摘 要：針對(duì)目前集體食堂中傳統(tǒng)手工打飯方式存在的種種弊端，設(shè)計(jì)并研制出一套全自動(dòng)打飯系統(tǒng)。設(shè)計(jì)由機(jī)械和電子兩大部分組成，給出系統(tǒng)模型、硬件組成結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)思想，詳細(xì)介紹關(guān)鍵電路模塊的工作原理。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行速度快，稱重精度高、性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單便捷，實(shí)現(xiàn)了膳食管理的規(guī)范化和智能化。

關(guān)鍵詞：AT89S51；直流電機(jī)；傳感器；稱重

中圖分類號(hào)：TP27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(lái)，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(jiàn)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(guò)長(zhǎng)，食堂過(guò)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(kāi)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(pán)、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(guò)鍵盤(pán)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)程的進(jìn)行，表達(dá)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(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：

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

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(pán)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(mén)狗”，利用系統(tǒng)的安全保護(hù)特性來(lái)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(kāi)始，直至系統(tǒng)將盛好米飯的碗送出，整個(gè)過(guò)程平均所需時(shí)間分別為6.50~7.80 s?？梢?jiàn)，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[LL]FC20KI精密數(shù)字電子稱進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表2所示。

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)制成模型。系統(tǒng)具有2大特點(diǎn)：

(1) 設(shè)計(jì)獨(dú)特：除了利用鍵盤(pán)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(kāi)布局的，所以清潔、衛(wèi)生。

(2) 操作智能：消費(fèi)者只需在鍵盤(pán)上輸入打飯飯量，拿卡在POS機(jī)上輕輕劃過(guò)，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(guò)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(kāi)支。

經(jīng)過(guò)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。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用\\[M\\].2版.西安:西安電子科技大學(xué)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(shè)計(jì)［J］.電子器件，2007，30(3):931934.

［3］虞闖，張東陽(yáng)，董慧穎.IC卡計(jì)算機(jī)POS售飯系統(tǒng)［J］.沈陽(yáng)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，18(3):6872.

［4］鄒繼軍，饒運(yùn)濤，鄭勇蕓.CAN總線在食堂售飯系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)，2001，40(增1):252255.

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作者簡(jiǎn)介

趙 娟 女，1979年出生，湖北人，工學(xué)碩士，助教。研究方向?yàn)橹悄軆x器與控制、電子電工設(shè)計(jì)等。