基于嵌入式技术的智能豆浆机的开发研究

岳倩倩

摘 要：随着网络技术、通信技术和传感器技术的飞跃发展，人们对智能家居家电的需求和关注度也越来越高。控制系统核心是ARM720T，可以简单便捷实现豆浆机的全智能化，温度控制部分可以实现温度的控制。豆浆机由电动机，控制电路和加热器，报警电路、信号检测电路组成。ARM作为控制核心可以简单快捷的解决控制问题；ARM不仅应用广泛而且ARM技术越来越成熟，从而使得ARM作为内核小家电越来越受人们的青睐。

关键词：智能豆浆机；温度控制； 报警电路；ARM720T

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2018）02-0064-05

豆浆现在已经是人们生活中必不可少的一种健康绿色食品，人们的生活节奏越来越快，现磨豆浆的时间太长导致人们不愿花时去磨，对于工厂加工的豆浆不放心，因此，作为智能小家电的一种，智能豆浆机进入人们的生活。[1]早期智能豆浆机实现完全是以单片机为核心，价格便宜且容易操作但其基本功能同一化比较严重，大部分智能家居共同特点是“程序化”比较严重，“人性化”体现不够。换句话说，智能性表现的还不够令人满意[2]。嵌入式ARM作为豆浆机的内核可以容易实现研磨，温度控制，防溢检测，报警集一身。使人们不必花太长时间等待豆浆的研磨加热。ARM的技术日益成熟，作为内核不仅方便，也更加实惠，且符合人们对豆浆品质的放心。

1 研究方式与思路

豆子经过高温的水泡过之后，会使得豆子更加容易打碎，因此，打碎之前必须对豆浆机内的水加温。当温度达到一定程度时，豆浆机开始打磨，反复打磨几次之后，再次加热，由于再打磨过程中豆浆中产生许多的泡沫，加热时泡沫溢出，为防止溢出设计防溢出电路，反复加热几次，豆浆机停止工作，蜂鸣提示豆浆完成。

如何能够实现这些功能，首先，考虑的就是控制系统的内核，作为控制系统的核心是豆浆机的心。而嵌入式ARM可以很好的实现这些功能且ARM的技术也日益成熟。其次，考虑的是温度的检测，豆子经过高温泡过容易打磨，但是如何控制温度便需要温度的檢测，作为温度的控制可以有两种方式 一种便是热敏电阻。第三，考虑的是温度传感器，最后选择热敏电阻，热敏电阻较温度传感器更加方便。第四，考虑的是防溢出。防溢出选择的是双向电压比较器的，液面位置不同导致电压比较器的输出结果不同来实现溢出的停止。做好这些就可以基本实现豆浆机的智能化。思路确立之后，所要的便是了解豆浆机的工作原理以及所选芯片的基本结构和引脚口的功能。

2 系统硬件电路的设计

2.1 豆浆机的组成及工作原理

豆浆机由打磨部分、控制部分、信号检测部分，报警电路，稳压电路组成。当豆浆机工作时稳压电路将220V电压整流成12V电压给蜂鸣器和中间继电器供电，此外经过7805稳压成5V电压给主控芯片供电。加入适量的水和豆子之后，按下启动键豆浆机开始由预加热模块加热，加热到80℃后，主控芯片开始控制电动机转动，开始打浆过程中，定时打浆10s然后停止5s，反复几次，停止打浆。开始加热，加热过程中水位进行检测，防止溢出，防止缺水，加热时，检测过程中若缺水，则会报警。若泡沫接触防溢电极时，加热管停止加热，直到泡沫脱离防溢电极时重新加热，反复几次，停止工作，报警提示豆浆完成。

2.2 系统总体框图

如图1所示。系统主要由稳压电路，报警电路，防止程序跑飞电路，防溢检测电路，温度控制电路构成。上述系统总体框图中MAX831L是喂狗程序的主要芯片。在工作过程中会定时向主控芯片发送喂狗指令。稳压电路也就是电源电路主要为整个系统提供电源。LM393是检测电路的主要元件。

2.3 系统的硬件组成及工作原理

（1）ARM720T电路。ARM720T应用电路基于ARM为核心的最小系统。ARM720T是ARM公司生产的一种功耗低，性能高，价格低廉的核心控制器，符合成本效益，易于掌握，特别适用于嵌入式小型家电智能控制。

（2）控制驱电路：根据中间继电器的原理。线圈得电，其线圈所对应得常开触点闭合，常闭触点断开。将线圈和三极管相连在接入主控芯片引脚口，根据主控芯片反馈在引脚口的高低电平来控制三极管的通断继而控制线圈其触点的连接和断开。在本次设计电路中正是利用这些特点实现豆浆机的控制。根据这些特点可以很大程度上实现了单片控制，也实现了豆浆机的打磨，加热，信号检测的全自动。

