【正文】 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 20 頁(yè) 圖 9 直流 12V降壓整流濾波電路圖 獲得 24V 的電壓時(shí)，首先降壓得到 30V 的交流電，此時(shí)降壓比（即線圈匝數(shù)比）i2=220/30=。穩(wěn)壓器選擇 W7824，將 30V 的波動(dòng)電壓穩(wěn)定在 24V。供給磨豆電機(jī)和泵電機(jī)使用。電路原理圖如圖 10 所示： 圖 10 直流 24V降壓整流濾波電路圖 穩(wěn)壓器的選用與介紹 集成穩(wěn)壓器是指將不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓的集成電路。 78XX 系列集成穩(wěn)壓器 是常用的固定正輸出電壓的集成穩(wěn)壓器，輸出電壓有 5V、 6V、 9V、 12V、 18V、 24V等規(guī)格，最大輸出電流為 。它的工作原理：取樣電路將輸出電壓按比例取出，送入比較放大器與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，差值被放大后去控制調(diào)整管，以使輸出電壓保持穩(wěn)定。它的內(nèi)部含有限流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)電路，采用了噪聲低、溫度飄逸小的基準(zhǔn)電壓源，工作穩(wěn)定可靠。 78XX 系列集成穩(wěn)壓器為三端器件，一腳為輸入端，一腳為接地端。一腳為輸出端，使用十分方便。 在此設(shè)計(jì)中我們選用是 78XX 系列中得 W7805， W7812， W7824。 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 21 頁(yè) 78XX 系列典型線路如圖 11所示： 圖 11 78XX系列典型線路圖 使用時(shí)，需要在輸入端和輸出端并聯(lián)兩個(gè)電容， C1 用以抵消輸入端較長(zhǎng)接線的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩，一般選擇 ，此處選擇 。 C0是為了瞬時(shí)增減負(fù)載電流時(shí)不致引起輸出電壓有較大的波動(dòng)，可選用 1uF。 輸入電壓和輸出電壓相差不得小于 2V 左右，一般在 5V 左右。因此我們?cè)诮祲旱臅r(shí)候，分別一次降壓為 8V、 15V、 30V。 控制系統(tǒng)硬件的選擇與簡(jiǎn)介 硬件的選擇 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 22 頁(yè) 一般來(lái)說(shuō)要實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的過(guò)程， PLC 與單片機(jī)均 可以實(shí)現(xiàn)。 單片機(jī)控制：優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，成本相對(duì)較低；缺點(diǎn)是用單片機(jī)制作的主控板受制版工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響導(dǎo)致抗干擾能力差，故障率高，不易擴(kuò)展，對(duì)環(huán)境依賴性強(qiáng) ,開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。一個(gè)采用單片機(jī)制作的主控板不經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際驗(yàn)證很難形成一個(gè)真正的產(chǎn)品。 PLC 控制：優(yōu)點(diǎn)是 PLC 是經(jīng)過(guò)幾十年實(shí)際應(yīng)用中檢驗(yàn)過(guò)的控制器，其抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，易于設(shè)備的擴(kuò)展，便于維護(hù)，開(kāi)發(fā)周期短。缺點(diǎn)是成本相對(duì)較高。 PLC 是工業(yè)控制領(lǐng)域的主力軍，能夠完成強(qiáng)電的邏輯控制盒運(yùn)動(dòng)控制及 PID 運(yùn)算；單片機(jī)適用于小型自動(dòng)控制 領(lǐng)域及無(wú)線控制領(lǐng)域；體積小價(jià)格便宜。單片機(jī)自身保護(hù)差， PLC自身保護(hù)強(qiáng)。 PLC 控制抗干擾能力比單片機(jī)強(qiáng)， PLC 適用于中、大型設(shè)備，單片機(jī)適用于微、小型設(shè)備 。總而言之，它們的區(qū)別是使用的領(lǐng)域不同，基本控制原理大體相同。 對(duì)于全自動(dòng)咖啡機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于其占用空間要小，經(jīng)濟(jì)方面也要盡可能的實(shí)惠，因此我們選擇用單片機(jī)作為主要的硬件核心。在單片機(jī)的各種系列中，選擇 AT89C51單片機(jī)。 AT89C51 單片機(jī)是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含4Kbytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存 儲(chǔ)器（ PEROM）和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C51 單片機(jī)可適用于提高許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活運(yùn)用于各種控制領(lǐng)域。它的引腳如圖 12。 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 23 頁(yè) 圖 12 AT89C51單片機(jī)引腳圖 霍爾流量傳感器 水流量傳感器是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)來(lái)測(cè)量磁性物理量。在霍爾元件的正極串入負(fù)載電阻，同時(shí)通上 5V的直流電壓并使電流方向與磁 場(chǎng)方向正交。當(dāng)水通過(guò)渦輪開(kāi)關(guān)殼推動(dòng)磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，切割磁感應(yīng)線，產(chǎn)生高低脈沖電平。