基于STC89C52的智能儲(chǔ)筷裝置的設(shè)計(jì)

史建偉

(太原工業(yè)學(xué)院自動(dòng)化系，山西 太原 030006)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能的快速發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)正在改變著人們的日常生活。“民以食為天,食以安為先”，而筷子作為中國(guó)人最主要的進(jìn)餐用具，它的存儲(chǔ)一直備受人們的關(guān)注。最初，筷子主要存放在筷筒中，然而隨著氣溫的變化傳統(tǒng)筷筒在防潮防霉等方面存在很多問(wèn)題。一方面，未及時(shí)干燥處理的筷子在潮濕的環(huán)境容易滋生金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、黃曲霉素等細(xì)菌或者霉菌，用餐之后容易引發(fā)感染性腹瀉、嘔吐等消化系統(tǒng)疾病，甚至有誘發(fā)肝癌的風(fēng)險(xiǎn)，給人們?nèi)粘Ｉ顜?lái)了許多的安全隱患。另一方面，在人員比較密、通風(fēng)不暢的環(huán)境、空氣中的微生物、飛沫、懸浮顆粒四處流動(dòng)，極易吸附在潮濕的筷子表面，筷子的衛(wèi)生難以得到保障。因此，為了筷子的使用更加衛(wèi)生方便，對(duì)筷子的存放提出了更高的要求[1,2]。

目前，許多研究團(tuán)隊(duì)、生產(chǎn)廠商設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了多種類型的存儲(chǔ)筷子裝置。現(xiàn)有的筷子機(jī)多采用按鍵形式取筷，且筷子在存儲(chǔ)狀態(tài)有一部分暴露在空氣中，雖然筷子一端進(jìn)行干燥、消毒處理，但另一端處于污染狀態(tài)，尤其在公共就餐場(chǎng)合，筷子衛(wèi)生難以得到保障[3,4]。本文以低成本、高衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)原則，以STC89C52作為主控制器，設(shè)計(jì)一款密閉式儲(chǔ)筷、感應(yīng)取筷的智能儲(chǔ)筷裝置，在保證消毒、干燥等常規(guī)功能基礎(chǔ)上，極大改善了筷子存儲(chǔ)過(guò)程中的衛(wèi)生質(zhì)量。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

普通的筷子消毒機(jī)在無(wú)人使用的情況下，筷子一端會(huì)長(zhǎng)期暴露在空氣中，雖然方便了人們拿取筷子，但是也給筷子造成了不必要的污染。另外，現(xiàn)有筷子機(jī)需要通過(guò)開(kāi)關(guān)或者按鈕給一個(gè)出筷指令，然后手動(dòng)抽取筷子。在公共餐飲場(chǎng)合，多人就餐情況下，這種手指—按鈕式(或者觸摸式)開(kāi)關(guān)—筷子出筷模式會(huì)使得出筷裝置成為傳播病毒、細(xì)菌的媒介，有可能造成多人交叉感染。除了筷子機(jī)，消毒柜也是存儲(chǔ)筷子的常用方式，雖然密閉式消毒柜消毒效果較好，但不具備自動(dòng)出筷功能，每次使用筷子時(shí)，需要打開(kāi)消毒柜門手動(dòng)取出，而每開(kāi)一次柜門，就會(huì)使得柜內(nèi)外空氣形成對(duì)流，降低消毒柜內(nèi)的溫度，影響消毒質(zhì)量和效果，過(guò)多的開(kāi)門次數(shù)也會(huì)縮短消毒柜的使用壽命。為了提高筷子衛(wèi)生質(zhì)量，同時(shí)使筷子的拿取更加方便，將上述兩種儲(chǔ)筷裝置的功能融合，通過(guò)感應(yīng)裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出筷的功能，在不影響設(shè)備內(nèi)消毒效果的同時(shí)完成出筷，使得筷子在拿取時(shí)更加的方便、快捷。綜上分析，本文設(shè)計(jì)一款智能儲(chǔ)筷裝置，主要功能包括：1) 消毒功能；2) 烘干功能；3) 密閉式傳動(dòng)功能；4) 感應(yīng)式取筷功能。

