豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9321豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例 121707一、豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 131883（一）控制系統(tǒng)硬件的總體框架 132009（二）MCUSTC89C52RC概述 2279071.STC89C52RC的特性 2324212.STC89C52RC的引腳說(shuō)明 317211（三）控制系統(tǒng)各個(gè)功能模塊設(shè)計(jì) 4282811.MCU最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 444622.電源模塊設(shè)計(jì) 5193123.LED電源指示燈模塊設(shè)計(jì) 5168874.按鍵及其LED指示燈模塊設(shè)計(jì) 623535.防干燒及檢測(cè)溫度電路模塊設(shè)計(jì) 7106976.防溢電路模塊設(shè)計(jì) 8166707.電熱器驅(qū)動(dòng)電路模塊設(shè)計(jì) 9153518.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊設(shè)計(jì) 9174899.報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì) 920028（四）系統(tǒng)總體硬件的原理圖設(shè)計(jì) 1024193（五）控制系統(tǒng)的PCB圖和實(shí)物圖 1078921.控制系統(tǒng)硬件的PCB板圖 10227612.控制系統(tǒng)硬件的實(shí)物圖 113633二、豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 131459（一）軟件設(shè)計(jì)的任務(wù) 1321330（二）各功能模塊程序設(shè)計(jì) 158052（三）LED模塊程序設(shè)計(jì) 1526560（四）水位檢測(cè)模塊程序設(shè)計(jì) 1626037（五）預(yù)熱模塊程序設(shè)計(jì) 174220（六）打漿模塊程序設(shè)計(jì) 1826274（七）煮漿和防溢延煮模塊程序設(shè)計(jì) 1921354三、豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)結(jié)果 2110070（一）LED模塊程序調(diào)試 2125847（二）水位檢測(cè)模塊程序調(diào)試調(diào)試過(guò)程 21一、豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（一）控制系統(tǒng)硬件的總體框架本系統(tǒng)的硬件部分分為十大模塊（如圖3-1）：控制器最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、LED電源指示燈模塊、按鍵及其LED指示燈模塊、防干燒及檢測(cè)溫度電路模塊、防溢電路模塊、電熱器驅(qū)動(dòng)電路模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊、報(bào)警電路模塊。圖3-1系統(tǒng)硬件總體框架圖（二）MCUSTC89C52RC概述1.STC89C52RC的特性圖3-2STC89C52RC引腳配置圖2.STC89C52RC的引腳說(shuō)明表3-3STC89C52RC的引腳說(shuō)明（三）控制系統(tǒng)各個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)1.MCU最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的主控芯片選用的是STC89C52RC單片機(jī)，該單片機(jī)內(nèi)部自帶了晶振電路和復(fù)位電路，所以本次設(shè)計(jì)只需要在單片機(jī)外部再接入一個(gè)電源模塊即可組成MCU最小系統(tǒng)。該最小系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)圖如圖3-4所示。圖3-4MCU最小系統(tǒng)圖2.電源模塊設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的電源模塊加裝了全橋電路，該全橋電路是由四個(gè)二極管構(gòu)成的，該電路的作用是將家庭的220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。