由于霍爾元件的輸出脈沖信號(hào)頻率與磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又與水流量成正比，根據(jù)水流量的大小啟動(dòng)燃?xì)鉄崴?。其脈沖信號(hào)頻率的經(jīng)驗(yàn)公式為。 f=8． 1q3 式中： f— 脈沖信號(hào)頻率， H2 q— 水流量， L／ min 由水流量傳感器的反饋信號(hào)通過(guò)控制器判斷水流量的值。根據(jù)燃?xì)鉄崴鳈C(jī)型的不同，選擇最佳的啟動(dòng)流量，可實(shí)現(xiàn)超低壓 (0． 02MPa 以下 )啟動(dòng)。 本設(shè)計(jì)選擇霍爾式 8030 流量計(jì)。它的外觀如圖 13 所 示。 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 24 頁(yè) 圖 13 霍爾式 8030流量計(jì) 它的基本特性為： 1）環(huán)保型設(shè)計(jì)，食品級(jí) POM 材質(zhì)，小巧實(shí)用，可任意角調(diào)節(jié)； 2）雙端為 G1/4 外牙式結(jié)構(gòu)，連接更方便； 3）霍爾元件為日本進(jìn)口，靈敏可靠； 4）流量范圍： ，工作電壓： DC318V，額定電壓 DC5V； 5）輸出電壓 (額定 DC5V）：高電平 以上，低電平 以下；脈沖輸出占空比50177。 10%； 6）專為小流量和醫(yī)藥機(jī)械打造的小水流量傳感器，同時(shí)也可用于電器和機(jī)械設(shè)備。 接口電路如圖 14 所示： 圖 14 流量計(jì)接口電 路 如上圖所示，霍爾式 8030 流量計(jì)有三個(gè)口， 1口接電源， 3 口接地， 2口接單片機(jī)計(jì)數(shù)端口，向單片機(jī)單向輸送信號(hào)。 驅(qū)動(dòng)芯片 ULN2021 高耐壓、大電流復(fù)合晶體管 IC— ULN2021， ULN2021 是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個(gè)硅 NPN 復(fù)合晶體管組成。 ULN2021 是大電流驅(qū)動(dòng)陣列 ,多用于單片機(jī)、智能儀表、 PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。 由于單片機(jī)本身輸出地信號(hào)太微弱，此電路中需要用 ULN2021 芯片驅(qū)動(dòng)繼電器開(kāi)閉和電磁線圈通電。 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 25 頁(yè) 引腳如圖 15 所示。 圖 15 ULN2021驅(qū)動(dòng)芯片引腳圖 封裝外形圖 ULN2021 內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列 16 腳封裝 ,NPN 晶體管矩陣 ,最大驅(qū)動(dòng)電壓 =50V,電流 =500mA,輸入電壓為 5V,適用于 TTL COMS,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路。 ULN 是集成達(dá)林頓管 IC,內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管 ,它的輸出端允許通過(guò)電流為 200mA，飽和壓降 VCE 約 1V 左右，耐壓BVCEO 約為 36V。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體 繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2021 時(shí)，上拉 2K 的電阻較為合適，同時(shí) COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。 溫度傳感器 89C51 單片機(jī)內(nèi)部沒(méi)有數(shù)模轉(zhuǎn)換器，如果選用一般的模擬量溫度傳感器還需要添加 A/D轉(zhuǎn)換器把傳感器的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量給單片機(jī)識(shí)別并處理。因此，本設(shè)計(jì)選擇簡(jiǎn)單方便的數(shù)字型溫度傳感器 DS18B20。 DS18B20 溫度傳感器在美國(guó) DALLAS 公司研制的 DS18B20 可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)焊接，外部加不銹鋼的保護(hù)管封裝而成，優(yōu)點(diǎn)是耐磨耐碰，占用空間小，使用 起來(lái)方便，多樣化的封裝形式，在各種狹小空間設(shè)備數(shù)字控制和測(cè)溫領(lǐng)域都十分試用。它能依據(jù)實(shí)際的需求，利用簡(jiǎn)單的編程達(dá)到 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 它的特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)： 1）接口方式為單線接口， DS1820 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS1820 的雙向通訊 ,在使用中不需要任何外圍元件。 2） 測(cè)溫范圍 － 55℃～＋ 125℃，固有測(cè)溫分辨率 ℃。 3）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS1820 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。 4）工作電源 : 35V 的直流電源 5）測(cè)量結(jié)果以 9 位數(shù) 字量方式串行傳送。 DS18B20 采用 3腳 PR－ 35 封裝或 8腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 16 所示。 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 26 頁(yè) 圖 16 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的管腳排列如圖 17 所示 : 圖 17 DS18B20的管腳排列 各部分電路說(shuō)明 單片機(jī)控制部分 1） 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 是反向放大器的輸入端和輸出端。 