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• 本文标题：基于STM32的智能豆浆机设计.docx
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• 内容摘要：2021届毕业生毕业论文（设计）基于STM32的智能豆浆机设计系部名称智能制造与信息学院专业名称电气3192学生姓名学号指导教师江雅飞二〇二一年六月摘要考虑到早晨时间相对紧张，本设计从节省时间又能健康生活为出发点，设计出一款可以自动制作并清洗的豆浆机，该豆浆机包括硬件和软件两部分组成。以单片机STM32为核心芯片，蜂鸣器、LED指示灯和电机，主要来验证程序是否能够正常执行。软件设计我将基于STM32单片机为编程工具，软硬件的相互结合会让我的智能豆浆机具有加热、清洁、防溢水溢出和连接手机app控制等功能，来实现豆浆机的智能化。该控制系统以单片机STM32芯片为中心，基本运行流程为将事先泡好的黄豆或者其他豆类装入豆浆机中，并在加入适量清水后将电热管接通升温至80摄氏度后，将粉碎风机接通工作，并开始研磨豆乳十秒钟，如此循环三次，进入降功率状态加热，并升温至十秒种，且指示灯提示整个操作流程已完成。本设计亮点在于可以通过蓝牙通信连接安卓手机端进行豆浆机的控制，并且根据现代人特点，真正实现便捷且智能化的豆浆机，除了自动煮豆浆打豆浆功能，还会呈现智能豆浆机的自动清洗与水位实时报警。关键词：STM32单片机豆浆机蓝牙通信目录摘要I引言11课题背景11。1课题的意义与背景11。2国内外研究现状11。3研究目的和研究内容22系统总体设计22。1系统总体设计22。2方案论证与选择32。3系统实施方案设计33系统硬件设计33。1单片机最小系统43。1。1STM32F103C8T6单片机概述43。1。2时钟电路43。1。3复位电路43。2报警电路设计53。3显示电路设计53。4水位传感器电路模块63。5蓝牙通信设计63。6继电器设计模块73。7温度检测电路设计模块74系统软件设计84。1开发环境介绍84。2主程序流程图84。3子程序流程图94。3。1显示模块子程序流程图94。3。2蓝牙模块流程图104。3。3温度采集模块流程图114。3。4报警模块流程图115实物功能测试125。1实物制作与测试125。2系统功能测试13结论14参考文献16引言豆浆是我国优良传统饮料之一，据传说已经一千九百余年的历史了。传统豆浆中不但具有大量的身体所需要的铁、钙、锌、磷等数十种矿石质外，还富含维生素B1、B2和植物蛋白质、动物磷脂等，使得它是一款老少皆宜的高营养饮料。传统豆奶主要拥有以下四个功能：1。含有丰富维他命，可使你再度得美丽2。可以减少胆固醇，使血液纯净；3。具有清洁功能，使人胃肠畅通；4。具有高温效果，可提高人体温。现在大部分人都用它搭配油条来食用，是一个十分营养又好吃的早点，而且营养价值也很高。不过因为中国传统豆浆的制造工序很重复繁琐，使得人类现在从市面上购买的不一定都是鲜活的中国优良传统豆浆。由于人类对健康意识的增强，现在大部分人都喜欢在家中亲自作出一份鲜美爽口的豆浆，这也对家用豆浆机的迅速蓬勃发展产生了重要的带动作用。而现在豆浆机也朝着自动化，便捷化，安全化蓬勃发展。使大人类在快节奏都市生活的今天，也可以很简单的制造出一份鲜美爽口的豆浆来当作早餐饮料，大大提高了人类的身心健康。1课题背景1。1课题的意义与背景现如今我国社会发展的脚步越来越快，很多人没有时间吃早饭，但早饭对身心健康尤为重要，而我国传统美食豆浆是老少皆宜的健康食品。