智能炒菜機控制系統設計

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，信號經過芯片ULN2003驅動步進電機來驅動炒菜機構，完成炒菜動作。智能炒菜機能夠實現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，在國內有良好的發展空間。

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、人們生活質量的提高、宅男宅女數量的增加以及現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。它能夠實現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控制來得以實現的，用幾分鐘時間就能夠做出可口的飯菜，省時省力，節能環保。智能的控制系統，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品，在現代快節奏的生活中，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。現有產品的功能不是很全面，都沒有系統地將各個功能結合在一起，有待完善。

二、系統設計與實現

1.系統框圖。

本系統選用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，根據不同食物和烹調方法設置工作時間和溫度，控制各執行機構的工作，實現食物烹制的標準化、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生脈沖的個數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。（2）電源模塊。電源模塊是將市電220V轉變為直流5V供給驅動模塊和單片機模塊。將220V交流電壓經過變壓器變壓后得到9V的交流電壓，然后經過電橋把交流變成直流。為了得到穩定的5V電壓，采用穩壓管78L05，經過78L05穩壓后輸出的就是穩定的5V電壓，供給驅動模塊和單片機模塊。（3）驅動模塊。驅動模塊是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，來控制炒菜模塊的運行。驅動模塊直接采用ULN2003芯片進行功率放大。它的內部結構是達林頓的，專門用來驅動繼電器的芯片，甚至在芯片內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以上參數估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可以直接驅動繼電器或固體繼電器（SSR）等外接控制器件，也可直接驅動步進電機。LN2003芯片具有自身功耗小、驅動能力強、可靠穩定、體積小、使用方便、價格合理等優點。（4）加熱模塊。本系統采用市場成熟化的電磁加熱，只需內置電磁加熱盤即可。電磁加熱的原理是通過電子線路板組成部分產生交變磁場、當將含鐵質容器放置上面時，容器表面即切割交變磁力線而在容器底部金屬部分產生交變的電流（即渦流），渦流使容器底部的鐵原子高速無規則運動，原子互相碰撞、摩擦而產生熱能。從而起到加熱物品的效果。因為是鐵制容器自身發熱，所以熱轉化率特別高，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動。電壓為DC5V—DC12V。當對步進電機施加一系列連續不斷的控制脈沖時，它可以連續不斷地轉動。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改變一次，也就對應轉子轉過一定的角度（一個步距角）。當通電狀態的改變完成一個循環時，轉子轉過一個齒距。加料：調料的種類很多，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體的不斷旋轉，控制加料的量。三種狀態的調料可以通過盲孔直徑的大小來實現加料，通過回轉的圈數來實現加料的多少。旋轉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。菜盒采用翻轉方式放菜，結構簡單、可靠。旋轉同樣采用小型步進電動機。翻炒：通過一個可旋轉的攪拌體代替人工的翻炒。攪拌體可升降，也可做旋轉運動。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。（6）鼓氣模塊。鼓氣模塊用于在炒菜過程中對鍋內的補氣，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、顯示內容豐富、超薄輕巧等優點，因此，在袖珍式儀表和低功耗應用系統中得到越來越廣泛的應用，現在字符型液晶顯示模塊已經是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件。本系統選用一款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

控制系統的軟件需要控制步進電機轉動、控制數碼管顯示等任務，這就必須通過中斷技術來實現。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生，若有按鍵動作則處理鍵盤，根據按鍵值修改相應參數值，實現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動：根據當前顯示的速度進行鍵盤手動改變T0定時時間常數，設置TH0和TL0的值，達到對轉速精確控制的目的；根據轉動方向控制位的值，控制脈沖信號循環移動的方向，達到對轉動方向控制的目的。

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

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速決定。進入中斷程序后，首先要保護現場，再根據當前值設置TH0和TL0的值。然后判斷轉動方向控制位的值，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。最后恢復現場，返回，等待下次中斷。通過用當前轉速控制中斷時間，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，也就到實現了步進電機轉動方向的控制。

三、結論

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

參考文獻：

[1]王迎全.論中國烹飪在繼承中創新才能發展[J].烹調知識，2011：22-24.

[2]王新穎.單片機原理及應用設計[J].北京大學出版社，2008.

[3]莫正康.電力電子應用技術[J].北京：機械工業出版社，2011.

[4]曾曉宏.數字電子技術[J].北京：機械工業出版社，2012.

[5]江曉安.模擬電子技術[J].西安電子科技大學出版社，2012.

[6]王宗培.步進電動機及其控制系統[M].哈爾濱工業大學出版社，2011.

[7]王曉明，胡曉柏.電動機的單片機控制[M].第1版.北京航空航天大學出版社，2002：181-208.

[8]劉寶延，程樹康.步進電動機及其驅動控制系統[M].第一版.1997：134-167.