基于單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的自動(dòng)豆芽機(jī)

【摘要】根據(jù)豆芽的生長特性，采用以單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，通過自動(dòng)化灑水和加熱管加溫來實(shí)現(xiàn)豆芽的恒溫和水分補(bǔ)充來實(shí)現(xiàn)豆芽的自動(dòng)化生產(chǎn)。硬件部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)模塊、水循環(huán)系統(tǒng)模塊、溫控模塊、顯示模塊、按鈕模塊、加熱模塊五大模塊組成。單片機(jī)采用AT89S52單片機(jī)，水循環(huán)系統(tǒng)采用12V直流微型水泵，溫度監(jiān)測(cè)采用DS18B20芯片，顯示模塊采用LCD1602液晶，加熱模塊采用電熱膜玻璃管。軟件設(shè)計(jì)采用單片機(jī)C語言實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的全部控制功能，具有自動(dòng)定時(shí)灑水，自動(dòng)控制箱內(nèi)溫度，自由設(shè)定溫度上下限的功能。

【關(guān)鍵詞】豆芽機(jī)；電熱膜石英玻璃管；定時(shí)灑水；自動(dòng)恒溫

豆芽因?yàn)槠渲懈缓腥梭w所需要的多種氨基酸和維生素等營養(yǎng)，同時(shí)價(jià)格便宜，味道可口，備受群眾青睞，現(xiàn)在利用單片機(jī)技術(shù)為核心，根據(jù)豆芽的生長特性制作一臺(tái)豆芽機(jī)自動(dòng)生產(chǎn)豆芽。豆種發(fā)芽的最低溫度為10℃，最高溫度為28℃～30℃，不宜超過32℃，豆芽生長的最適宜溫度為22～24℃左右，并且充分供給豆芽所需要的水分，避免光照。我們根據(jù)豆芽生長這樣的生長特性利用單片機(jī)，溫度傳感器，水泵，加熱管，晶閘管，光耦來制造具有這樣一個(gè)環(huán)境的系統(tǒng)就能夠自動(dòng)的生長出豆芽。首先是控制豆芽的溫度，豆芽的溫度控制可以采用淋水的方式，通過控制水溫并把水澆到豆芽上來保證豆芽的溫度。利用溫度傳感器來監(jiān)測(cè)水溫，用加熱管來使之能達(dá)到這樣一個(gè)溫度。溫度傳感器采用DS18B20集成芯片，相比較用溫度傳感器而言更準(zhǔn)，而且可以用單片機(jī)將其時(shí)時(shí)讀出來顯示。加熱管采用的是電熱膜玻璃管，這樣相比較金屬體加熱管更耐腐蝕以防水污染到豆芽。采用晶閘管來控制加熱管的通斷，采用光電耦合來實(shí)現(xiàn)信號(hào)單向傳遞，防止干擾和隔絕強(qiáng)電和弱電。系統(tǒng)主要分為單片機(jī)系統(tǒng)，溫控模塊，水泵模塊，加熱模塊，顯示模塊，鍵盤模塊六大部分，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)定時(shí)噴水，自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)等功能。設(shè)定的溫度為20～26℃，當(dāng)豆芽的溫度不在此區(qū)間時(shí)，豆芽自動(dòng)噴水，溫度低于12℃加熱管工作，直到水溫提升到20℃時(shí)關(guān)閉。豆芽機(jī)每三個(gè)小時(shí)噴水一次，每次噴水時(shí)間為5分鐘。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要采用的是Keil C語言來編程實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)框架圖

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)模塊

1.硬件部分設(shè)計(jì)

1.1 單片機(jī)系統(tǒng)模塊

單片機(jī)資源的分配如圖2所示，P3.0、P3.1、P3.2、P3.3接到鍵盤模塊的四個(gè)按鍵上，P2.6接到加熱模塊上的控制接口，P2.5接到水泵模塊的控制端口，P2.3和P2.4分別接監(jiān)控豆芽溫度和監(jiān)控水溫的DS18B20上，P2.2、P2.1、P2.0分別接到液晶上的RS、RW、EN端口，P0口則接到液晶的數(shù)據(jù)端口。

1.2 溫控模塊

本系統(tǒng)采用的是DS18B20作為溫度傳感器來監(jiān)測(cè)溫度，模塊圖如圖3所示，通過對(duì)豆芽和水溫的監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)對(duì)豆芽溫度的控制，在豆芽盤和水層里面分別安裝DS18B20溫度傳感器接到單片機(jī)的P2.3，P2.4口，單片機(jī)讀取兩個(gè)DS18B20的溫度值來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)。