豆浆营养元素丰富多彩，尽管不如水豆腐，但比别的一切原料油都高，因此豆浆是有效的早饭挑选。可是，因为传统式豆浆制作全过程繁杂，制作时间长，很多人放弃了喝豆浆。因而，设计智能化豆浆机控制系统，制作高效率省时的豆浆机是不可或缺的。设计方案智能化豆浆机总体目标：制作全大豆油、五谷豆浆、营养成分稻米糊、蔬果汁等。整个过程唤醒豆浆机，加温、打磨、全自动清洗技术，只需大约10分钟就可以全自动制作豆浆，安全性、环境卫生、便捷、方便。1。2国内外研究现状豆浆来源于在我国，传说是汉淮南王刘安所研制出来的。依据记述，《本草纲目》可解豆乳、利气废水、诸风寒风热、诸毒。如今，这一杯豆浆已经占据了很大的销售市场。国务院办公厅发展趋势科学研究家用电器学术研究团队公布的《二零零八年我国小家用电器发展趋势研究报告》表明，微波炉加热和电滋炉这两座金矿不会再采掘后，在我国小家电产品中的下一座金矿将会向豆浆机倾斜。而如今，豆浆机行业步入产能迅速扩大的井喷时期，据保守预测，整个产业在未来数年内将实现五千万套的生产规模。1。3研究目的和研究内容本设计以单片机控制系统为关键，设计了豆浆机系统软件。不仅可以有更好的使用价值，而且还有很新颖的亮点。本课题核心研究方向如下:第一部分是绪论部分，主要分析了豆浆机的意义，以及现如今豆浆机的研究现状。第二部份计划方案设计，表明了设计规定。同时，还将系统的框图架构以及模板选择进行了阐述。第三部分是硬件设施，依据不同的系统需求进行分析了以下几个部分，分别是：单片机模板、蓝牙模块以及显示模块电路、水位检测电路、报警电路、蓝牙模块。第四部分是设计软件，分别分析了程序语言以及开发环境，也对程序流程图进行了相应的设计。第五部分则是实际调试，对实物的情况以及左右进行了展示，最后全文进行总结。2系统总体设计从我国市面上售卖的豆浆机来说，自动控制系统采用的中间处理部件为PLC，该设计具备稳定性和稳定性能的特点，制造成本相对性较高。那么做为经济发展有营养的食物，豆浆在当代大家中愈来愈受大家喜爱。本论文设计将从单片机为核心的控制系统用于智能化豆浆机的具体功能和电路设计等内容介绍，达到快捷又方便的烹饪出美味可口并且老少皆宜的豆浆。因此根据现代人生活特点，开发设计了以单片机为核心的豆浆机自动控制系统。2。1系统总体设计本次毕业设计的系统总体设计如图21所示。该体系包含STM32单片机控制模块、检验水位线控制模块、报警模块、液晶显示模块、温度检测功能、加热功能和无线通信模块七个一部分，STM32单片机作为控制模块会负责主要的硬件系统控制和处理数据。那为了满足远程数据的传输，因此设计添加无线通信模块，无线通信模块负责将数据信息接收与传送。实现豆浆机煮豆过程加入了加热功能模块并且添加温度检测模块实时检测豆浆机状态，为了方便在本地实现实时显示功能加入液晶显示模块将显示相应数据。检测水位模块负责采集外界数据进行控制。接下来将对每一个功能模块进行方案论证从而说明该实施方案的可行性、以及功能的完备性。直流电机手机APP驱动电路模块报警模块无线通信模块STM32单片机系统加热功能模块检测水位模块温度检测功能模块显示模块图21系统整体框图2。2方案论证与选择接下来每个功能我都会从系统功能的需求，结合市场现有的模块进行功能特性和性价比等方面进行至少两个方案的比较确定最终元器件的选择。2。3系统实施方案设计根据前面的调研，最终智能豆浆机的硬件部分采用STM32F103单片机平台作为主控平台，采用水位传感器控制液体高度，报警系统采用蜂鸣器作为报警提示，采用蓝牙HC05通信模块与手机数据通讯，整体采用5V直流供电，继电器为豆浆机的加热功能，DS18B20传感器实现温度检测，液晶显示模块采用性能最好的OLED型号ssd1306单色液晶屏显示数据，最终框图如图22所示。