（3）信号检测电路及其工作原理。缺水检测、沸腾溢出检测以及温度检测是信号检测的三个部分。为了使豆浆机不会由于缺水和水位过低造成干烧，从而损坏豆浆机。如图2所示。

缺水检测电路：该模块利用分压电路以及LM393的特性来实现，主控芯片对水位检测实现控制。缺水检测电路是由电加热管外壳、豆浆机内的豆浆或者水、测温电极（与LM393所连接的引脚口）。LM393 是双向电压比较器，LM393的参考电压是由两个电阻分压后所提供的。测温电极和加热管都是在装豆浆的杯子中，水位在正常工作时，水位会漫过测温电极，测温电极和电加热管之间将会形成的一个小电阻R，R和分压电阻形成的分压电路对电源电压进行分压，则造成LM393的内部比较器正端电压会比负端的电压要小，LM393内部比较器输出“0”给主控芯片；当豆浆机内缺水时，水位漫不过加热器的外壳时，测温电极和电加热管构成一个大电阻，这个大电阻与分压电阻对 + 5 V分压，比较器输出高电平给主控芯片，主控芯片输出反馈信号给加热模块，加热模块的线圈失电，其所对饮的触点动作，加热器停止加热。报警电路接受主控芯片的高电平信号，所对应的三级管导通，蜂鸣器报警。就可以实现水检测。

防溢检测电路：电加热管外壳，豆浆机内的水，防溢电极（lm393的负向输入端）之间构成检测回路，当豆浆在加热时，其打浆时产生的泡沫会因为水加热时达到一定温度时沸腾而上升接触到防溢电极，此时防溢电极和电加热管外壳接通，那么防溢电极与电加热管之间构成的电阻会很小，+5V的电源电压被分压电阻分压，LM393内部比较器“ + ”端电压低于“ - ”端，主控芯片引脚口接受到LM393内部比较器的低电平信号，随后主控芯片根据接受的信号就可判断豆浆的泡沫是否到达了防溢电极，若水位高过防溢电极说明此时豆浆快要溢出。主控芯片立刻发送低电平信号给加热模块，加热模块的三级管不导通。中间继电器失电，其常开触点断开。加热器不工作。防溢目的达到。

温度检测电路：如图3所示。在起初设计时选择温度传感器，温度传感器对温度的感应十分灵敏，但是温度传感器要将采集的温度和预设温度对比然后经过转化才能传入主控芯片对于电路的设计会很麻烦，而热敏电阻和普通电阻所构成的分压电路很快实现温度的控制，最后对比其性价比选择热敏电阻。热敏电阻 RT 与 R12 组成分压电路对 +5V 分压后接至 主控芯片，RT 在常温下阻值很高，主控芯片连接处的电压为[5Rt+R12?R12≈0]，此时电压很小，主控芯片接受的信号为低电平，RT 是负温度系数的热敏电阻。当温度升高时其阻值随温度下降，当温度上升到约 80 ℃ 时，RT 阻值下降到几乎为零，这时主控芯片所得的电压约为[5Rt+R12?R12≈5]，此时主控芯片检测到引脚口为高电平即为“1”，主控芯片ARM720T控制加热管停止加热并且发射高电平给打浆模块，线圈得电，其常开触点闭合，电动机开始转动，打浆工作开始。

報警电路及工作原理：由于主控芯片ARM720T给报警电路输出高电平，报警电路中的三级管导通，蜂鸣器工作。报警此时豆浆制作已完成，同时引脚口P1.4 输出高电平，led灯亮。

3 系统软件设计流程图

整个系统开始工作，ARM通过引脚口控制中间继电器的线圈的得失电来控制其触点的开和合，继而控制各个模块的功能及其工作与否。电源接通后，加入豆和水，按下启动键后，预加热模块开始工作，预加热模块工作结束，主控芯片接受信号控制打浆模块开始打浆。随后打浆模块工作结束后，主控芯片开始控制加热模块加热，在加热过程由信号检测电路检测。最后实现整个系统程序。图4所示为系统总体流程图。

4 系统仿真实现

仿真电路如图5所示。

MAX831L芯片的主要作用是为了防止程序跑飞。整个电路的上半部分是稳压电路：提供稳定的电压。AT89C51右边是报警电路，右下是双向电压比较器。

LM393使用电压比较替换，这两比较器相当于LM393的内部。

仿真电路中的加热管使用电阻替代。仿真电路基本是原来设计的电路的综合其中有电源电路，信号检测模块，主控模块。报警模块。而MAX831L虽说是防止程序跑飞电路。但是实际却没有实现其功能。

在实物中会加入显示模块也就是液晶显示。实物是原本的豆浆机改变而来的只是在原本的基础之上加了检测模块。

5 结语

此豆浆机正是由于基于搭载ARM嵌入式平台，涉及到电路设计，硬件编程及自动化研究。此豆浆机健康营养，提高人们每日所需的蛋白质和磷脂，对提高人体素质有积极作用，同时，也方便了人们的日常生活[3]。此豆浆机该设计有许多待解决的问题，比如如何实现定时，如何防止多次打磨对系统的干扰等，在未来笔者对智能豆浆机有更好的期待，比如智能豆浆机将实施语音指令加工，而不是触摸的按键指令加工。

参考文献：

[1] 戴泽淼，王胜，梁继会.基于ZigBee嵌入式智能家居控制系统的设计与实现[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2015，36（02）：87-90.

[2] 李翔. 基于ARM9嵌入式智能家居控制系统研究与设计[D].电子科技大学，2013.

[3] 周姝颖，林凡强，周璟瑜.多口味自动售卖五谷营养豆浆机[J].电子科技，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

责任编辑 张志钊