集體食堂全自動打飯系統(tǒng)設計

摘 要：針對目前集體食堂中傳統(tǒng)手工打飯方式存在的種種弊端，設計并研制出一套全自動打飯系統(tǒng)。設計由機械和電子兩大部分組成，給出系統(tǒng)模型、硬件組成結構和軟件設計思想，詳細介紹關鍵電路模塊的工作原理。測試結果表明，系統(tǒng)運行速度快，稱重精度高、性能穩(wěn)定、操作簡單便捷，實現(xiàn)了膳食管理的規(guī)范化和智能化。

關鍵詞：AT89S51；直流電機；傳感器；稱重

中圖分類號：TP27文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)08-044-03

Design of Automatic Service System in Collective Dining Room

ZHAO Juan1，LIN Zhiwei2，LIU Ciliang2，WANG Yongtao1

(1.Education and Experiment Center of Information Technology，China University of Geosciences，Wuhan，430074，China;

2.Faculty of Mechanical Electronic Engineering，China University of Geosciences，Wuhan，430074，China)

Abstract：The disadvantages of the traditional handwork service are analyzed，an automatic service system is proposed and developed.The structure of system hardware and design thinking of software are presented，and the working principle of key circuit is analyzed.The test results indicate that the system works efficiently with quick speed，high weighing precision，standardized performance and convenient operation.So，the standardized and intelligentized management of this service system has been realized.

Keywords：AT89S51;direct current electromotor;sensor;weighing

近年來，各類院校、企事業(yè)單位的公共食堂已基本實現(xiàn)了規(guī)范化和網(wǎng)絡化，CAN總線、POS窗口機等的應用，極大提高了工作效率，增強了售飯管理系統(tǒng)的可靠性、實時性和靈活性。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) 不能準確定量。人工打飯的飯量主要靠經(jīng)驗，不可能次次稱重。員工所打飯量多于消費者要求量，食堂虧損；少于消費者要求量，消費者意見大，影響服務質(zhì)量。

(2) 浪費大量人力財力。打飯高峰期，一個員工要在一個小時左右的時間打幾百甚至上千碗飯，工作量繁重，同時打飯員工的增多必然導致財力支出的增加。

(3) 打飯效率低。有些員工經(jīng)驗不足，或是打飯速度不快，很容易造成消費者不滿，排列隊伍過長，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)出一套能實現(xiàn)真正“智能化”的全自動打飯系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)模型

此系統(tǒng)主要是由機械和電子控制2大部分組成。機械部分由直流減速電機、漏斗、支撐架、旋轉桿等組成，控制部分由單片機、鍵盤、壓力傳感器、光電傳感器、液晶顯示等組成，如圖1所示。當消費者通過鍵盤輸入所需打飯飯量時，單片機控制液晶顯示屏工作，顯示具體飯量及消費金額，同時啟動前端刷卡系統(tǒng)。在消費者刷卡并扣除當前所需消費金額后，單片機首先控制相關直流電機(電機2)，使傳遞機構旋轉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(電機1)轉動，出飯口向碗里輸送米飯。當碗里的米飯的重量達到檢測輸入值時，電機1停轉，電機2旋轉180°把米飯送出去同時送入空碗，如此循環(huán)。

2 系統(tǒng)硬件設計

整個自動打飯系統(tǒng)的核心是單片機，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大的優(yōu)勢，可以充分利用這一優(yōu)勢設計融合數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉換、數(shù)據(jù)分析處理、直流電機控制、液晶顯示等于一體的系統(tǒng)裝置，完成出飯口排出米飯，傳遞飯碗以及實時顯示等功能。結構框圖如圖2所示。

2.1 電機驅(qū)動模塊

采用PWM方法，調(diào)節(jié)加在電機兩端的平均電壓，實現(xiàn)對直流電機的控制。但由單片機產(chǎn)生的PWM信號不足以直接驅(qū)動電機，需用驅(qū)動器將其轉換成可驅(qū)動電機的驅(qū)動信號，如圖3所示。驅(qū)動電路采用SOTS公司的專用電機驅(qū)動芯片L298N。他是恒壓恒流雙H橋電機驅(qū)動器，驅(qū)動能力強，可同時控制2臺直流電機，輸出電流可達到2 A。單片機通過控制L298N的使能端控制電機的啟動和停止。當使能端為低電平時，電機停止；當使能端為高電平時，電機啟動。通過控制使能端的脈沖寬度，而達到調(diào)整直流電機轉速的目的。

在實際應用中，為了保護電機，在驅(qū)動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，避免了電機失控現(xiàn)象。另外，為了抑制電機的大電流對單片機程序的沖擊，系統(tǒng)中采用了光電耦合器實現(xiàn)隔離。該驅(qū)動電路結構簡單，性能可靠。

