就可以實現水檢測。

防溢檢測電路：電加熱管外殼，豆漿機內的水，防溢電極（lm393的負向輸入端）之間構成檢測回路，當豆漿在加熱時，其打漿時產生的泡沫會因為水加熱時達到一定溫度時沸騰而上升接觸到防溢電極，此時防溢電極和電加熱管外殼接通，那么防溢電極與電加熱管之間構成的電阻會很小，+5V的電源電壓被分壓電阻分壓，LM393內部比較器“ + ”端電壓低于“ - ”端，主控芯片引腳口接受到LM393內部比較器的低電平信號，隨后主控芯片根據接受的信號就可判斷豆漿的泡沫是否到達了防溢電極，若水位高過防溢電極說明此時豆漿快要溢出。主控芯片立刻發送低電平信號給加熱模塊，加熱模塊的三級管不導通。中間繼電器失電，其常開觸點斷開。加熱器不工作。防溢目的達到。

溫度檢測電路：如圖3所示。在起初設計時選擇溫度傳感器，溫度傳感器對溫度的感應十分靈敏，但是溫度傳感器要將采集的溫度和預設溫度對比然后經過轉化才能傳入主控芯片對于電路的設計會很麻煩，而熱敏電阻和普通電阻所構成的分壓電路很快實現溫度的控制，最后對比其性價比選擇熱敏電阻。熱敏電阻 RT 與 R12 組成分壓電路對 +5V 分壓后接至 主控芯片，RT 在常溫下阻值很高，主控芯片連接處的電壓為[5Rt+R12?R12≈0]，此時電壓很小，主控芯片接受的信號為低電平，RT 是負溫度系數的熱敏電阻。當溫度升高時其阻值隨溫度下降，當溫度上升到約 80 ℃ 時，RT 阻值下降到幾乎為零，這時主控芯片所得的電壓約為[5Rt+R12?R12≈5]，此時主控芯片檢測到引腳口為高電平即為“1”，主控芯片ARM720T控制加熱管停止加熱并且發射高電平給打漿模塊，線圈得電，其常開觸點閉合，電動機開始轉動，打漿工作開始。

報警電路及工作原理：由于主控芯片ARM720T給報警電路輸出高電平，報警電路中的三級管導通，蜂鳴器工作。報警此時豆漿制作已完成，同時引腳口P1.4 輸出高電平，led燈亮。

3 系統軟件設計流程圖

整個系統開始工作，ARM通過引腳口控制中間繼電器的線圈的得失電來控制其觸點的開和合，繼而控制各個模塊的功能及其工作與否。電源接通后，加入豆和水，按下啟動鍵后，預加熱模塊開始工作，預加熱模塊工作結束，主控芯片接受信號控制打漿模塊開始打漿。隨后打漿模塊工作結束后，主控芯片開始控制加熱模塊加熱，在加熱過程由信號檢測電路檢測。最后實現整個系統程序。圖4所示為系統總體流程圖。

4 系統仿真實現

仿真電路如圖5所示。

MAX831L芯片的主要作用是為了防止程序跑飛。整個電路的上半部分是穩壓電路：提供穩定的電壓。AT89C51右邊是報警電路，右下是雙向電壓比較器。

LM393使用電壓比較替換，這兩比較器相當于LM393的內部。

仿真電路中的加熱管使用電阻替代。仿真電路基本是原來設計的電路的綜合其中有電源電路，信號檢測模塊，主控模塊。報警模塊。而MAX831L雖說是防止程序跑飛電路。但是實際卻沒有實現其功能。

在實物中會加入顯示模塊也就是液晶顯示。實物是原本的豆漿機改變而來的只是在原本的基礎之上加了檢測模塊。

5 結語

此豆漿機正是由于基于搭載ARM嵌入式平臺，涉及到電路設計，硬件編程及自動化研究。此豆漿機健康營養，提高人們每日所需的蛋白質和磷脂，對提高人體素質有積極作用，同時，也方便了人們的日常生活[3]。此豆漿機該設計有許多待解決的問題，比如如何實現定時，如何防止多次打磨對系統的干擾等，在未來筆者對智能豆漿機有更好的期待，比如智能豆漿機將實施語音指令加工，而不是觸摸的按鍵指令加工。

參考文獻：

[1] 戴澤淼，王勝，梁繼會.基于ZigBee嵌入式智能家居控制系統的設計與實現[J].吉林師范大學學報（自然科學版），2015，36（02）：87-90.

[2] 李翔. 基于ARM9嵌入式智能家居控制系統研究與設計[D].電子科技大學，2013.

[3] 周姝穎，林凡強，周璟瑜.多口味自動售賣五谷營養豆漿機[J].電子科技，2015，28（6）：176-178.

Research on the Development of Smart Soybean Milk Machine Based on Embedded Technology

YUE Qian-qian

（School of Electrical Engineering， Anhui Sanlian College， Hefei 230601，China）

Abstract： With the great leap of internet， communication and sensors technology， the embedded smart appliances in modern society have penetrated into every aspect of our life. ARM720T， the core control system， can achieve full intelligent soybean milk machine， simple and convenient temperature control part can realize the control of temperature. Soybean milk machine consists of motor， control circuit and heater， alarm circuit and signal detection circuit. ARM as the control core can be simple and quick to solve the problem of control. The ARM technology is not only widely used but also more and more mature， which makes it more and more popular for the kernel small appliances.

Key words： smart soybean milk machine； temperature control； alarm circuit；ARM720T

責任編輯 張志釗