另外該電源模塊中還加入了穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)電路電壓的穩(wěn)定，將整個(gè)輸出端輸出的電壓穩(wěn)定在5V，以提供給單片機(jī)穩(wěn)定的工作電壓。電源模塊圖和電源及其按鍵實(shí)物圖如圖3-5所示。內(nèi)部變壓器控制電機(jī)和電熱器兩端的工作電壓，整個(gè)系統(tǒng)通電后，變壓器便進(jìn)行降壓工作，以獲得機(jī)器的工作電源。圖3-5電源模塊圖圖3-5電源及其按鍵實(shí)物圖3.LED電源指示燈模塊設(shè)計(jì)圖3-6為L(zhǎng)ED電源指示燈的模塊圖，如圖所示，電源電路的負(fù)極接在單片機(jī)控制芯片的PC0腳，正極接上電阻以后連接+5V的電壓，電阻可以起到分壓的作用使得LED燈兩端的工作電壓達(dá)到正常穩(wěn)定，以確保整個(gè)LED模塊的正常運(yùn)行。系統(tǒng)導(dǎo)通后，LED燈發(fā)光則表示該模塊正常。圖3-6LED電源指示燈模塊圖圖3-6-1LED電源指示燈實(shí)物圖按鍵及其LED指示燈模塊設(shè)計(jì)整個(gè)按鍵及其LED指示燈模塊圖和按鍵實(shí)物圖如圖3-7所示，在核心控制芯片的PD6、PD7和PD8引腳分別接上4.7K的電阻，并在每個(gè)引腳的公共端接上510電阻連接到KEY芯片上構(gòu)成按鍵電路，外部軟鍵盤(pán)1引腳接地。LED電路是LED燈分別串聯(lián)阻值為1K的電阻，負(fù)極連接到510電阻端，正極接上LED穩(wěn)定工作的+5V電壓。LED是低電平有效，當(dāng)負(fù)極為低電平時(shí)開(kāi)始工作，燈泡發(fā)亮，此時(shí)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作為按下按鍵。未按下按鍵時(shí)，負(fù)極高電平，燈泡不亮。這樣就可以通過(guò)按鍵來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令信號(hào)。圖3-7按鍵及其LED指示燈模塊圖圖3-7按鍵實(shí)物圖5.防干燒及檢測(cè)溫度電路模塊設(shè)計(jì)整個(gè)防干燒電路的核心部分為防干燒電極的部分，電極的J2口連接到控制芯片的PD3口，另一端連接一個(gè)0.1UF的電容后再接地，當(dāng)豆?jié){機(jī)內(nèi)水位過(guò)低時(shí)，這種狀態(tài)就會(huì)被防干燒電極檢測(cè)到，然后將該信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信息進(jìn)行讀取判斷水位過(guò)低時(shí)則讓電機(jī)停止工作，以免干燒。整個(gè)防干燒的電路圖如圖3-8所示。圖3-8防干燒電路圖防干燒電極的JP1口連接電源，2口則連接一個(gè)1.8K電阻和0.1UF電容并聯(lián)的電路的公共端，然后公共端的另一端則接地。2端口另一端串聯(lián)一個(gè)1K的電容后再串聯(lián)一個(gè)1500PF的電容后接地，此時(shí)該電路接入的兩個(gè)電容都起到濾波的作用。最后R10和C11的公共端連接到MCU的PD4引腳上。豆?jié){機(jī)內(nèi)加入的防干燒電極可以對(duì)機(jī)器內(nèi)豆?jié){的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，機(jī)器設(shè)置的溫度閾值為80度，當(dāng)機(jī)器內(nèi)的豆?jié){溫度達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)后，PD4端的引腳會(huì)被拉到高電平，單片機(jī)通過(guò)這種電平的變化來(lái)判斷出豆?jié){的溫度。整個(gè)溫度檢測(cè)電路圖如圖3-9所示。圖3-9溫度檢測(cè)電路圖6.防溢電路模塊設(shè)計(jì)防溢出電極J3的一段接一個(gè)0.1UF的電容C6后再接地，另一端接控制芯片的PD2口。當(dāng)防溢出電極感受到豆?jié){時(shí)，則會(huì)對(duì)單片機(jī)發(fā)出溢出信號(hào)，此時(shí)對(duì)應(yīng)PD2引腳為低電平有效，單片機(jī)檢測(cè)到該溢出信號(hào)后會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)，使得加熱電極停止工作，實(shí)行延煮功能，以防止豆?jié){溢出。電容C6仍然起到濾波的作用。整個(gè)防溢出電路的模塊圖如圖3-10所示。圖3-10防溢電路模塊圖7.