該 反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 2）單片機(jī)芯片的擦除： 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“ 1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 27 頁(yè) AT89C51 的穩(wěn)態(tài)邏輯可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩 種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 3）單片機(jī)的時(shí)鐘電路 AT89C1 單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路是一個(gè)高增益反向放大器，引線 XTAL1 和 XTAL2 分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機(jī)內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，外部還需附加電路。 AT89C51 的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種：內(nèi)部時(shí)鐘電方式和外部時(shí)鐘方式。由于外部時(shí)鐘方式用于多片單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，所以此處選用內(nèi) 部時(shí)鐘方式。即利用其內(nèi)部的振蕩電路在 XTAL1 和 XTAL2 引線上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生自激振蕩。最常用的是在 XTAL1和 XTAL2 之間接晶體振蕩器與電路構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖 18 電路所示為單片機(jī)最常用的時(shí)鐘振蕩電路的接法，其中晶振可選用振蕩頻率為 6MHz 的石英晶體。兩個(gè)電容均選用 30pF 的電容器。 圖 18 單片機(jī)時(shí)鐘電路 4）單片機(jī)的復(fù)位電路 本設(shè)計(jì)中 AT89C51 是采用上電自動(dòng)復(fù)位方式。最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路如圖 19 所示。上電瞬間， RC 電路充電， RST 引線端出現(xiàn)正脈沖，只要 RST 端保持 10ms 以上的高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。電阻選擇 1KΩ的電阻，電容器一般選擇 22μ F。 圖 19 單片機(jī)復(fù)位電路 傳感器數(shù)據(jù)采集電路 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 2021 屆 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第 28 頁(yè) 傳感器數(shù)據(jù)采集電路主要指 DS18B20 溫度傳感器與單片機(jī)的接口電。 DS18B20 可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí) DS18B20 的 1 腳接地， 2腳作為信號(hào)線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的 DS18B20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè) MOSFET 管來(lái)完成對(duì)總線的上拉。當(dāng) DS18B20 處于寫(xiě)存儲(chǔ)器操作和溫 度 A/D轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)間最大為 10us。采用寄生電源供電方式時(shí) VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。考慮到實(shí)際應(yīng)用中寄生電源供電方式適應(yīng)能力差且易損壞，此處采用電源供電方式，I/O 口接單片機(jī)的 口。 工作時(shí)，溫度傳感器不斷采集數(shù)據(jù)并且在內(nèi)部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳給單片機(jī)，單片機(jī)自動(dòng)處理為十進(jìn)制的溫度值，在程序中使用 while 語(yǔ)句與 90 攝氏度比較，當(dāng)溫度值超過(guò) 90 攝氏度時(shí)，程序跳出 while 語(yǔ)句，單片機(jī)將 口置 0，驅(qū)動(dòng)芯片將輸出 1，此時(shí)電磁換向閥得電， 熱水進(jìn)入釀造器；與此同時(shí)， 置 1，驅(qū)動(dòng)芯片輸出 cal 口為 0，加熱電阻斷開(kāi)，不再加熱。 溫度傳感器接線電路如圖 20 所示。 圖 20 溫度傳感器電路 流量計(jì)數(shù)據(jù)采集控制電路 該霍爾流量計(jì)工作電壓為 5V。 我們把流量計(jì) 1接單片機(jī) T1 口，計(jì)時(shí)端口，此流量計(jì)用來(lái)控制進(jìn)入加熱鍋爐加熱水的水量，每次我們讓進(jìn)入容器待加熱的水為 400ml，這樣的話相當(dāng)于計(jì)數(shù) 1752 個(gè)脈沖數(shù)，等計(jì)數(shù)器到達(dá) 1752 數(shù)值后置 F1 為 1，電磁換向閥斷電，泵不再往鍋爐內(nèi)壓水。 流量計(jì) 2接單片機(jī) T0 口，計(jì)數(shù)端口。流量計(jì)通過(guò) 1L水時(shí)發(fā) 出 4380 個(gè)脈沖。 一次推算，流量計(jì)通過(guò) 60ml， 100ml、 200ml、 300ml 水時(shí)分別發(fā)出 26 43 871314 個(gè)脈沖。用戶首先通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)選擇杯量，輸入給 和 口，這時(shí) P1 口得到一個(gè)初始值，讓其與 16進(jìn)制數(shù) C0進(jìn)行按位與，