面包机设计规范.doc

河北科技师范学院
单片机原理及应用课程设计

面包机设计

学 院 名 称 ： 机 电 工 程 学 院
专 业 名 称： 电气工程及其自动化
学 生 姓 名： 徐松
学 生 学 号： 0812120221
指 导 教 师： 马继伟

2015年01月09日

前 言
公司经过十多年的发展，小家电产品的研发设计能力已得到很大的提高，无论在款式，
结构，功能、工艺水平及数量上都有质的飞跃。同时，公司产品研发工程体系也积累了不少
的宝贵经验和实验数据，整理成册为后续研发提供可参照的经验数据。
为应对全球的小家电产品市场的白热化竞争，跨越欧美日益提高的技术壁垒，缩短新产
品开发周期，提高公司的产品质量和档次。我们组织产品研发中心各部门有经验的工程师，
编写了这本《产品设计规范》，用于指导产品开发技术人员和与其相关的工程技术人员的新
产品设计开发工作。这本资料在内容上，着重对产品外观效果的处理，内部结构的布局，零
部件的装配关系，材料的要求和选用，产品装配工艺性要求等作了较详细的介绍和叙述，并
整理了一部份数据，工程师在设计时可直接采用。从而减少产品设计的失误，降低产品的结
构缺陷比例，并大量节省工程师的设计时间。每个新产品在设计过程中都会遇到一些新的难
点和重点，并产生新的经验数据，因此我们会对本《规范》进行定期修改和更新、使之不断
完善。
本《规范》是产品研发的指导性文件，有较强的通用性。我们希望这本《规范》起到抛
砖引玉的作用，使产品研发工程师能得到举一反三的启发和帮助，较好地解决技术上的难点
和重点，但具体产品在设计时需根据具体的功能及结构情况作一些变动，切不可机械地套用
和照搬。

目 录
1.适用范围

2.规范性引用文件
2.1.安规标准
2.2.电磁兼容性标准
2.3.食品卫生要求
2.4.环保要求
2.5.公司标准规范

3.面包机的工作原理及基本结构
3.1.基本工作原理
3.2.基本功能和主要参数
3.3.面包机操作界面
3.4.传动系统
3.5.面包桶

4.面包机程序设计及控制器的设计要求
4.1.产品程序设计要求
4.2.面包机的控制器
4.3.电源部份
4.4.微处理器
4.5.指令输入系统
4.6.输出执行机构
4.7.显示
4.8.蜂鸣器
4.9.温度控制系统

5.面包机结构设计的基本设计步骤
5.1.确定产品规格
5.2.确定面包桶及烤箱腔体的尺寸
5.3.确定产品外形基本尺寸
5.4.3D外形图设计
5.5.3D详细结构设计
5.6.产品设计评审
5.7仿真图

１.适用范围
本规范适用于广东新宝电器股份有限公司ODM类面包机的新产品设计指引,也可用于OEM类产品的设计参考．

２.规范性引用文件
面包机的设计应满足客户要求和销售地的法律法规的要求,包括:安规要求,电磁兼容性要求,食品卫生要求,环保要求等规定,本规范涉及的引用文件有:
2.1 安规标准
2.1.1 GS标准
销售到欧洲的面包机设计安规要求符合:EN60335-1，EN60335-2-14，EN60335-2-9
2.1.2 UL标准
销售到美国的面包机设计安规要求符合:UL1026，UL982
2.1.3 3C标准
在中国销量的面包机设计安规要求符合:GB4706.1，GB4706.30，GB4706.14
2.2 电磁兼容性标准
2.2.1 销售到欧盟的面包机电磁兼容性要满足标准：EN55014-1, EN55014-2, EN61000-3-2, EN61000-3-3
2.3 食品卫生要求
面包机与食物接触的主要是作为容器的面包桶和上盖衬及上盖内的硅胶件,透视窗,这些零部件应满足食品卫生的要求.
2.3.1 销售到美国的面包机以上与食品接触的零部件应满足FDA CFR21 PART170-189的要求.
2.3.2 销售到欧盟的面包机以上与食品接触的零部件应满足2004/1935/EC指令的要求,客户指令按销售地的标准的按客户的要求,如德国的LFGB $30,31,法国的DGCCRF2004-64标准的要求.
2.4 环保要求
2.4.1 销售到欧盟的面包机整机所有的零部件应符合:欧盟指令2002/95/EC 关于电子电气设备中限用有害物质的指令.
整机设计应考虑满足: 欧盟颁布的指令2002/96/EC的要求,即在面包机使用寿命到期报废后,整机的拆分,再生率>70%,可再使用和可再利用率>50%.
2.5 公司标准要求
2.5.1.面包机设计开发程序按照公司”COP-006 设计管理程序”的要求进行,
2.5.2. 零部件的名称按”Q/YF 005-2005面包机零部件名称”,
2.5.3 .主要通用零部件根据”开发任务书”和”产品规格书”的要求,尽可能从标准”Q/YF 048-2007面包机通用零部件标准目录”中选取
2.5.4.符合公司其它标准和规范的要求 。

