智能炒菜機控制系統(tǒng)設計

楊明++周世博++張懷天++張巧杰

摘要：本文設計了一種智能炒菜機，采用AT89C51單片機對步進電機進行控制，通過I/O口輸出的時序方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片ULN2003驅(qū)動步進電機來驅(qū)動炒菜機構，完成炒菜動作。智能炒菜機能夠?qū)崿F(xiàn)自動炒菜和遠程控制炒菜，模擬名廚制作出美味可口的菜肴，適合不會做菜和工作時間忙的人群，在國內(nèi)有良好的發(fā)展空間。

關鍵詞：智能炒菜、AT89C51單片機、步進電機

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）51-0003-02

一、引言

隨著科技的進步、人們生活質(zhì)量的提高、宅男宅女數(shù)量的增加以及現(xiàn)代人對廚房炒菜知識的匱乏，人們迫切需要一種全自動智能炒菜機。它能夠?qū)崿F(xiàn)自動炒菜和遠程控制炒菜，模擬名廚制作出美味可口的菜肴。炒菜機的自動炒菜功能，是通過智能炒菜控制系統(tǒng)控制來得以實現(xiàn)的，用幾分鐘時間就能夠做出可口的飯菜，省時省力，節(jié)能環(huán)保。智能的控制系統(tǒng)，也會相應的避免人為的失誤，努力杜絕因煤氣泄漏使人體中毒的事件，使得安全極有保障，只要手指一按，操作簡單方便。

全自動炒菜機是社會需要的產(chǎn)品，在現(xiàn)代快節(jié)奏的生活中，需要一種便捷的工具去加工食物，做出健康的食物來提供給人們，智能炒菜機可以提供給這些人長期的使用，而又不必擔心像那些方便食品自身的副作用?，F(xiàn)有產(chǎn)品的功能不是很全面，都沒有系統(tǒng)地將各個功能結合在一起，有待完善。

二、系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1.系統(tǒng)框圖。

本系統(tǒng)選用AT89C51單片機作為控制核心單元，主要由控制模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊、炒菜模塊、加熱模塊、鼓氣模塊和顯示模塊組成。如圖1所示。

2.各模塊功能與設計。（1）控制模塊。本系統(tǒng)采用AT89C51單片機控制整個炒菜流程，將整個流程整合成一種標準的文件，該文件可被個人pc識別閱讀，修改，亦能被機器所帶的單片機識別，根據(jù)不同食物和烹調(diào)方法設置工作時間和溫度，控制各執(zhí)行機構的工作，實現(xiàn)食物烹制的標準化、程序化和自動化。單片機算術運算功能強、軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。由于其功耗低、體積小、技術成熟和成本低，且可對其進行擴展，附帶顯示設備、鍵盤輸入等設備，使用方便。還可通過軟件編程實現(xiàn)對步進電機的位置、速度預設及顯示。步進電機位置和速度實際上跟單片機產(chǎn)生脈沖的個數(shù)和脈沖頻率是一一對應關系，而方向由導電順序決定。并且，由于單片機芯片引腳少，軟硬件連接簡便靈活，硬件容易實現(xiàn)。（2）電源模塊。電源模塊是將市電220V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?V供給驅(qū)動模塊和單片機模塊。將220V交流電壓經(jīng)過變壓器變壓后得到9V的交流電壓，然后經(jīng)過電橋把交流變成直流。為了得到穩(wěn)定的5V電壓，采用穩(wěn)壓管78L05，經(jīng)過78L05穩(wěn)壓后輸出的就是穩(wěn)定的5V電壓，供給驅(qū)動模塊和單片機模塊。（3）驅(qū)動模塊。驅(qū)動模塊是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，來控制炒菜模塊的運行。驅(qū)動模塊直接采用ULN2003芯片進行功率放大。它的內(nèi)部結構是達林頓的，專門用來驅(qū)動繼電器的芯片，甚至在芯片內(nèi)部做了一個消線圈反電動勢的二極管。ULN2003的輸出端允許通過IC電流200mA，飽和壓降VCE約1V左右，耐壓BVCEO約為36V。輸出口的外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可以直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器（SSR）等外接控制器件，也可直接驅(qū)動步進電機。LN2003芯片具有自身功耗小、驅(qū)動能力強、可靠穩(wěn)定、體積小、使用方便、價格合理等優(yōu)點。（4）加熱模塊。本系統(tǒng)采用市場成熟化的電磁加熱，只需內(nèi)置電磁加熱盤即可。電磁加熱的原理是通過電子線路板組成部分產(chǎn)生交變磁場、當將含鐵質(zhì)容器放置上面時，容器表面即切割交變磁力線而在容器底部金屬部分產(chǎn)生交變的電流（即渦流），渦流使容器底部的鐵原子高速無規(guī)則運動，原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能。從而起到加熱物品的效果。因為是鐵制容器自身發(fā)熱，所以熱轉(zhuǎn)化率特別高，最高可達到95%。（5）炒菜模塊。炒菜模塊分為加料、加菜和翻炒三部分，是本系統(tǒng)的重要組成部分。智能炒菜機采用小型步進電機25BYJ1201。步進電機25BYJ1201型四相六線電機是采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。電壓為DC5V—DC12V。當對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。加料：調(diào)料的種類很多，可分為液體類，如食用油、香油、麻油、水、醬油、醋等。粉末類，如食鹽、味精、勾芡粉、雞精等。顆粒類，如花椒、八角等。但這三類都可以用同一裝置來實現(xiàn)加料。加料體原理類似于播種機的下種機構，利用帶有盲孔的旋轉(zhuǎn)體的不斷旋轉(zhuǎn)，控制加料的量。三種狀態(tài)的調(diào)料可以通過盲孔直徑的大小來實現(xiàn)加料，通過回轉(zhuǎn)的圈數(shù)來實現(xiàn)加料的多少。旋轉(zhuǎn)采用小型步進電動機控制。加菜：一般的菜肴需要若干種食材做成。如西紅柿炒雞蛋，需要雞蛋、西紅柿、蔥花三種。因此本系統(tǒng)有三個加菜的菜盒。一個為主菜盒，另外兩個為副菜盒。菜盒采用翻轉(zhuǎn)方式放菜，結構簡單、可靠。旋轉(zhuǎn)同樣采用小型步進電動機。翻炒：通過一個可旋轉(zhuǎn)的攪拌體代替人工的翻炒。攪拌體可升降，也可做旋轉(zhuǎn)運動。均由小型步進電動機控制。其中上下升降采用齒輪齒條副來實現(xiàn)。（6）鼓氣模塊。鼓氣模塊用于在炒菜過程中對鍋內(nèi)的補氣，達到菜的色鮮味美。（7）顯示模塊。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點，因此，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件。本系統(tǒng)選用一款LCD1602液晶顯示模塊，它可以顯示兩行，每行16個字符，采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。