電熱器驅(qū)動(dòng)電路模塊設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中利用繼電器對(duì)整個(gè)電熱器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。利用二極管的單向?qū)ㄐ阅芡瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制，可以通過(guò)控制繼電器的動(dòng)端觸點(diǎn)來(lái)來(lái)限制電流的流通，端點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，通過(guò)的電流減小了一半，通過(guò)限制電流大小的方式來(lái)達(dá)到限制加熱功率的目的。電熱器驅(qū)動(dòng)電路模塊圖如圖3-11所示。三極管在整個(gè)繼電器中充當(dāng)開(kāi)關(guān)的角色，繼電器的K3與單片機(jī)的PB2引腳相連，另外K2繼電器接入到單片機(jī)的PB3引腳上，K3繼電器和豆?jié){機(jī)的加熱器直接連接，對(duì)加熱器進(jìn)行控制，K1、K2和K3繼電器也分別進(jìn)行連接。圖3-11電熱器驅(qū)動(dòng)電路模塊圖8.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊設(shè)計(jì)可以通過(guò)控制繼電器K1來(lái)達(dá)到對(duì)整個(gè)豆?jié){機(jī)的電機(jī)進(jìn)行控制的目的，上述電熱器驅(qū)動(dòng)模塊中介紹繼電器的開(kāi)關(guān)為三極管，從而三極管的導(dǎo)通與截止是整個(gè)模塊控制的關(guān)鍵。K1的動(dòng)合觸點(diǎn)連接工作電機(jī)，另一端則和繼電器K2相連，整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如圖3-12所示。圖3-12電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊圖9.報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)報(bào)警電路的核心部分為蜂鳴器，三極管的一端連接電阻R17后再接入到單片機(jī)芯片的18引腳上，另一端接入一個(gè)三極管并串聯(lián)一個(gè)電阻，此時(shí)串聯(lián)的兩個(gè)電阻的作用是分壓。通過(guò)控制三極管的導(dǎo)通與截止就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器的控制工作了。該報(bào)警電路模塊如圖3-13所示。圖3-13報(bào)警電路模塊（四）系統(tǒng)總體硬件的原理圖設(shè)計(jì)整個(gè)豆?jié){機(jī)工作時(shí)是直接接入家庭的220V交流電，但是系統(tǒng)實(shí)際的穩(wěn)定工作電壓為+5V，這個(gè)電壓的轉(zhuǎn)換過(guò)程就需要變壓器、穩(wěn)壓芯片等各個(gè)處理電壓的部分來(lái)完成，最終使得整個(gè)系統(tǒng)可以在穩(wěn)定的電壓下進(jìn)行工作。LED燈模塊由PD6、PD7和PD8三個(gè)引腳來(lái)進(jìn)行控制，防干燒和豆?jié){溫度檢測(cè)模塊則連接到MCU的PD4引腳上，PD2引腳用于連接防溢出電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)防止豆?jié){溢出的功能，PB2引腳可以實(shí)現(xiàn)對(duì)豆?jié){機(jī)加熱功率的控制，滿足不同的加熱需求。報(bào)警模塊則連接到PB4引腳上。系統(tǒng)總體電路圖如圖3-14所示。圖3-14系統(tǒng)總體電路圖（五）控制系統(tǒng)的PCB圖和實(shí)物圖1.控制系統(tǒng)硬件的PCB板圖對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電路原理圖設(shè)計(jì)完成以后，對(duì)所有器件進(jìn)行封裝整理，然后開(kāi)始進(jìn)行PCB圖的繪制工作，但是要注意好鉆孔的尺寸以及各元件封裝孔的大小。整個(gè)PCB圖繪制好后手工制作PCB板。所有的元器件的封裝工作完成后，首先要新建一個(gè)文件，將所有的元器件導(dǎo)入到表格中自動(dòng)生成網(wǎng)絡(luò)表，再將網(wǎng)絡(luò)表導(dǎo)入到之前新建的文件中，就進(jìn)行對(duì)PCB圖的繪制工作了，整個(gè)布線過(guò)程要嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心，繪制完成后還要進(jìn)行仔細(xì)的檢查。