3.面包机的工作原理与基本结构
3.1 基本工作原理
3.1.1 家用自动面包机是一种用于家庭制作面包，发酵面团,蛋糕,果酱等的智能型小家电产品,将所有面包配料按照说明书的要求加入到面包桶，启动面包机，它能按照预设的程序，自动完成搅面，发酵，放酸，醒面,烘烤的全过程.面包机采用交流单相电机驱动搅拌，齿形同步皮带传动，用搅拌棒对面团进行充分的搅拌，采用单片微电脑控制面团的搅拌过程,发酵和烘烤的温度.面包机因其结构和容量的不同可分为单搅拌棒和双搅拌棒两大类。单搅拌棒面包机的面包桶的磅数一般在2.5磅以下;双搅拌棒面包机的面包桶的磅数一般在2.0磅以上。
面包机的设计造型,外观结构各不相同,但所有面包机电气基本原理都一样,系统如下图所示：

3.1.2 面包机的基本结构包括:烤箱体,面包桶,传动系统,控制面板,上盖等部分组成,下面以XBM1029S为例介绍面包机的主要结构：

XBM1029S面包机装配图
3.2 基本功能和主要参数
3.2.1面包机的主要功能是制作各种食谱配方的面包,有些还要求能制作发酵面团,果酱,蛋糕等食物,常用的菜单程序有:BASIC,FRENCH,WHOLE WHEAT,QUICK,SWEET等,可根据不同的销售地,不同的客户要求,不同的产品档次和功能组合,选择确定面包机的程序菜单.
面包的制作程序存储在单片机的 ROM内，用户可根据食谱的配方的推荐选择相应的菜单，还可以选择浅、中、深不同的面包烧色和面包大小,选择不同的规格。
3.2.2 在面包机启动后,根据不同的菜单程序，面包机会完成轻柔搅拌，间断搅拌，连续搅拌，反向搅拌等组合过程，合理实现面团的搅拌，满足面包制作的要求．
3.2.3 面团在面包桶内通过控制烤箱腔体内的温度来控制发酵, 在发酵过程中，当烤箱体内温度达到发酵温度时，热敏电阻感温反馈至控制板，控制板控制发热管断开停止工作,发酵过程根据不同的程序,可直接一次发酵,或分二段发酵,三段发酵,不同的发酵阶段的控温是不同的,中间分隔有搅拌或放酸, 一般发酵过程,面团的中心温度为25-35℃,面包桶顶部的中心温度控制在38℃以下。
3.2.4 面包的烘烤是在烤箱腔体内完成的,不同的菜单程序和不同的烧色选择,面包桶中心控制的温度是不同的,在干烧测试时,一般面包桶中新的的控温温度为160℃-210℃之间.
3.3 .面包机的操作界面
3.3.1.面包机的操作控制界面,是在控制面板上实现,LCD或LED显示面包机的工作时间,当前工作状态或过程,操作按键设计选择有:微动开关,硅胶按键,感应式按键.
3.3.2.面板的结构有:面膜,IMD面板,透明雅加丽按键,钢化玻璃感应面板.
3.3.3.面包机的常设操作按键有MENU,LOAF,COLOR,START/STOP,TIME,PROGRAMABLE,LIGHT等,分别用与不同的功能,按键时有蜂鸣器提示或语音提示.
3.４.传动系统
3.4.1.传动系统由电机、带轮、拨叉、搅拌棒组成。当电源接通,电机开始工作,通过带传动将扭矩加大,转速减小,经拨叉将运动传至搅拌棒.实现搅面功能.
3.4.2.传动装置根据搅拌棒的数量分为单搅拌棒传动和双搅拌棒传动,电机的额定功率一般为80-120W,搅面的转速,空载时为150-200RPM,负载时的转速为90-150RPM,齿形皮带传动的减速比为1:8-10.
3.５.面包桶
3.5.1面包桶是面包配料搅拌,发酵,烘烤的容器,可用合金铝板拉深或用压铸铝合金制作,内表面喷有TEFLON,拉伸的面包桶材料常用3003,3004或1060,压铸铝合金的材料常用ADC12或ZL102制作,内表面常喷涂双层TEFLON,客户要求寿命长的也可喷涂3层超硬TEFLON.
3.5.2面包桶的结构型式有方形,长方形,长形,圆形几种结构,在面包桶的中心有一个或两个搅拌棒,长形面包桶通常有两个搅拌棒.

