楊 萌 祁宏偉 張子康

（濱州學(xué)院 電氣工程系，山東 濱州 256600）

1 引言

1.1 研究背景及意義

隨著社會(huì)的進(jìn)步，餐飲業(yè)發(fā)展很快，餐廳越來(lái)越一體化。 而餐廳工作人員的工作量也越來(lái)越大，直接導(dǎo)致吃飯時(shí)的飯盤不能及時(shí)洗刷出來(lái)使用， 極大的影響人們的就餐。 自動(dòng)洗盤機(jī)改變以往傳統(tǒng)洗碗機(jī)不能大量自動(dòng)高效清洗餐盤的弊端，通過機(jī)械原理單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)智能無(wú)需人力，達(dá)到自動(dòng)、高效的清洗餐盤的目的。

1.2 研究現(xiàn)狀分析

1.2.1 隨著數(shù)字信息電腦的普及， 洗盤機(jī)已經(jīng)廣泛的進(jìn)入人們的生活， 從而使人們從繁雜的勞動(dòng)中解放出來(lái)，作為一種自動(dòng)化設(shè)備，餐盤清洗機(jī)一般要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)注水。 自動(dòng)加洗滌劑，自動(dòng)排水，以及定時(shí)故障報(bào)警的功能。

1.2.2 市場(chǎng)現(xiàn)在主要有兩種餐盤清洗機(jī)，一種是銹鋼餐盤清洗機(jī)，但這種清洗機(jī)只能對(duì)餐盤進(jìn)行精洗，即只能洗先粗洗過的餐具；另一種是噴淋式清洗機(jī)，即采用高壓可空轉(zhuǎn)馬達(dá)配合噴淋，噴射力度大，表面清洗效果明顯[1]。因此我們?cè)诖嘶A(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型自動(dòng)噴淋式餐盤清洗機(jī)。

2.1 外部框架設(shè)計(jì)

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 實(shí)物模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

作品外部框架由金屬材料焊接而成（如圖1 和圖2，整體結(jié)構(gòu)圖）[2]:

框架有4 個(gè)金屬支撐柱， 框架上下分別由金屬圓柱和金屬平面焊接而成， 這樣就使得框架形成一個(gè)六面的立方體。 框架上方為上面，固定有屏幕的一側(cè)為正面，其后方為后面，其他兩個(gè)面為側(cè)面。

2.1.1 框架上面部分：

2.1.1.1 框架的上面有兩根光滑的金屬光軸，金屬光軸分別與側(cè)面鏈接，每根光軸上有兩個(gè)滑動(dòng)軸承。

2.1.1.2 滑動(dòng)軸承下面用螺絲固定著抓板，抓板的下方有吸盤，抓板的上方固定著電機(jī)，電機(jī)的主軸固定著一個(gè)齒輪。

2.2.2 框架底面部分： 框架底面用螺紋固定著四個(gè)萬(wàn)向輪。

2.2.3 框架正面部分：

2.2.3.1 正面上方在兩根支撐柱之間焊接一個(gè)金屬角鐵，此金屬面用來(lái)固定控制面板、真空過濾器、電磁閥。

2.2.3.2 正面下方左側(cè)用扎帶固定有電源設(shè)備。

2.2.4 框架后面部分：

后面上方在兩根支撐柱之間焊接一個(gè)金屬角鐵，用來(lái)實(shí)現(xiàn)連接[3]。

2.2.5 框架兩個(gè)側(cè)面部分：

框架側(cè)面焊接有金屬四條（一側(cè)兩條）折面，用來(lái)固定內(nèi)部縱向軌道。 每個(gè)側(cè)面的兩條金屬折面由一個(gè)長(zhǎng)度較短的金屬面焊接在一起，起到固定作用。

2.2 升餐盤裝置設(shè)計(jì)

升餐盤裝置共由6 部分組成（如圖3 和圖4）：

圖3 升餐盤裝置3D 模型

圖4 升餐盤裝置實(shí)物模型

2.2.1 電機(jī)：電機(jī)提供動(dòng)力，固定在地盤上的電機(jī)的通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)托盤上升。

2.2.2 聯(lián)軸器：連接電機(jī)與絲杠，帶動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2.3 軌道：由4 根角鐵固定在底面上，角鐵的凹槽對(duì)著電機(jī)，大小與托盤的面積相同。 作用是防止托盤上升的過程中搖晃。

2.2.4 轉(zhuǎn)軸：和絲杠配合，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸在絲杠上由電機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。