1.2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

基于以上需求，本設(shè)計(jì)針對(duì)儲(chǔ)筷裝置進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。智能控制方面，采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)單片機(jī)控制紫外消毒燈和風(fēng)機(jī)風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)消毒功能和風(fēng)干功能。為了避免筷子存儲(chǔ)時(shí)暴露于空氣，同時(shí)避免手與儲(chǔ)筷裝置之間接觸，整體結(jié)構(gòu)采用封閉式存儲(chǔ)，筷子儲(chǔ)存于箱體內(nèi)部，當(dāng)有人前來(lái)取筷子時(shí)，裝置的紅外感應(yīng)模塊接收到感應(yīng)信號(hào)，并通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)將筷子傳動(dòng)到外部。儲(chǔ)筷裝置系統(tǒng)控制方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制方案

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

智能儲(chǔ)筷裝置，在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上除了考慮密封性之外，還需要考慮電路安裝問(wèn)題。該裝置的箱體結(jié)構(gòu)分上、下兩層，上層為筷子的儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)以及各個(gè)功能模塊(消毒設(shè)備、風(fēng)機(jī)風(fēng)扇、感應(yīng)模塊)，下層是裝置的控制單元，中間由絕緣性良好的亞克力板隔離，可以防止筷子在清洗后，殘留水份不慎滴入下層控制單元，造成線路短路，同時(shí)還有效避免傳統(tǒng)儲(chǔ)筷設(shè)備長(zhǎng)期暴露在空氣中的問(wèn)題。

為了能夠盡可能地節(jié)約出筷裝置的使用空間，根據(jù)筷子圓形的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)采用由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)圓型的滾筒實(shí)現(xiàn)出筷功能。滾筒一側(cè)帶有方形挖孔，方便筷子進(jìn)入滾筒，在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾筒上方的筷子會(huì)掉入滾筒中，隨著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒開(kāi)口處由上到下，由內(nèi)到外，筷子由于自身重力的原因，會(huì)掉落到下方的凹凸槽中，從而實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)出筷功能，同時(shí)保證了裝置的密閉性，具體傳動(dòng)滾筒裝置如2圖所示，儲(chǔ)筷裝置的總體結(jié)構(gòu)布局如圖3所示。

圖2 傳動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從裝置放筷處的開(kāi)口能清楚地看到它的俯視圖，俯視圖左側(cè)①是風(fēng)扇模塊，清洗后的筷子在放入自動(dòng)出筷裝置后通過(guò)散熱風(fēng)扇加速風(fēng)干，實(shí)現(xiàn)筷子的快速烘干；俯視圖下方陰影③為紫外線消毒燈，在筷子烘干之后，可以對(duì)儲(chǔ)筷裝置內(nèi)部進(jìn)行定時(shí)的殺菌、消毒，盡可能地保證裝置內(nèi)部的衛(wèi)生；俯視圖右側(cè)②是紅外感應(yīng)模塊，當(dāng)有人前來(lái)取筷時(shí)，快速將信息傳輸給主控單元。

圖3 儲(chǔ)筷裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從側(cè)視圖看，筷子④由于受到自身重力的影響，會(huì)向左側(cè)傾斜、滾動(dòng)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶有挖孔的滾筒轉(zhuǎn)到上方時(shí)，筷子會(huì)掉入下部滾筒的方形挖孔中，之后電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到側(cè)視圖位置時(shí)，筷子在重力的作用下，筷子將會(huì)掉入左側(cè)凹凸槽⑥中，至此出筷功能完成，電機(jī)將轉(zhuǎn)回到上方等待下一次命令。另一方面，在主視圖的下方也有一個(gè)紅外感應(yīng)裝置，它能準(zhǔn)確地識(shí)別出筷過(guò)程是否成功，如果出筷成功，步進(jìn)電機(jī)將無(wú)法進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)動(dòng)，直至前方筷子取走后，才能進(jìn)行下一次取筷操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路由STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)及外圍電路構(gòu)成，主要包括感應(yīng)模塊電路、消毒模塊電路、烘干模塊電路及傳動(dòng)模塊電路。其中，單片機(jī)最小系統(tǒng)由電源電路、晶振電路以及復(fù)位電路構(gòu)成，這里不再介紹，下面主要介紹單片機(jī)外圍電路的硬件設(shè)計(jì)。部分電路連接如圖4所示。

感應(yīng)模塊主要實(shí)現(xiàn)人體檢測(cè)，及時(shí)感應(yīng)是否有人前來(lái)取筷。常用于人體感應(yīng)的傳感器由熱電式和光電式兩種，其中光電式傳感器具有檢測(cè)范圍廣、響應(yīng)速度快、能耗小、成本低，更適合本實(shí)驗(yàn)的需求。該裝置采用模塊化的光電式傳感器，減少了接線端及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理過(guò)程，提高了集成度和穩(wěn)定性。傳感器屬于三端器件：接地端、電源端和數(shù)據(jù)端，其中數(shù)據(jù)端與單片機(jī)P2.2引腳相連。