4.面包机程序设计及控制器的设计要求
4.1. 面包机程序设计要求
面包机结构形式较多，但其控制原理却基本相同：接通电源后，通过按键来选择菜单和设定相应的工作模式，并由显示部分（一般为液晶显示器）显示出设定的结果和工作过程中时间的变化情况，当按下“启动”键时，微控制器就会控制输出执行机构按事先设定的程序完成面包的制作过程。
4.1.1.面包机的程序设计要求应明确通电后的初始化过程,默认的菜单程序,有上次选择程序记忆功能的应直接进入.
4.1.2. 面包机的程序设计要求应明确功能的操作及按键的分配,LCD显示的内容,选择MCU及设计外部电路.
4.1.3. 面包机的程序设计要求应明确产品的菜单要求,菜单的制作工艺过程,并得出程序表.
4.1.4.其它功能,在程序表上没有表达的应予以说明.
4.2 .面包机的控制器
面包机的电气控制原理大致包括以下几部分：电源、微控制器（IC）、指令输入系统、显示系统、温度感应系统、输出执行机构—电机和发热管。

面包机的电气原理方框图
4.3电源部分：
同许多家电产品一样，面包机控制板的电源部分也由降压、整流、滤波、稳压这一通用的电路组成,见下图:

120/230V的交流电压经变压器T降压为10V的交流电压，经由四个二极管（Q1~Q4）构成的整流桥整流为12V左右的直流电压，再经滤波电容C5（滤高频）和C3（滤低频）滤波后输出到集成稳压管U1（7805）的输入端1，最后从集成稳压管U1的输出端3输出的电压是线性比较好的5V左右的直流电压，也就是整个控制电路的电源电压。

4.4.微处理器：
4.4.1微控制器作为面包机控制电路的核心部件，它决定了整个产品的功能和特点。面包机所具有的功能都是制造厂家在出厂时将特定的程序写入内部的ROM.
4.4.2.现在大规模生产的MCU已使用了MASK芯片,客户定制批量不是很大的MCU使用OTP.
MCU在MASK或OTP芯片在烧录前必须经过程序验证和食谱验证.
4.5.指令输入系统
指令输入是指通过按键来选择面包机的工作菜单和设定面包机的工作状态。一般
款式面包机的输入按键包括以下六种：
“启动/停止”按键；
“菜单”选择键
“面包烧色”选择键
“时间设定+”增加键
“时间设定—”减少键
“面包重量”选择键

4.6.输出执行机构
面包机控制电路的输出执行机构由电机和发热管两部分电成。
4.6.1.电机控制电路：由微控制器的一个I/O端口通过一个三极管来控制一个双向晶闸管（可控硅）的导通与关断，从而实现控制电机的转动与停止；双向搅拌的面包机由微控制器的另外一个I/O端口通过一个三极管来控制一个微型继电器的一组常开和常闭触点，从而实现控制电机的正反转 。

4.6.2.发热管控制电路：由微控制器的两个I/O端口分别控制两个串联的三极管，并由这两个三极管共同控制一个微型继电器，再由这个微型继电器来控制发热管的工作状态。这种控制方式具有一个优点：当控制继电器的两个三极管中有一个损坏时，除非微控制器有相应的控制信号输出，否则继电器将不会动作，也即发热管将不会误加热,满足了非正常测试的要求。

4.7.显示
面包机的显示主要由MCU直接驱动LCD（液晶显示器）或LED（数码管显示器）来完成。其中LCD显示具有功耗低、寿命长等优点，但夜晚或光线较暗的地方显示效果较差。LED显示避免了LCD的上述缺点，无论有无光线其显示效果都比较满意，但相比LCD功耗却大的多。为了弥补LCD显示的不足，可采用了带背光源的LCD显示电路，即使在夜晚也可以得到较好的显示效果,LCD显示的面包机要根据产品的外形和LCD的安装规定LCD的视角,保证在正常操作时LCD的清析。
4.8. 蜂鸣器
其作用主要有：按键提示,用户操作提示。
4.9.　温度感应系统
面包机的控温原理：由靠近面包桶附近的温度传感器（热敏电阻）将温度值转化为对应的电压值再将此电压值传送给微处理器，由微处理器根据程序的设定进行判断并做出相应的输出，从而达到控温的目的。
温度感应系统就是由以热敏电阻为代表的一组电阻网络,见下图:

5. 面包机结构设计的基本步骤
面包机的设计开发流程参照广东新宝电器股份有限公司的”设计管理程序”,产品的结构设计基本部步骤参照如下:
5.1 确定产品规格
根据“新产品开发任务书”的要求,制定“产品规格书”，确定产品的基本电气规格（电压，频率，功率），容量（面包桶容量，结构形式），程序功能菜单（BASIC,FRENCH,WHOLE WHEAT,QUICK….），加热方式（电热管，热风循环），搅拌电机的规格,变压器的规格，外壳材质（冷板喷粉，塑胶，不锈钢，预涂钢板），外壳表面装饰要求,烤箱腔体及面包桶材质，安规认证（UL，ETL，GS等）等其它附件要求及形式，同时还包括包装，验货方式等。这些都是相当重要的信息，对产品的设计，选材起到决定性作用。

5.2 确定面包桶及烤箱体内腔的尺寸
5.2.1 面包桶的规格尺寸在产品规格确定后,尽可能参照研发中心标准“Ｑ／ＹＦ－０４８面包机通用零部件标准化目录“，选用现有规格尺寸的面包桶，见下表
5.2.2 烤箱腔体尺寸的确定
5.2.2.1.烤箱腔体尺寸的确定应根据面包桶的尺寸,发热管的尺寸,产品的外形结构来确定，面包桶与烤箱体内表面的距离应在20-40之间,并且周边尽量均匀.
5.2.2.2.面包桶有提手的两端最边缘离烤箱体内表面的距离应>5 mm,以便发热管的热量能上升到顶部.
5.3 确定产品外形的基本尺寸
产品的外形基本尺寸的确定是按照烤箱腔体的尺寸,传动系统的布置,控制面板及外形效果图的比例来确定.
5.3.1.塑料外壳面包机要保证,外壳表面到烤箱腔体内的最小距离要>15mm,铰链处要>25 mm,以保证外壳塑胶件的表面温度不会太高,加热时,铰链处的塑胶不会变软.
5.3.2.金属外壳面包机要保证外壳体与烤箱体的最小距离>20 mm,保证外壳体表面的温升<35K.
5.3.3.外形尺寸在结构布置完成后,确定长X宽X高.
5.4. 3D外形图设计
3D外形图的设计应采用自顶到底的原则,按照外形尺寸长X宽X高确定一个长方体,外形设计参考可以采用转换的曲面文件,手板抄数,曲线轮廓绘制的方法.
5.4.1.在外形轮廓3D设计完成后,按照比例缩放在长方体内,并检查是否完全相同,若有不同是否可满足产品的规格要求,确定是否要再修改外形尺寸.
5.4.2.外3D外型轮廓图上完成3D外形设计,确定分模及拔模,并投影拆分零件轮廓线.
5.5.3D详细结构及2D图设计
5.5.1.以3D外形图作为骨架模型进行3D零件的结构设计及装配图设计.
5.5.2.以3D零件图为模型输出2D图.
5.6产品设计评审
5.7电路仿真图