直流电机ULN2003驱动电路模块继电器加热蓝牙通信模块蜂鸣器报警模块STM32单片机系统水位传感器模块DS18B20温度OLED液晶显示模块图22硬件实施方案框图3系统硬件设计硬件系统是整个智能豆浆机功能实现的基础，根据22硬件实施方案的框图我们知道这些基础包含了单片机控制系统、报警系统电路、显示电路、水位传感器电路、继电器加热系统、温度检测系统和蓝牙通信电路，接下来我会详细描述每一块电路的构成。3。1单片机最小系统3。1。1STM32F103C8T6单片机概述STM32来源于意法半导体公司，此芯片也是该公司进行改良升级后的增强版本。其中的性能较为理想，内核采用的是RISC，集成度、运行可靠性、工作稳定性、工作效率、功耗等几个核心指标比一般的单片机要高效。3。1。2时钟电路时钟电路的晶振为8M结构与两个22pF的电容C9、C10相互连接，经过STM32单片机与OSCINO和SCOUT引脚进行相互连接，来实现单片机实现工作所要采用的时钟控制信息频率。时钟电路的电路图如图图32所示。图32时钟电路3。1。3复位电路相对其他电路来说复位电路算是比较简单的了，它由电容串联电阻所构成，电容的电压不可发生突变。所以当系统软件接通电源后，单片机的T脚底会发生持续性的高电平，这一高电平的延续时间是由电源电路的容积值确定的。假如STM32单片机T管脚检验持续保持的20us以上的高电平，会对单片机反馈复位指令。因而，适度组成RC值可保证稳定的重设。要使得这次设计的系统内部的电路可以正常工作，复位电路就是非常重要的关键了。复位电路就是指把电路状态重新转变为初始情况，其实就是属于平时选择的重启键。这时，复位电路的NT端口会接入到单片机的第17管脚，复位电路如图33所示。图33复位电路3。2报警电路设计之前我已经描述了无源蜂鸣器的内部是没有振荡源的，所以要通过使用百分之五十占空比的500Hz~4。5kHz频率的PWM波驱动，才可以播放出声音。那么单片机会发出控制信号的指令来启动PNP型三极管，如果限流电阻一段给予低电平时，那么电路导通以此来产生声音进行报警。反之如果输出高电平时，三极管就会截止，因此蜂鸣器就不会警报。无源蜂鸣器报警模块中PB12引脚连接于单片机中的P8的第1引脚，系统报警电路如图34所示。图34报警模块电路3。3显示电路设计OLED显示屏类似于LED，OLED它是一种固态半导体电子器件，它的厚度标准在100500纳米，比我们人类的头发丝还要细200倍。并且OLED由两层或三层有机材料构成的，依照最新的OLED设计，第三层可协助电子从阴极转移到发射层。由于OLED是全固体、非真空器件，因此具备抗撞击、耐低温（40℃）等特点，在军用领域方面也有着非常重大的应用领域，如作为坦克、直升机等现代化发展装备的电子显示器终端。本系统的显示电路中SDA、SCL引脚分别于单片机主控模块的PA4以及PA5引脚，显示模块电路可以参考图35所示。图35显示接口电路3。4水位传感器电路模块水位传感器采用了双面材料，面积为5x3厘米，并用镀镍处理附着于其表面，具有很强的抗氧化能力和导电性，以及使用寿命等较为理想的性能。传感器输出信号较为清晰，波形状态好，驱动能力强过15mA。而且配电位器调节的灵敏度非常高，工作电压3。3v5v，输出形式为：数字开关的输出量高电平和低电平与模拟量AO电压输出不同的水位，是模拟信号，使用宽电压LM393比较器，两端比较输出DO。