儲(chǔ)筷裝置通過(guò)紫外線輻照筷子實(shí)現(xiàn)消毒。當(dāng)紫外線積累到一定照射量時(shí)可以破壞微生物機(jī)體細(xì)胞中的中樞DNA和RNA的分子結(jié)構(gòu)[4]。本設(shè)計(jì)采用功率最小的4W直管型紫外線消毒燈，消毒燈模塊引腳主要用到接地端、電源端和數(shù)據(jù)端，其中數(shù)據(jù)端與單片機(jī)P2.1引腳相連。

圖4 部分電路連接圖

為了使筷子在清洗之后能及時(shí)的干燥，防止霉菌生長(zhǎng)，裝置內(nèi)設(shè)計(jì)烘干模塊。本設(shè)計(jì)采用自然烘干形式，輔以小型散熱風(fēng)扇加速空氣流動(dòng)，提高烘干效率，在保證除去筷子多余水分的同時(shí)，避免了傳統(tǒng)加熱干燥在對(duì)木制品受熱過(guò)程中容易導(dǎo)致筷子彎曲、變形，造成使用上的不便。風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的工作電壓為12V的直流電，功率1.2W，在保證風(fēng)量的同時(shí)，選用0.18A的電流，保證風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)處于靜音狀態(tài)，減少噪音污染，更加貼近人們的日常生活。模塊化后的風(fēng)機(jī)風(fēng)扇將空腳懸空，除了電源端和接地端外，將數(shù)據(jù)端與單片機(jī)P2.6引腳相連。

儲(chǔ)筷裝置通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)出筷功能。結(jié)合裝置控制特點(diǎn)，選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的28BYJ-48永磁式步進(jìn)電機(jī)。由于步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)需要一定的工作電流，而控制器的輸出電流較小，不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，所以在使用時(shí)需要設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)外加L298驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大，將單片機(jī)的引腳P0.0-P0.3與驅(qū)動(dòng)模塊1-4引腳連接，再將驅(qū)動(dòng)模塊13-16引腳與步進(jìn)電機(jī)輸入M1-M4連接，經(jīng)過(guò)L298驅(qū)動(dòng)進(jìn)行信號(hào)放大之后輸出到M1-M4上。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

儲(chǔ)筷裝置的系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用總分的設(shè)計(jì)思想,主函數(shù)由初始化程序、定時(shí)烘干程序、定時(shí)消毒程序和出筷程序組成。系統(tǒng)主函數(shù)流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)上電后，執(zhí)行初始化程序，待筷子放入儲(chǔ)筷裝置后，調(diào)用烘干子程序定時(shí)開(kāi)啟或者關(guān)閉繼電器，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)風(fēng)扇通斷，實(shí)現(xiàn)定時(shí)烘干功能；之后，調(diào)用定時(shí)消毒子程序，開(kāi)啟紫外消毒燈對(duì)筷子進(jìn)行定時(shí)消毒；接下來(lái)，系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)光電傳感器感應(yīng)到有人前來(lái)取筷時(shí)，出筷子程序開(kāi)始執(zhí)行，控制步進(jìn)電機(jī)工作，傳動(dòng)裝置將筷子從箱體內(nèi)部傳送到箱體外部，出筷工作完成后電機(jī)自動(dòng)歸位，保證儲(chǔ)筷箱體內(nèi)外的密封性。將上述算法經(jīng)采用C語(yǔ)言編寫程序，使用Keil軟件進(jìn)行編譯，并將編譯文件燒入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行后，可實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

本文從衛(wèi)生、健康、節(jié)約成本的角度出發(fā)，以STC89C52單片機(jī)為主控制器，結(jié)合相應(yīng)的外圍檢測(cè)電路，設(shè)計(jì)了一款智能化的儲(chǔ)筷裝置。該裝置將筷子存儲(chǔ)于密閉的箱體內(nèi)部，可對(duì)筷子進(jìn)行烘干、消毒。當(dāng)有人前來(lái)取筷時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程感應(yīng)開(kāi)啟筷子傳動(dòng)裝置，將筷子從箱體內(nèi)傳送至箱體外，取代了傳統(tǒng)的按鍵式或者觸摸式開(kāi)關(guān)的儲(chǔ)筷裝置，避免交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。裝置成本較低、功能可靠，可用于家庭、公共餐廳、餐館等場(chǎng)所，具有一定的實(shí)用價(jià)值。