1．和面阶段： 
当扫描按键K1时，进入和面流程。首先设置选择烘烤面包的成色，再按下开始按钮，单片机将发出信号控制L298N驱动芯片，驱动电机间断转动，同时DS18B20检测温度。经过一段时间后电机连续转动搅拌，搅拌一定时间后停止，蜂鸣器间断响两次，提示加入辅料，加入后继续搅拌，将辅料和面团搅拌均匀，一段时间后搅拌均匀，最终达到和面的目的。同时LCD液晶在此阶段显示huomian字节和温度数据和时间。
2．发酵阶段： 
当扫描按键K2时，继电器供电，电热丝升温，进入发酵流程。在和面结束后，单片机控制驱动芯片使电机停转，同时继电器的供电给电热丝供电，温度通过DS18B20检测，单片机控制，将温度控制在35~39度（此温度为发酵适宜温度），此时进入面团发酵过程。在此过程中LCD显示fajiao字节和温度数据和时间。
3.烘烤阶段： 
扫描按键K1、K2时，进入烘烤阶流程。等发酵一段时间后进入烘烤阶段，此时单片机控制电热丝继续升温，当达到预定温度时，通过DS18B20检测到。然后将信号传送给单片机，单片机对温度进行控制，使达到恒温烘烤。此时LCD显示hongkao字节和温度数据和时间。
总结
本课程设计重点分析了面包机功能系统的硬件电路设计，介绍了设计中所用到的芯片，包括单片机芯片AT80C52、液晶显示芯片1602LCD、数字温度传感器芯片DS18B20等、驱动芯片L298N等。本次设计重点分析了面包机基本电路包括单片机组成的主控电路、DS18B20组成的温度检测电路、按键显示电路、L298N和电机组成的驱动电路、继电器和电热丝组成的温度控制电路等。通过这一系列的电路组成实现面包机的基本功能。在本次设计上我们还可以设计其他电路扩充一些其他功能。比如不同重量选择功能、单独烘烤功能、果酱程序（搅拌+加热）功能、设置延时开机功能。通过本次设计加深了52单片机的了解，深入学习了单片机的基础知识和综合应用。 
通过这次毕业设计，我进一步了解了一些芯片的原理和作用。在实际动手操作过程中，使我接触了许多元件，查阅了很多资料和文件。而且在我们所使用的书籍上有一些知识在实际应用中其实并不是十分理想，各种参数都需要自己去调整。偶而还会遇到错误的资料现象，这就要求我们应更1．和面阶段： 1．和面阶段： 
1.和面阶段
当扫描按键K1时，进入和面流程。首先设置选择烘烤面包的成色，再按下开始按钮，单片机将发出信号控制L298N驱动芯片，驱动电机间断转动，同时DS18B20检测温度。经过一段时间后电机连续转动搅拌，搅拌一定时间后停止，蜂鸣器间断响两次，提示加入辅料，加入后继续搅拌，将辅料和面团搅拌均匀，一段时间后搅拌均匀，最终达到和面的目的。同时LCD液晶在此阶段显示huomian字节和温度数据和时间。

2．发酵阶段： 
    当扫描按键K2时，继电器供电，电热丝升温，进入发酵流程。在和面结束后，单片机控制驱动芯片使电机停转，同时继电器的供电给电热丝供电，温度通过DS18B20检测，单片机控制，将温度控制在35~39度（此温度为发酵适宜温度），此时进入面团发酵过程。在此过程中LCD显示fajiao字节和温度数据和时间。
3.烘烤阶段： 
扫描按键K1、K2时，进入烘烤阶流程。等发酵一段时间后进入烘烤阶段，此时单片机控制电热丝继续升温，当达到预定温度时，通过DS18B20检测到。然后将信号传送给单片机，单片机对温度进行控制，使达到恒温烘烤。此时LCD显示hongkao字节和温度数据和时间。
总结
本课程设计重点分析了面包机功能系统的硬件电路设计，介绍了设计中所用到的芯片，包括单片机芯片AT80C52、液晶显示芯片1602LCD、数字温度传感器芯片DS18B20等、驱动芯片L298N等。本次设计重点分析了面包机基本电路包括单片机组成的主控电路、DS18B20组成的温度检测电路、按键显示电路、L298N和电机组成的驱动电路、继电器和电热丝组成的温度控制电路等。通过这一系列的电路组成实现面包机的基本功能。在本次设计上我们还可以设计其他电路扩充一些其他功能。比如不同重量选择功能、单独烘烤功能、果酱程序（搅拌+加热）功能、设置延时开机功能。通过本次设计加深了52单片机的了解，深入学习了单片机的基础知识和综合应用。 
通过这次毕业设计，我进一步了解了一些芯片的原理和作用。在实际动手操作过程中，使我接触了许多元件，查阅了很多资料和文件。而且在我们所使用的书籍上有一些知识在实际应用中其实并不是十分理想，各种参数都需要自己去调整。偶而还会遇到错误的资料现象，这就要求我们应更加注重实践环节。在理论基础上运用于实践，在实践基础上巩固理论知识。在本次设计，我发现当我们将理论应用到实践时，可能产生了很多问题。问题产生就要靠自己一点一滴的去解决，而在解决的过程当中我们发现自己在飞速的提升。通过这次设计我们也发现了自身的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握了，但在运用到实践时仍有意想不到的困惑，经过一番努力后得以解决。 
    另外在这次设计中我要感谢我的指导老师认真指导；感谢我的同学的真诚帮助，感谢所有应该感谢的人。
参考文献
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