主電路線寬為3mm，控制電路地線線寬為2mm，12V電源線線寬為1mm，各信號(hào)線線寬為0.762mm。圖3-15系統(tǒng)總體硬件的PCB控制系統(tǒng)硬件的三維圖是通過(guò)選擇“view”菜單下的“Boardin3D”選項(xiàng)自動(dòng)生成的（如圖3-16所示）。圖3-16系統(tǒng)總體硬件的三維圖2.控制系統(tǒng)硬件的實(shí)物圖整個(gè)PCB圖繪制好之后要將整個(gè)圖進(jìn)行轉(zhuǎn)印，將打印好的圖趁熱轉(zhuǎn)印到銅板上后，要檢查好轉(zhuǎn)印情況，并按照實(shí)際情況進(jìn)行必要的補(bǔ)線，然后再進(jìn)行腐蝕的工作，將銅板上將其余的銅腐蝕，得到所需要的電路圖，最后系統(tǒng)總體硬件的實(shí)物圖如圖3-17所示。圖3-17系統(tǒng)總體硬件的實(shí)物圖二、豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)完成后，再實(shí)行軟件部分的設(shè)計(jì)，本次軟件設(shè)計(jì)部分的要求是實(shí)現(xiàn)豆?jié){機(jī)的整個(gè)全自動(dòng)的加熱控制過(guò)程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)防溢出和防干燒的功能。豆?jié){機(jī)的工作流程圖（1）豆?jié){機(jī)的大致工作過(guò)程：預(yù)熱、打漿、煮漿、防溢延煮、斷電報(bào)捷。（2）整個(gè)豆?jié){機(jī)的工作流程圖如圖4-1所示。圖4-1豆?jié){機(jī)的工作流程圖此豆?jié){機(jī)具有四種打漿功能，“慢”程序制作豆?jié){的時(shí)間略有延長(zhǎng)，豆?jié){濃度比“特快有提高。其工作過(guò)程如下：加熱：在整個(gè)豆?jié){機(jī)接上電源后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)豆?jié){濃度和煮豆模式的自主選擇，可以根據(jù)需要選擇快煮和慢煮兩種模式，能夠滿足不同人的需求，選擇好加熱模式后，電熱器就開(kāi)始進(jìn)行加熱，整個(gè)加熱時(shí)間大約為8分鐘。打漿：整個(gè)加熱工作過(guò)程完畢后，則進(jìn)行打漿操作，電機(jī)隨機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，快慢兩種模式的打漿時(shí)間也不同，全豆?fàn)I養(yǎng)模式的打漿時(shí)間相對(duì)于快捷模式更長(zhǎng)。煮漿：將大豆打成需要的漿后，則開(kāi)始煮漿模式。（二）各功能模塊程序設(shè)計(jì)由于整個(gè)全自動(dòng)豆?jié){機(jī)所需要實(shí)現(xiàn)的功能很多，同時(shí)內(nèi)部還有很多循環(huán)和判斷的環(huán)節(jié)，所以整個(gè)程序的設(shè)置工作也比較繁瑣，整個(gè)軟件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)可以減小在程序編程上的難度和錯(cuò)誤概率，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的不同功能，劃分相應(yīng)的模塊，然后對(duì)每個(gè)模塊分別進(jìn)行子程序的編寫(xiě)，最后再和主程序進(jìn)行整合形成整個(gè)控制程序。模塊根據(jù)整個(gè)豆?jié){機(jī)的工作流程圖上顯示的功能區(qū)域進(jìn)行劃分，主要分了六大功能模塊。（三）LED模塊程序設(shè)計(jì)這個(gè)程序很簡(jiǎn)單，就是把單片機(jī)PC0引腳設(shè)置為輸出口，讓其輸出低電平即可。流程圖如圖4-3所示：圖4-3LED模塊程序流程圖（四）水位檢測(cè)模塊程序設(shè)計(jì)防干燒電極連接到MCU模塊的PD3引腳，所以設(shè)置相應(yīng)的程序讀取PD3引腳的電平狀態(tài)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)豆?jié){機(jī)內(nèi)水位的判斷，引腳高電平則表示豆?jié){機(jī)的水位沒(méi)有達(dá)到要求。整個(gè)水位檢測(cè)模塊程序流程圖如圖4-4所示。4-4水位檢測(cè)模塊程序流程圖（五）預(yù)熱模塊程序設(shè)計(jì)整個(gè)預(yù)熱模塊程序流程圖如圖4-5所示。