接线方式为：接上5v电源后电源灯亮起，感应板上确认没有水滴时，DO输出为高电平，开关指示灯将熄灭；若用一块湿巾或滴入几滴水，DO输出为低电平（2。5v），开关指示灯会绿灯亮，擦掉感应板上的水珠又会恢复到输出高电平的状态。本系统的水位报警模块中DO（PB8）逻辑信号位于单片机控制模块的PA0引脚，该模块电路如图36所示。图36水位监测接口电路3。5蓝牙通信设计HC05蓝牙模块电路设计简单，也就无需外界串口转换芯片，直接通过与单片机串口的交互连接即可完成。本次设计中HC05蓝牙模块使用了六个引脚，其中的发送和接收口通过与单片机的PA9、PA10串口进行连接，占用IO口较少，不需要很多的单片机IO口就能完成对蓝牙通信传输功能。手机蓝牙HC05是主从关系蓝牙串口模块。蓝牙设备和手机连接进行后，我可以忽视手机蓝牙的通讯协议，将蓝牙设备作为串行通信端口号。电脑主板搜集蓝牙设备一起将信息发送至安全通道。采集板流程：当系统工作后，湿度传感器就会检验环境的湿度，利用DA转换器将模拟信号传输到采集板，采集板接收的数据后传递给蓝牙模板。此时蓝牙模块的RX1与TX1引脚分别于单片机中PB1与PB10相连实现串行通信，蓝牙模块电路如图37。图37蓝牙通信接口电路3。6继电器设计模块继电器的控制区域与负载区有隔离槽，具有电源和继电器动作指示，连通亮，断开则不亮。信号输入端有信号时，公共端与常开端会导通，控制直流或交流信号，可以控制220v交流负载，蓝色KF301端子接控制线更方便。Jp2为高压侧，3号管脚是220v，1号管脚接地，2号管脚通过开关可以选择。起到开关控制加热管加热和停止加热。开关的过程需要靠继电器，通过电流经过判断是否加热。D2为稳压二极管，一旦继电器吸附能力太强后需要的电流也越大，为了防止电压正常所以放置D2稳压管。发光二极管提示继电器工作状态，只要电流导通，一端流向继电器一端流向了二极管起到提示作用。此时继电器模块的P14引脚连接到了单片机的PA8管脚。继电器电路如图38所示。图38继电器接口电路3。7温度检测电路设计模块DS18B20电路设计：DS18B20传感器的内部高速暂存器区含两字节的温度寄存器，用来存储温度传感器输出的数据信息。并且，高速率的暂存器有一个字节上下的温度报警寄存器TL与TH，与另一个字节的配置寄存器。配置寄存器可以允许用户把温度的精确度设置912位的分辨率为0。5摄氏度、0。25摄氏度和0。125摄氏度。TL、TH和配置寄存器为EEPROM，存储的数据信息在元器件掉电是也不会清除。VCC接3到5。5v，GND接到电源的负极上，这时电源指示灯亮起，数据线与上拉电阻进行连接。DQ传感器数据输出与STM32单片机PA1管脚相连，DS18B20温度传感器电路如图39所示。图39温度接口电路4系统软件设计本系统软件设计主要是运用了C语言程序以及keil开发编程软件，由于运用了C语言，所以在编程上非常的方便快捷实现了智能豆浆机的所需功能。4。1开发环境介绍在软件系统设计时，可以通过软件设计和调整工作流程等方式进行详细操作，在选择其他语言规范编程时，通常选择C编程语言主要是基于其二个方面的好处，一是运行简洁方便，而且可以高效处理众多大数据问题。而C编程语言则是一种面向对象过程、抽象式化的应用编程语句，主要应用于基础层设计。而C编程语言则可能以最简便的方法编辑、管理低级内存。而C编程语言则是仅生成了少许的机器语句，并且不需其他工作环境帮助便可工作的高性能编程语句。尽管C编程语言提出了不少较低层处理的功能，但依旧保留了跨平台的特点，以某些标准规格编写的C语句程式就可以在包含了某些相似于嵌入式处理器或者超级计算机等作业平台的众多计算机平台上实现翻译。4。