集體食堂全自動(dòng)打飯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　近年來，各類院校、企事業(yè)單位的公共食堂已基本實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化和網(wǎng)絡(luò)化，CAN總線、POS窗口機(jī)等的應(yīng)用，極大提高了工作效率，增強(qiáng)了售飯管理系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。但這些系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的管理人員手工打飯方式，存在很多弊端，例如：

　　(1)不能準(zhǔn)確定量。人工打飯的飯量主要靠經(jīng)驗(yàn)，不可能次次稱重。員工所打飯量多于消費(fèi)者要求量，食堂虧損；少于消費(fèi)者要求量，消費(fèi)者意見大，影響服務(wù)質(zhì)量。

　　(2)浪費(fèi)大量人力財(cái)力。打飯高峰期，一個(gè)員工要在一個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間打幾百甚至上千碗飯，工作量繁重，同時(shí)打飯員工的增多必然導(dǎo)致財(cái)力支出的增加。

　　(3)打飯效率低。有些員工經(jīng)驗(yàn)不足，或是打飯速度不快，很容易造成消費(fèi)者不滿，排列隊(duì)伍過長(zhǎng)，食堂過分擁擠等現(xiàn)象。因此，在不改變現(xiàn)有食堂刷卡系統(tǒng)的條件下，研制開發(fā)出一套能實(shí)現(xiàn)真正“智能化”的全自動(dòng)打飯系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)模型

　　此系統(tǒng)主要是由機(jī)械和電子控制2大部分組成。機(jī)械部分由直流減速電機(jī)、漏斗、支撐架、旋轉(zhuǎn)桿等組成，控制部分由單片機(jī)、鍵盤、壓力傳感器、光電傳感器、液晶顯示等組成，如圖1所示。當(dāng)消費(fèi)者通過鍵盤輸入所需打飯飯量時(shí)，單片機(jī)控制液晶顯示屏工作，顯示具體飯量及消費(fèi)金額，同時(shí)啟動(dòng)前端刷卡系統(tǒng)。在消費(fèi)者刷卡并扣除當(dāng)前所需消費(fèi)金額后，單片機(jī)首先控制相關(guān)直流電機(jī)(電機(jī)2)，使傳遞機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°，并通過光電傳感器精確定位，將空碗送到打飯口下，然后控制另一電機(jī)(電機(jī)1)轉(zhuǎn)動(dòng)，出飯口向碗里輸送米飯。當(dāng)碗里的米飯的重量達(dá)到檢測(cè)輸入值時(shí)，電機(jī)1停轉(zhuǎn)，電機(jī)2旋轉(zhuǎn)180°把米飯送出去同時(shí)送入空碗，如此循環(huán)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)自動(dòng)打飯系統(tǒng)的核心是單片機(jī)，采用8位微控制器AT89S51。此芯片在數(shù)據(jù)處理、邏輯分析等方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，可以充分利用這一優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)融合數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析處理、直流電機(jī)控制、液晶顯示等于一體的系統(tǒng)裝置，完成出飯口排出米飯，傳遞飯碗以及實(shí)時(shí)顯示等功能。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　采用PWM方法，調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制。但由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)不足以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需用驅(qū)動(dòng)器將其轉(zhuǎn)換成可驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如圖3所示。驅(qū)動(dòng)電路采用SOTS公司的專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N。他是恒壓恒流雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可同時(shí)控制2臺(tái)直流電機(jī)，輸出電流可達(dá)到2 A。單片機(jī)通過控制L298N的使能端控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止。當(dāng)使能端為低電平時(shí)，電機(jī)停止；當(dāng)使能端為高電平時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)。通過控制使能端的脈沖寬度，而達(dá)到調(diào)整直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，為了保護(hù)電機(jī)，在驅(qū)動(dòng)電路中加入了兩組穩(wěn)流二極管，且使供電電壓VS大于其邏輯電壓VSS，避免了電機(jī)失控現(xiàn)象。另外，為了抑制電機(jī)的大電流對(duì)單片機(jī)程序的沖擊，系統(tǒng)中采用了光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。該驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。

2.2 旋轉(zhuǎn)桿的控制設(shè)計(jì)

　　雖然單片機(jī)可以控制直流電機(jī)的減速，但直流電機(jī)在具體運(yùn)行中仍存在一定慣性。為了能夠使旋轉(zhuǎn)桿送入的空碗正對(duì)著出飯口，此系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)桿底部增加了發(fā)射取樣式紅外線對(duì)管ST188作為尋點(diǎn)傳感器，圖4為光電檢測(cè)電路。ST188采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，以非接觸檢測(cè)方式，檢測(cè)距離可調(diào)整達(dá)2～10 mm。當(dāng)旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，保持發(fā)光管發(fā)光，當(dāng)其下方為出飯口準(zhǔn)確位置點(diǎn)標(biāo)志時(shí)，其接受管輸出為高電平。這樣，控制系統(tǒng)就可以分析出當(dāng)前空碗的位置，從而達(dá)到調(diào)整旋轉(zhuǎn)桿運(yùn)行狀態(tài)的目的。

2.3 飯量稱重設(shè)計(jì)