圖3 DS18B20模塊圖

1.3 加熱模塊

本設(shè)計(jì)采用的是電熱膜玻璃管作為對(duì)水的加熱裝置，對(duì)于金屬型加熱器由于不耐腐蝕，易生銹，易使豆芽收到污染，而采用玻璃管對(duì)水加熱不僅能夠消除

這些弊端，由于采用水循環(huán)澆灌的方式，當(dāng)水從玻璃管中經(jīng)過的同時(shí)，還可以使水均勻的受熱，從而使得水灑向豆芽時(shí)溫度一致，保證豆芽正常生長。加熱模塊如圖4所示，加熱管提供220V交流電，由BTA16-600B晶閘管來實(shí)現(xiàn)加熱管的關(guān)斷，由MOC3061光電耦合來隔絕交流直流電，實(shí)現(xiàn)電氣隔絕，將MOC3061的1腳接到+5V，二腳接到單片機(jī)的P2.0口，當(dāng)給P2.0口一個(gè)低電平，MOC3061內(nèi)部發(fā)光二極管導(dǎo)通，右側(cè)金閘管都通，BTA16-600B也導(dǎo)通，電熱管開始工作，給P2.0口高電平，電熱管則關(guān)閉。

圖4 加熱模塊

1.4 水泵模塊

本設(shè)計(jì)采用的是12V直流微型水泵，通過5V繼電器來控制水泵的啟動(dòng)和關(guān)閉。單片機(jī)P2.1口給一個(gè)低電平時(shí)，表明三極管S8550導(dǎo)通，使得繼電器得電吸合，水泵開始工作；當(dāng)給P2.1一個(gè)高電平時(shí)，水泵停止工作。LED起到指示燈的作用，方便監(jiān)測(cè)電路是否正常運(yùn)作，水泵模塊原理圖如圖5所示。

圖5 水泵模塊

1.5 顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用的是LCD1602液晶作為顯示器件，將單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2分別接到液晶顯示的RS，RW，EN端口，數(shù)據(jù)端口接到P0口。接通豆芽機(jī)電源，單片機(jī)讀取兩個(gè)溫度傳感器的溫度，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后顯示到LCD1602液晶上，當(dāng)按下選擇按鈕時(shí)，液晶顯示需要調(diào)整的上限溫度和下限溫度。調(diào)整完后，再按下選擇按鈕，跳回到顯示現(xiàn)在溫度界面，顯示模塊原理圖如圖6所示。

圖6 顯示模塊原理圖

1.6 鍵盤模塊

按鍵采用的是微動(dòng)開關(guān)，從P3.0～P3.3口接四個(gè)按鍵，分別作為溫度的選擇，上調(diào)，下調(diào)，確認(rèn)功能，其原理圖如圖7所示。當(dāng)按下選擇鍵時(shí)，進(jìn)入調(diào)試模式，再按一下選擇鍵，進(jìn)入溫度上限選項(xiàng)調(diào)節(jié)，按下上調(diào)鍵，溫度上升一度，按下下調(diào)鍵，溫度下降一度，再按一下選擇鍵，進(jìn)入溫度下限選項(xiàng)調(diào)節(jié)，調(diào)整完畢后，按下溫度選擇鍵退出。

圖7 按鍵模塊原理圖

圖8 電路總原理圖

1.7 豆芽機(jī)總電路圖 （下轉(zhuǎn)第32頁）（上接第30頁）

如圖8所示，整個(gè)電路接入220V交流電，通過變壓器轉(zhuǎn)12V交流電，再橋式整流為直流電，經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓芯片提供給單片機(jī)電路板通電，各電路板之間線路連接如上圖所示，除DS18B20，鍵盤，水泵，加熱管外其他電路都在主板上，DS18B20接三個(gè)線延伸到豆芽機(jī)箱，鍵盤和液晶外置與機(jī)箱，連線和主板相接，水泵和加熱管內(nèi)置于地盤上，接線盒主盤連接。

2.軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)豆芽機(jī)的程序流程圖（如圖9所示）

圖9 程序流程圖

2.2 程序流程說明

程序正常運(yùn)行，首先對(duì)定時(shí)器，液晶和DS18B20初始化，然后用T0定時(shí)器定時(shí)給豆芽灑水，然后讀取豆芽中的DS18B20的值，對(duì)讀出的值和預(yù)設(shè)定的值進(jìn)行比對(duì)，如果不在預(yù)設(shè)定值的區(qū)間內(nèi)，則打開水泵，在區(qū)間內(nèi)關(guān)閉水泵，再讀取水中的溫度，如果也不在區(qū)間內(nèi)，則打開加熱管，在區(qū)間內(nèi)則關(guān)閉加熱管，然后進(jìn)入鍵盤掃描，看是否有按鍵按下，有按鍵按下則進(jìn)入調(diào)試模式，對(duì)溫度上下限區(qū)間進(jìn)行調(diào)整，沒有則顯示液晶數(shù)據(jù)，然后再讀取豆芽中DS18B20溫度。