2.2.5 托盤：

2.2.5.1 托盤上表面的長(zhǎng)寬比餐盤的長(zhǎng)寬各大10 厘米，表面光滑，和餐盤的上表面貼合的比較好，并且上表面有一個(gè)凸起，所形成的面積正好和餐盤的面積相等，這樣餐盤就可以在上升的過程中不發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象。

2.2.5.2 托盤下表面固定在支撐桿上， 焊接連接，并且又加4 個(gè)螺絲固定， 這樣在升降多個(gè)餐盤的時(shí)候不發(fā)生斷裂或彎折現(xiàn)象。

2.2.6 傳感器：

2.2.6.1 升餐盤裝置初始化傳感器，安放在正面軌道內(nèi)，當(dāng)餐盤下降，托盤的下表面碰到傳感器時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，延遲10 秒鐘，餐盤放入后電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)餐盤的縱向運(yùn)動(dòng)，這樣實(shí)現(xiàn)餐盤的上升。

2.2.6.2 升餐盤裝置停止傳感器， 安放在裝置的正面，在傳送裝置的下面，當(dāng)餐盤上升，餐盤的下表面碰到傳感器，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，延遲10 秒鐘，轉(zhuǎn)送裝置工作，實(shí)現(xiàn)餐盤的縱線運(yùn)動(dòng)變?yōu)闄M向運(yùn)動(dòng)。

2.3 清洗結(jié)構(gòu)

2.3.1 當(dāng)餐盤上升到碰到碰撞開關(guān)的時(shí)候，3 個(gè)舵機(jī)帶動(dòng)3 個(gè)高壓水槍進(jìn)行沖洗餐盤的下表面。

2.3.2 當(dāng)餐盤由吸盤吸住進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，毛刷配合兩個(gè)高低不同的高壓水槍進(jìn)行刷洗和沖洗。

2.3.3 當(dāng)刷洗和沖洗結(jié)束以后， 餐盤放到降餐盤裝置上，高能紫外線燈進(jìn)行消毒[4]。

2.4 傳送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳送裝置由電機(jī)、齒條、滑軌、載物板構(gòu)成。

2.4.1 電機(jī)與吸盤固定在載物板上當(dāng)吸盤吸住餐盤的時(shí)候，電機(jī)通過和齒條的配合帶動(dòng)載物板運(yùn)動(dòng)。 實(shí)現(xiàn)餐盤的橫向運(yùn)動(dòng)。

2.4.2 滑軌起固定作用，載物板固定在在滑軌上，電機(jī)就可以帶動(dòng)整個(gè)載物板橫向運(yùn)動(dòng)。

2.4.3 4 個(gè)滑動(dòng)模塊固定在載物板上，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，這樣滑動(dòng)模塊在滑軌上滑動(dòng)，這樣就可以整體運(yùn)動(dòng)。

2.4.4 載物板的下表面安裝碰撞開關(guān)， 當(dāng)餐盤上升碰到碰撞開關(guān)，托盤停止上升，吸盤吸住餐盤，載物板帶動(dòng)餐盤橫向運(yùn)動(dòng)。

2.5 其他小部件設(shè)計(jì)

2.5.1 空壓機(jī)：

空壓機(jī)出氣口分為兩路分別為吸盤吸住餐盤和高壓水槍提供動(dòng)力。 采用的空壓機(jī)型號(hào)為v-0 17/8 排氣量0.15 壓力0.8 功率1.5[5]。 （如圖5）[6]

2.5.2 電池閥：

電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個(gè)孔都通向不同電磁閥的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁、鐵線圈通電閥體就會(huì)被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動(dòng)來(lái)?yè)踝』蚵┏霾煌呐庞偷目祝?液壓油會(huì)進(jìn)入不同的排油管， 然后通過油的壓力來(lái)推動(dòng)油缸的活塞，活塞又帶動(dòng)活塞桿，活塞桿帶動(dòng)機(jī)械裝置動(dòng)。 這樣通過控制電磁鐵的電流通斷就控制了機(jī)械運(yùn)動(dòng)[6]。

圖5 空壓機(jī)

圖6 電磁閥

2.6 詳細(xì)尺寸及理論計(jì)算

本計(jì)算是基于該實(shí)物模型得出的

主電機(jī)功率P=15 W=0.015KW，

轉(zhuǎn)速：n=23RPM

根據(jù)差速電機(jī)的輸出扭矩公式：

T=9550P/n

經(jīng)計(jì)算得：T=9550*0.015KW/23rpm

=6.2n·m

=62kg·cm

故而得到一個(gè)電機(jī)功率與輸出力的對(duì)應(yīng)關(guān)系：15W輸出12.4kg 這個(gè)力對(duì)應(yīng)的是餐盤的起重載荷量。