2主程序流程图我设计的高效率、省时的智能豆浆机流程表如下图41所显示，最先开始会将进入程序的初始化环节，最先判断豆浆机是否出现了水位报警，如果出现了水位溢出或干烧情况智能豆浆机将立即切断豆浆机的加热功能，如果判断没有出现水位报警，那将会启动加热管功能，将豆浆机加热到80摄氏度之后开始榨豆子过程，如果没有到标准次数五次，豆浆机会停止加热继续榨豆子，时间为15秒钟，若榨豆完毕会启动加热功能至三十秒，若期间水位报警，将立即停止工作，直至报警解除，若正常，将加热转为小火三十秒完成工作后，豆浆机自动停止。图42主程序流程图4。3子程序流程图4。3。1显示模块子程序流程图液晶显示模块子程序流程图如图43所示，上电以后，首先开始液晶屏的初始化，进行延时等待，延时等待主要进行IIC总线的ACK的确认，接下来我所有的操作都会有一次ACK的确认这里就不再多次描述了。随后写指令写行列的地址，显示首地址然后依次把数据显示出来，直至数据写完，最后进行回读，确认写到LCD里的内容是否正确，如果正确内容将会显示，反之继续操作。图43显示模块流程图4。3。2蓝牙模块流程图蓝牙HC05是主从关系一体的蓝牙串行通信模块，简易而言，假如蓝牙机器设备和蓝牙设备取得成功匹配，则可以忽视蓝牙内部结构的通讯协议，立即将蓝牙作为串行通信。创建联接后，2个机器设备将一同应用一个安全通道，即同一串行通信端口号。HC05的Bluetooth串行通信模块具备两种工作方式：指令回应操作方式和自动连线操作方式，其中，可将其分成三个工作任务：主干、从和回环。蓝牙通信设备唤醒后，首先进入初始化阶段，收到请求后进行信息配对并建立连接，紧接着会读取手机端指令（55开始和AA停止，若故障就为FF）并匹配命令进行执行操作至清空缓冲区为下一次命令作准备，最后结束任务。图44蓝牙模块流程图4。3。3温度采集模块流程图设计方案中采用的传感器是DS18B20传感器。DS18B20传感器软件具体软件设计流程：在主函数内插入DS18B20初始化函数，延时函数需要写在DS18B20初始化函数后面，延时时间为一秒。将DS18B20采集温度的程序写入主程序的主循环语句中。之后运用液晶显示屏的显示函数显示温度信息即可。温度传感器的工作流程图可以参考图45所示图45温度采集模块子程序流程图4。3。4报警模块流程图程序读取搜集到的水位线信息和温度记录信息，如果超过系统设计要求的范畴，并且程序在一定时间段内持续判定出现异常情况时，单片机控制几管脚输出低电平开启PNP，同时蜂鸣器报警启动警报提醒的实际效果。如果水位满足设计要求，则几管脚输出高电平，蜂鸣器不报警，直到豆浆机完成工作后蜂鸣器提示制作豆浆完成，其软件工作流如图46所示。图46报警模块子程序流程图5实物功能测试在对电路以及程序设计完成后，要对实物软硬件的功能进行测试，通过测试发现软硬件系统中可能存在的问题，并针对问题进行改善。5。1实物制作与测试将每一个模块之间的电路构架摸索清楚，采用电路检测仪器（万用表）逐步排查电路中存在的漏洞，在排查的过程中，已经检测出几个漏洞，包括温度检测部分的电路不稳定，出现时灵时不灵的现象、数据显示模块的显示光线较暗、电机驱动甚至存在发热的现象，经过排查后排除了焊接松动、引线布局不美观、微小的原件选型错误等等现象。此环节的操作排除了硬件模块之间搭建存在的漏洞，也排除了较多的隐患。在检测完成后再次进行检查两到三遍，对元器件的连接关系达到“耳熟能详”的地步。在连接电路板过程中，专心掌握好时机。若是太长时间，集成电路板可能将被烧焦，并导致焊点剥落。熟练后在集成电路板上拆卸电子元器件前，我会先将电烙铁头贴到焊点上，等焊点上的锡充分熔化后，再将电子元器件取出。