3.豆芽機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖10所示，制作豆芽機(jī)機(jī)箱使用的是熟膠儲(chǔ)物箱，用一個(gè)器件盒作為底殼，電路板安裝固定在底殼下上，泵和發(fā)熱膜玻璃管都安裝在底盤上，箱子固定于底盤上，用兩個(gè)水管接入地盤和箱子之間作為進(jìn)出水口，用膠棒打膠可以防止水從銜接的地方漏出。箱壁上打入四個(gè)螺柱作為豆芽盤安放位置。在安裝加熱膜玻璃管事我們采用生料帶防水再用緊固鐵環(huán)套上防止水從中漏出。將豆芽擺放到豆芽盤M上，豆芽盤為打好孔的有機(jī)板，放在K處的DS18B20對(duì)豆芽溫度進(jìn)行監(jiān)控，放在J處的DS18B20對(duì)水的溫度進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)溫度高于或者低于正常溫度時(shí)，水泵從箱底抽水，從撒水管出來，對(duì)板子上的豆芽進(jìn)行灑水，或者定時(shí)的時(shí)間到，水泵對(duì)豆芽盤上的豆芽進(jìn)行澆水進(jìn)行水分補(bǔ)充。當(dāng)豆芽的溫度低于設(shè)定值，同時(shí)當(dāng)水的溫度低于設(shè)定溫度的下限值的時(shí)候，I處的加熱管開始工作，對(duì)水升溫，從L出水口灑水，L為均勻鉆好細(xì)孔的管子。自動(dòng)豆芽機(jī)結(jié)構(gòu)如圖10所示：

圖10 豆芽機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)示意圖說明：H：進(jìn)水口；I；加熱管；J：水層中DS18B20；K：豆芽中DS18B20；L；灑水管；M：豆芽盤；G；水泵。

4.豆芽機(jī)運(yùn)行測(cè)試

在實(shí)際測(cè)試中豆芽機(jī)正常定時(shí)噴水，每三個(gè)小時(shí)定時(shí)噴水5分鐘后關(guān)閉。當(dāng)溫度不在預(yù)設(shè)定溫度20～26℃時(shí)自動(dòng)噴水。實(shí)際測(cè)試中，生產(chǎn)的豆芽長勢(shì)參差不齊，這是由于灑水的不均勻所致，處理的方法可以用旋轉(zhuǎn)噴頭灑水或者漫灌的方式灑水。其次單片機(jī)有不穩(wěn)定現(xiàn)象，經(jīng)過檢查是由于水泵模塊由繼電器控制關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)電流會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)供電不正產(chǎn)從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，處理的方法則是將單片機(jī)單獨(dú)供電。

5.小結(jié)

在此次設(shè)計(jì)中，豆芽機(jī)成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)噴水和自動(dòng)恒溫的功能，本豆芽機(jī)有一些地方可以進(jìn)一步完善，豆芽盤單層豆芽板生產(chǎn)豆芽產(chǎn)量少可以添置多層板來增加產(chǎn)量。夏天高溫時(shí)，水的溫度可能超過豆芽的最佳生長溫度，解決方案可以采用半導(dǎo)體冷熱片降溫。機(jī)箱內(nèi)的水循環(huán)多次后可能滋生細(xì)菌，可以采用臭氧發(fā)生器對(duì)箱內(nèi)水質(zhì)殺毒消菌。通過本次設(shè)計(jì)，我們掌握到不少東西，收獲匪淺，如對(duì)器件的挑選，對(duì)科技與實(shí)際生活的結(jié)合認(rèn)知都是極其重要的。

作者簡(jiǎn)介：

楊世超（1992—），男，湖北孝感人，大學(xué)?？疲F(xiàn)就讀于三峽電力職業(yè)學(xué)院應(yīng)用電子專業(yè)。

黃明健（1992—），男，湖北荊門人，大學(xué)?？?，現(xiàn)就讀于三峽電力職業(yè)學(xué)院應(yīng)用電子專業(yè)。

江文博（1995—），男，湖北仙桃人，大學(xué)?？疲F(xiàn)就讀于三峽電力職業(yè)學(xué)院供用電技術(shù)專業(yè)。

本文指導(dǎo)老師：劉遠(yuǎn)明。