　　出飯口排出的米飯重量由稱重控制系統(tǒng)完成，其稱重范圍為0～500 g。本系統(tǒng)中選用PX4 0.6型單點(diǎn)式稱重傳感器完成電子稱重功能。此傳感器為電阻應(yīng)變式壓力傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧，安裝簡(jiǎn)單，且經(jīng)過角差預(yù)調(diào)整，可以滿足系統(tǒng)要求。其主要性能指標(biāo)見表1。

　　傳感器檢測(cè)平臺(tái)上飯碗及其內(nèi)部米飯的重量，據(jù)此控制米飯加注過程的進(jìn)行，表達(dá)式為：

　　其中，W表示已加注米飯重量，W0表示空碗重量，W1表示當(dāng)前碗內(nèi)米飯重量，W2表示加注前碗內(nèi)米飯重量。

　　傳感器輸出電壓為毫伏數(shù)量級(jí)，需要進(jìn)行信號(hào)放大，如圖5所示。圖中利用電橋作為重量壓力的測(cè)量電路，R1，R2，R3，R4作為電橋的4個(gè)橋臂，為阻值變化與外界受力相關(guān)的應(yīng)變電阻，測(cè)量電橋由VCC供電。在空載時(shí)，電橋輸出電壓為：

　　當(dāng)VCC=0 V時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，則電橋?qū)\(yùn)算放大器的輸出為0。當(dāng)稱重壓力變化時(shí)，RS將隨壓力變化而變化。這時(shí)電橋失去平衡，對(duì)放大器有不平衡電壓輸出。電橋的輸出電壓由AD22055檢測(cè)放大后輸出，放大倍數(shù)設(shè)定為50。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，先設(shè)計(jì)出子程序并進(jìn)行調(diào)試，然后進(jìn)行模塊集成，形成主程序。從實(shí)現(xiàn)功能方面考慮，子程序包括旋轉(zhuǎn)桿位置監(jiān)控、電機(jī)控制、鍵盤管理、稱重檢測(cè)以及顯示管理等。具體程序流程圖如圖6所示。在設(shè)計(jì)程序時(shí)，除了盡量多采用單字節(jié)指令，避免“亂飛”程序以外，還建立了“看門狗”，利用系統(tǒng)的安全保護(hù)特性來處理“死循環(huán)”程序。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 運(yùn)行時(shí)間

　　驅(qū)動(dòng)電壓為12 V時(shí)，直流電機(jī)1每分鐘轉(zhuǎn)100次，直流電機(jī)2每分鐘轉(zhuǎn)60次，由于系統(tǒng)采用的是PWM方法，加在電機(jī)兩端的平均電壓略低于12 V。經(jīng)PC396電子秒表測(cè)試，旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)180°所需的時(shí)間為0.8 s。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，85％的消費(fèi)者所打飯量為100 g或150 g，故只需對(duì)這2種消費(fèi)情況進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，此系統(tǒng)出飯口排出米飯量100 g平均所需時(shí)間為2.85 s，排出米飯量150 g平均所需時(shí)間為3.63 s。這樣，從消費(fèi)者輸入飯量值開始，直至系統(tǒng)將盛好米飯的碗送出，整個(gè)過程平均所需時(shí)間分別為6.50～7.80 s。可見，系統(tǒng)運(yùn)行速度快，大大提高了售飯效率。

4.2 稱重精度

　　將飯碗在加注米飯前后的重量用本系統(tǒng)稱重裝置和FC-20KI精密數(shù)字電子稱進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果表2所示。

　　從表2中可以看出，米飯重量測(cè)量精度小于±5 g，靠性高。

5 結(jié)語(yǔ)

　　針對(duì)目前集體食堂中傳統(tǒng)手工打飯方式存在的種弊端，本文首次設(shè)計(jì)出一套全自動(dòng)打飯系統(tǒng)，并已經(jīng)制模型。系統(tǒng)具有2大特點(diǎn)：

　　(1)設(shè)計(jì)獨(dú)特：除了利用鍵盤和顯示器實(shí)現(xiàn)直觀、透明的人機(jī)對(duì)話形式以外，系統(tǒng)還在機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，如巧用電機(jī)和旋轉(zhuǎn)桿，并針對(duì)米飯的柔軟性和粘性，設(shè)計(jì)了直流電機(jī)控制翻轉(zhuǎn)型的齒輪完成米飯的排停，避免了米飯出口的堵塞。另外，系統(tǒng)控制部分與米飯加注和輸送裝置是分開布局的，所以清潔、衛(wèi)生。

　　(2)操作智能：消費(fèi)者只需在鍵盤上輸入打飯飯量，拿卡在POS機(jī)上輕輕劃過，把空碗擱在相應(yīng)平臺(tái)上，即可在短暫的時(shí)間內(nèi)，完成讀值、扣費(fèi)、電機(jī)控制等操作，成功取得自己所需的米飯。整個(gè)過程速度快、控制準(zhǔn)確、無(wú)需借助他人幫忙。在不改變現(xiàn)有刷卡系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完全實(shí)現(xiàn)了管理規(guī)范化、有效化和智能化，為食堂的后勤管理節(jié)約了人力和財(cái)力開支。

　　經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，系統(tǒng)模型完全能夠滿足集體食堂的需要。其設(shè)計(jì)成本低、性能穩(wěn)定、可靠性高、操作簡(jiǎn)單便捷，適用于高等院校、大型企事業(yè)等單位的集體食堂，為打造一流的膳食管理提供了有力保障，具有極其廣闊的市場(chǎng)前景。