基于嵌入式技術(shù)的智能豆?jié){機的開發(fā)研究

岳倩倩

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛躍發(fā)展，人們對智能家居家電的需求和關(guān)注度也越來越高?？刂葡到y(tǒng)核心是ARM720T，可以簡單便捷實現(xiàn)豆?jié){機的全智能化，溫度控制部分可以實現(xiàn)溫度的控制。豆?jié){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(yīng)用廣泛而且ARM技術(shù)越來越成熟，從而使得ARM作為內(nèi)核小家電越來越受人們的青睞。

關(guān)鍵詞：智能豆?jié){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?jié){現(xiàn)在已經(jīng)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(jié)奏越來越快，現(xiàn)磨豆?jié){的時間太長導(dǎo)致人們不愿花時去磨，對于工廠加工的豆?jié){不放心，因此，作為智能小家電的一種，智能豆?jié){機進入人們的生活。[1]早期智能豆?jié){機實現(xiàn)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(xiàn)不夠。換句話說，智能性表現(xiàn)的還不夠令人滿意[2]。嵌入式ARM作為豆?jié){機的內(nèi)核可以容易實現(xiàn)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?jié){的研磨加熱。ARM的技術(shù)日益成熟，作為內(nèi)核不僅方便，也更加實惠，且符合人們對豆?jié){品質(zhì)的放心。

1 研究方式與思路

豆子經(jīng)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?jié){機內(nèi)的水加溫。當(dāng)溫度達到一定程度時，豆?jié){機開始打磨，反復(fù)打磨幾次之后，再次加熱，由于再打磨過程中豆?jié){中產(chǎn)生許多的泡沫，加熱時泡沫溢出，為防止溢出設(shè)計防溢出電路，反復(fù)加熱幾次，豆?jié){機停止工作，蜂鳴提示豆?jié){完成。

如何能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能，首先，考慮的就是控制系統(tǒng)的內(nèi)核，作為控制系統(tǒng)的核心是豆?jié){機的心。而嵌入式ARM可以很好的實現(xiàn)這些功能且ARM的技術(shù)也日益成熟。其次，考慮的是溫度的檢測，豆子經(jīng)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(dǎo)致電壓比較器的輸出結(jié)果不同來實現(xiàn)溢出的停止。做好這些就可以基本實現(xiàn)豆?jié){機的智能化。思路確立之后，所要的便是了解豆?jié){機的工作原理以及所選芯片的基本結(jié)構(gòu)和引腳口的功能。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

2.1 豆?jié){機的組成及工作原理

豆?jié){機由打磨部分、控制部分、信號檢測部分，報警電路，穩(wěn)壓電路組成。當(dāng)豆?jié){機工作時穩(wěn)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(jīng)過7805穩(wěn)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?jié){機開始由預(yù)加熱模塊加熱，加熱到80℃后，主控芯片開始控制電動機轉(zhuǎn)動，開始打漿過程中，定時打漿10s然后停止5s，反復(fù)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(fù)幾次，停止工作，報警提示豆?jié){完成。

2.2 系統(tǒng)總體框圖

如圖1所示。系統(tǒng)主要由穩(wěn)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(gòu)成。上述系統(tǒng)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(fā)送喂狗指令。穩(wěn)壓電路也就是電源電路主要為整個系統(tǒng)提供電源。LM393是檢測電路的主要元件。

2.3 系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

（1）ARM720T電路。ARM720T應(yīng)用電路基于ARM為核心的最小系統(tǒng)。ARM720T是ARM公司生產(chǎn)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(qū)電路：根據(jù)中間繼電器的原理。線圈得電，其線圈所對應(yīng)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(jù)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(shè)計電路中正是利用這些特點實現(xiàn)豆?jié){機的控制。根據(jù)這些特點可以很大程度上實現(xiàn)了單片控制，也實現(xiàn)了豆?jié){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?jié){機不會由于缺水和水位過低造成干燒，從而損壞豆?jié){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(xiàn)，主控芯片對水位檢測實現(xiàn)控制。缺水檢測電路是由電加熱管外殼、豆?jié){機內(nèi)的豆?jié){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?jié){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(nèi)部比較器正端電壓會比負端的電壓要小，LM393內(nèi)部比較器輸出“0”給主控芯片；當(dāng)豆?jié){機內(nèi)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(gòu)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(yīng)的三級管導(dǎo)通，蜂鳴器報警。就可以實現(xiàn)水檢測。

防溢檢測電路：電加熱管外殼，豆?jié){機內(nèi)的水，防溢電極（lm393的負向輸入端）之間構(gòu)成檢測回路，當(dāng)豆?jié){在加熱時，其打漿時產(chǎn)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(gòu)成的電阻會很小，+5V的電源電壓被分壓電阻分壓，LM393內(nèi)部比較器“ + ”端電壓低于“ - ”端，主控芯片引腳口接受到LM393內(nèi)部比較器的低電平信號，隨后主控芯片根據(jù)接受的信號就可判斷豆?jié){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?jié){快要溢出。主控芯片立刻發(fā)送低電平信號給加熱模塊，加熱模塊的三級管不導(dǎo)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(shè)計時選擇溫度傳感器，溫度傳感器對溫度的感應(yīng)十分靈敏，但是溫度傳感器要將采集的溫度和預(yù)設(shè)溫度對比然后經(jīng)過轉(zhuǎn)化才能傳入主控芯片對于電路的設(shè)計會很麻煩，而熱敏電阻和普通電阻所構(gòu)成的分壓電路很快實現(xiàn)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(shù)的熱敏電阻。當(dāng)溫度升高時其阻值隨溫度下降，當(dāng)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(fā)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(zhuǎn)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(dǎo)通，蜂鳴器工作。報警此時豆?jié){制作已完成，同時引腳口P1.4 輸出高電平，led燈亮。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

整個系統(tǒng)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(yù)加熱模塊開始工作，預(yù)加熱模塊工作結(jié)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(jié)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(xiàn)整個系統(tǒng)程序。圖4所示為系統(tǒng)總體流程圖。

4 系統(tǒng)仿真實現(xiàn)

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(wěn)壓電路：提供穩(wěn)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(dāng)于LM393的內(nèi)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(shè)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(xiàn)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?jié){機改變而來的只是在原本的基礎(chǔ)之上加了檢測模塊。

5 結(jié)語

此豆?jié){機正是由于基于搭載ARM嵌入式平臺，涉及到電路設(shè)計，硬件編程及自動化研究。此豆?jié){機健康營養(yǎng)，提高人們每日所需的蛋白質(zhì)和磷脂，對提高人體素質(zhì)有積極作用，同時，也方便了人們的日常生活[3]。此豆?jié){機該設(shè)計有許多待解決的問題，比如如何實現(xiàn)定時，如何防止多次打磨對系統(tǒng)的干擾等，在未來筆者對智能豆?jié){機有更好的期待，比如智能豆?jié){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(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，36（02）：87-90.

[2] 李翔. 基于ARM9嵌入式智能家居控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].電子科技大學(xué)，2013.

[3] 周姝穎，林凡強，周璟瑜.多口味自動售賣五谷營養(yǎng)豆?jié){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(zé)任編輯 張志釗