二、軟件設計

控制系統(tǒng)的軟件需要控制步進電機轉(zhuǎn)動、控制數(shù)碼管顯示等任務，這就必須通過中斷技術來實現(xiàn)。在本設計中，主程序采用查詢方式掃描鍵盤端口，檢測按鍵動作是否發(fā)生，若有按鍵動作則處理鍵盤，根據(jù)按鍵值修改相應參數(shù)值，實現(xiàn)鍵盤的實時處理功能。定時器0中斷服務程序控制步進電機的轉(zhuǎn)動：根據(jù)當前顯示的速度進行鍵盤手動改變T0定時時間常數(shù)，設置TH0和TL0的值，達到對轉(zhuǎn)速精確控制的目的；根據(jù)轉(zhuǎn)動方向控制位的值，控制脈沖信號循環(huán)移動的方向，達到對轉(zhuǎn)動方向控制的目的。

1.控制系統(tǒng)主程序流程圖。系統(tǒng)上電復位后，先調(diào)用初始化子程序，對步進電機各端口，相關參數(shù)進行初始化，設置T0工作方式控制時間常數(shù)。初始化完成后，步進電機處于停止狀態(tài)，T0定時器處于關閉狀態(tài)。然后循環(huán)調(diào)用讀鍵盤子程序和鍵盤處理子程序，等待中斷，以便實現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)動控制。

2.電機控制中斷程序流程圖。定時器中斷0服務程序的中斷時間由當前的轉(zhuǎn)速決定。進入中斷程序后，首先要保護現(xiàn)場，再根據(jù)當前值設置TH0和TL0的值。然后判斷轉(zhuǎn)動方向控制位的值，如果是0則控制脈沖信號P1.0、P1.2輸出，如果是1則控制脈沖信號P1.1、P1.3輸出。最后恢復現(xiàn)場，返回，等待下次中斷。通過用當前轉(zhuǎn)速控制中斷時間，控制了脈沖的輸出頻率，也就到達了控制步進電機轉(zhuǎn)動速度的目的；通過檢測方向控制位的電平，選擇脈沖信號P1.0、P1.2與P1.1、P1.3間的切換，控制了步進電機各引出端的接通順序，也就到實現(xiàn)了步進電機轉(zhuǎn)動方向的控制。

三、結論

本文主要分析了炒菜機整個控制系統(tǒng)的設計過程，介紹了整個控制系統(tǒng)所需要的硬件資源及其實現(xiàn)過程。介紹了整個炒菜控制結構圖、所需的硬件資源，為后面的控制實現(xiàn)提供了研究依據(jù)。

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