5。2系统功能测试对于硬件部分的各种功能调试，只要求先检查其最小工作系统是不是能够工作，然后再按下复位按钮，便能够初始化这个工作系统，并还原最初的设定。这个流程中如果要确定初始化检测的实现程度，就应该使用显示屏的数值来作出识别判定，这样就能够更好更精确地达到其工作需求。场景1：当安卓手机通过蓝牙通信成功搜索到豆浆机时，手机设备会提示成功。首次连接成功的豆浆机显示屏初始状态为：停止。随时准备接收手机命令。系统接入电源后亮起，代表系统可以正常进行工作，通过蓝牙可以与手机APP进行连接，手机APP成功登陆。（a）上位机（b）下位机图51场景1连接成功场景2：当豆浆机接收到命令1“开启”时，在确认无水位溢出情况下蜂鸣器响一声后正常切换到煮沸然后启动电机开始榨豆浆，超过八十摄氏度蓝色指示灯会亮起。（a）上位机（b）下位机图52场景2开启豆浆机场景3：当豆浆机接收到命令2“清洗”时，在确认无水位溢出情况下蜂鸣器响一声后正常切换到清洗功能然后启动电机前后转动开始清晰豆浆机，此时LED灯为红色。（a）上位机（b）下位机图53场景3清洗豆浆机在系统上电前用万用表对线路进行通路排查，符合基本通路条件后，进而逐项测试智能豆浆机系统的功能，各个传感器模块是否对外界环境状态信息及时响应，需要进行每部分模块单独的功能性测试，确保系统功能完好，以下对各个传感器模块进行功能性测试：（1）水位检测传感器本课题的湿度检测模块利用水位检测传感器，当水位过高时，有溢出风险就会警报，如果水位合适，就进行加热工作。（2）报警传感器本设计中如果豆浆机存在干烧危险，系统就会警报并停止工作，在加热豆浆时，如果水位过高也会产生警报，停止工作。该模块的测试指标满足系统的功能要求。如图54所示。图54场景4湿纸巾模拟水位报警结论现阶段，程序控制器、智能机器人、CAD或CAM已经成为了在我国工业化生产自动化技术的三大主导产业。因此我以STM32单片机为关键的智能豆浆机生产系统，全自动式控制系统的一键启动方法更简易，简简单单一按按键，数分钟左右就可以制做出醇香爽口的热豆浆。当今后想更换除榨豆浆外，我还想设计出榨水果做米糊等功能时，我们的硬件系统的路线不需要更改。但系统软件可以按照实际操作标准开展调节，所以适应能力强。在本次设计方案进行过程中，我自己通过对水溢出报警模块的用心刻苦钻研，由于考虑到监测水位对于智能豆浆机功能来说是很重要的，那么我从高灵敏度和使用寿命等方面最终采用了雨水传感器模块也就是水位传感器模块完善了最后的方案设计。根据方案设计要求，我顺利完成了所有的方案设计，硬件部分我采用了STM32单片机系统作为核心，DS18B20温度传感器实现温度监测功能，豆浆机加热功能采用继电器进行加热，而OLED作为豆浆机的液晶显示和蓝牙通信连接了与安卓手机的控制。实现了智能豆浆机自动煮豆、榨豆、水位溢出监控和清洁的功能。本次我的设计方案采用的是现有的安卓手机端别人已经设计好的app，我在其app中成功连接了智能豆浆机利用蓝牙通信顺利完成与安卓手机的控制连接。今后我想通过自己的努力，能设计出一款可以不止是安卓系统的手机蓝牙连接的app进行操控，可以多样化，实现更加便捷的方式。参考文献[1]刘静刘颜楷。基于场景理论的智能自助豆浆机设计策略研究[J]。设计202235(02):104107。[2]秦川刘浩然韩晓燕华均海王虎赵云。基于物联网的多功能智能豆浆机设计[J]。中国科技信息2021(20):899。。。
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