2.2 旋轉桿的控制設計

雖然單片機可以控制直流電機的減速，但直流電機在具體運行中仍存在一定慣性。為了能夠使旋轉桿送入的空碗正對著出飯口，此系統(tǒng)在旋轉桿底部增加了發(fā)射取樣式紅外線對管ST188作為尋點傳感器，圖4為光電檢測電路。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，以非接觸檢測方式，檢測距離可調(diào)整達2~10 mm。當旋轉桿旋轉時，保持發(fā)光管發(fā)光，當其下方為出飯口準確位置點標志時，其接受管輸出為高電平。這樣，控制系統(tǒng)就可以分析出當前空碗的位置，從而達到調(diào)整旋轉桿運行狀態(tài)的目的。

2.3 飯量稱重設計

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型單點式稱重傳感器完成電子稱重功能。此傳感器為電阻應變式壓力傳感器，結構簡單小巧，安裝簡單，且經(jīng)過角差預調(diào)整，可以滿足系統(tǒng)要求。其主要性能指標見表1。

傳感器檢測平臺上飯碗及其內(nèi)部米飯的重量，據(jù)此控制米飯加注過程的進行，表達式為：

W=(W1+W0)-(W2+W0)

其中，W表示已加注米飯重量，W0表示空碗重量，W1表示當前碗內(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，需要進行信號放大，如圖5所示。圖中利用電橋作為重量壓力的測量電路，R1，R2，R3，R4作為電橋的4個橋臂，為阻值變化與外界受力相關的應變電阻，測量電橋由VCC供電。在空載時，電橋輸出電壓為：

U0=VCC\\[R1/(R1+ R4)- R2/(R2+ R3)\\]

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

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化設計方法，先設計出子程序并進行調(diào)試，然后進行模塊集成，形成主程序。從實現(xiàn)功能方面考慮，子程序包括旋轉桿位置監(jiān)控、電機控制、鍵盤管理、稱重檢測以及顯示管理等。具體程序流程圖如圖6所示。在設計程序時，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)的安全保護特性來處理“死循環(huán)”程序。

4 測試結果

4.1 運行時間

驅(qū)動電壓為12 V時，直流電機1每分鐘轉100次，直流電機2每分鐘轉60次，由于系統(tǒng)采用的是PWM方法，加在電機兩端的平均電壓略低于12 V。經(jīng)PC396電子秒表測試，旋轉桿旋轉180°所需的時間為0.8 s。

據(jù)統(tǒng)計，85%的消費者所打飯量為100 g或150 g，故只需對這2種消費情況進行測試。測試結果顯示，此系統(tǒng)出飯口排出米飯量100 g平均所需時間為2.85 s，排出米飯量150 g平均所需時間為3.63 s。這樣，從消費者輸入飯量值開始，直至系統(tǒng)將盛好米飯的碗送出，整個過程平均所需時間分別為6.50~7.80 s?？梢?，系統(tǒng)運行速度快，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[LL]FC20KI精密數(shù)字電子稱進行比對測試，其測試結果如表2所示。

5 結 語

針對目前集體食堂中傳統(tǒng)手工打飯方式存在的種種弊端，本文首次設計出一套全自動打飯系統(tǒng)，并已經(jīng)制成模型。系統(tǒng)具有2大特點：

(1) 設計獨特：除了利用鍵盤和顯示器實現(xiàn)直觀、透明的人機對話形式以外，系統(tǒng)還在機械結構上進行了精心設計，如巧用電機和旋轉桿，并針對米飯的柔軟性和粘性，設計了直流電機控制翻轉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：消費者只需在鍵盤上輸入打飯飯量，拿卡在POS機上輕輕劃過，把空碗擱在相應平臺上，即可在短暫的時間內(nèi)，完成讀值、扣費、電機控制等操作，成功取得自己所需的米飯。整個過程速度快、控制準確、無需借助他人幫忙。在不改變現(xiàn)有刷卡系統(tǒng)的基礎上，完全實現(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)約了人力和財力開支。

經(jīng)過反復試驗，系統(tǒng)模型完全能夠滿足集體食堂的需要。其設計成本低、性能穩(wěn)定、可靠性高、操作簡單便捷，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前景。

參 考 文 獻

［1］郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應用\\[M\\].2版.西安:西安電子科技大學出版社，2003.

［2］李銀華，楊存祥，包空軍.基于dsPIC30F3014冷媒填充裝置控制系統(tǒng)設計［J］.電子器件，2007，30(3):931934.

［3］虞闖，張東陽，董慧穎.IC卡計算機POS售飯系統(tǒng)［J］.沈陽工業(yè)學院學報，1999，18(3):6872.

［4］鄒繼軍，饒運濤，鄭勇蕓.CAN總線在食堂售飯系統(tǒng)中的應用［J］.廈門大學學報:自然科學，2001，40(增1):252255.

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作者簡介

趙 娟 女，1979年出生，湖北人，工學碩士，助教。研究方向為智能儀器與控制、電子電工設計等。