防干燒電極充電溫度傳感器對(duì)豆?jié){機(jī)內(nèi)的水溫進(jìn)行實(shí)行的檢測(cè)，當(dāng)水溫達(dá)到80度以后，PD3引腳就會(huì)輸出高電平，這樣整個(gè)豆?jié){機(jī)就會(huì)停止加熱；反之則繼續(xù)加熱直到達(dá)到80度才停止。其中PB3負(fù)責(zé)信號(hào)輸出而PD3負(fù)責(zé)輸入。圖4-5預(yù)熱模塊程序流程圖（六）打漿模塊程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的打漿模塊程序流程圖如圖4-6所示。PB1引腳負(fù)責(zé)對(duì)打漿信號(hào)的輸出工作，控制電機(jī)對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)，而PD3引腳則負(fù)責(zé)接收傳感器的打漿信號(hào)。單片機(jī)中還接入了定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)間歇性打漿的功能，根據(jù)用戶選擇的打漿功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)各功能相對(duì)應(yīng)的打漿工作，同時(shí)防溢出電極也會(huì)在整個(gè)打漿過(guò)程中對(duì)豆?jié){的溢出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以防止豆?jié){溢出，即單片機(jī)的外部中斷功能。在進(jìn)行打漿的過(guò)程中定時(shí)器同時(shí)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)工作，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的打漿時(shí)間則自動(dòng)停止，間隔規(guī)定秒數(shù)后進(jìn)入下一輪打漿循環(huán)，當(dāng)打漿的次數(shù)達(dá)到所選功能對(duì)應(yīng)的打漿次數(shù)后，則結(jié)束整個(gè)打漿工作。同時(shí)PD3口實(shí)現(xiàn)外部中斷的功能，在打漿的過(guò)程中如果防溢出電極檢測(cè)到豆?jié){溢出時(shí)，則PD3口轉(zhuǎn)換為低電平，實(shí)現(xiàn)中斷功能，停止打漿工作。圖4-6打漿模塊程序流程圖（七）煮漿和防溢延煮模塊程序設(shè)計(jì)整個(gè)煮漿和防溢延煮模塊程序流程圖如圖4-7所示。PB2控制電熱器對(duì)豆?jié){的加熱工作，PD3用于檢測(cè)豆?jié){的溢出信號(hào)。在加熱豆?jié){的過(guò)程中要對(duì)加熱時(shí)間進(jìn)行定時(shí)，循環(huán)規(guī)定的加熱次數(shù)，同時(shí)當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，外部中斷可以實(shí)現(xiàn)豆?jié){的防溢出功能。圖4-7煮漿和防溢延煮模塊程序流程圖對(duì)于整個(gè)軟件的調(diào)試工作，我們按照軟件設(shè)計(jì)的分模塊化的模式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化的調(diào)試工作，先對(duì)各個(gè)模塊的子程序進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)試，各個(gè)模塊調(diào)試完成后再實(shí)行整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試工作。調(diào)試過(guò)程中用的軟件有AVRStudio和Proteus7.1，AVRStudio是AVR單片機(jī)編譯環(huán)境，Proteus7.1是單片機(jī)硬件仿真軟件。五、豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)結(jié)果（一）LED模塊程序調(diào)試圖5-1LED模塊程序調(diào)試過(guò)程調(diào)試結(jié)果：上電后，LED一直點(diǎn)亮。仿真效果如圖5-2所示：圖5-2LED模塊程序調(diào)試結(jié)果（二）水位檢測(cè)模塊程序調(diào)試調(diào)試過(guò)程如圖5-3所示：圖5-3水位檢測(cè)模塊程序調(diào)試過(guò)程調(diào)試結(jié)果：PD3口默認(rèn)輸出高電平，電熱器不工作，未按下按鈕時(shí)水位檢測(cè)模塊程序調(diào)試結(jié)果如圖5-4所示。按下按鈕時(shí)電熱器就開(kāi)始加