另外， 上下電機(jī)輸出的橫向推動(dòng)力為10W：8.27kg，由于載物板固定在滑軌上，所造成的摩擦力很小，根據(jù)F=f*G， 得知在該推動(dòng)力下， 所能推動(dòng)的重量為F/f=8.27kg/0.2=41.3kg。

經(jīng)對(duì)比可以看出， 載物板的承載能力取決于主電機(jī)的拉動(dòng)力[7]。

3 電氣控制系統(tǒng)

3.1 整體控制電路

主要包含以下元器件。

AVRmega16 微控制器一片、12864 液晶屏一塊、4x4矩陣鍵盤一個(gè)、碰撞開關(guān)4 個(gè)、繼電器3 個(gè)、直流電動(dòng)機(jī)3個(gè)、三極管3 個(gè)、串口通信接口1 個(gè)。

3.2 碰撞開關(guān)

A.碰撞傳感器的布局設(shè)計(jì)

碰撞開關(guān)放置于一側(cè)的4 個(gè)角上， 任意一個(gè)存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)單元碰到任意一個(gè)碰撞開關(guān)， 都會(huì)被單片機(jī)檢測(cè)到，MCU 將觸發(fā)相應(yīng)的電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。具體設(shè)計(jì)如下：

3.2.1 首先，托盤帶動(dòng)餐盤縱向移動(dòng)，當(dāng)餐盤的表面碰到載物板的下表面的碰撞傳感器，托盤停止上升。 吸盤吸住餐盤；

3.2.2 下一步載物板在電機(jī)的帶動(dòng)下橫向移動(dòng)，當(dāng)碰到齒條末端的碰撞傳感器，載物板停止運(yùn)動(dòng)，吸盤放開餐盤；

3.2.3 餐盤在托盤的作用下縱向向下移動(dòng)， 碰到碰撞傳感器，托盤停止運(yùn)動(dòng)；

3.2.4 下一步載物板返回， 碰到齒條首段的碰撞傳感器，停止運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)備吸下一個(gè)餐盤做準(zhǔn)備；

3.2.5 按照以上步驟，進(jìn)行循環(huán)工作，直到清洗完所有餐盤。

B.碰撞傳感器的電氣工作原理：

碰撞傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)普通開關(guān)， 它的兩根引腳， 一根接地GND， 另一邊通過上拉電阻引入AVR 單片機(jī)控制器的PA0:3，總共4 個(gè)端口，工作時(shí)，由控制器讀取IO 的狀態(tài)，由于連入了上拉電阻，當(dāng)未觸發(fā)開關(guān)時(shí)，IO 默認(rèn)為高電平，即輸入為1，當(dāng)有存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)單元碰撞時(shí)，IO 被連接入GND，IO 接變?yōu)?， 從而實(shí)現(xiàn)了MCU 對(duì)該外圍設(shè)備的控制[8]。

3.3 輸入設(shè)備設(shè)計(jì)[9]

在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)， 為了減少I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩矩陣形式。 在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通， 而是通過一個(gè)按鍵加以連接。 這樣，一個(gè)端口（如P1 口）就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，比直接將端口線用于鍵盤多出了一倍。

按鍵的檢測(cè)原理如下， 單片機(jī)的PC 口用作鍵盤I/O口，鍵盤的列線接到P1 口的低4 位，鍵盤的行線接到PC口的高4 位。列線PC.0-PC.3 分別接有4 個(gè)上拉電阻到正電源+5V，并把列線PC.0-PC.3 設(shè)置為輸入線，行線PC.4-PC.7 設(shè)置為輸出線。 4 根行線和4 根列線形成16 個(gè)相交點(diǎn)。

首先讓P1 口高四位為1，低四位為0，。 若有按鍵按下，則高四位中會(huì)有一個(gè)1 翻轉(zhuǎn)為0，低四位不會(huì)變，此時(shí)即可確定被按下的鍵的行位置。

然后讓P1 口高四位為0， 低四位為1。 若有按鍵按下，則低四位中會(huì)有一個(gè)1 翻轉(zhuǎn)為0，高四位不會(huì)變，此時(shí)即可確定被按下的鍵的列位置[10]。

3.4 顯示設(shè)備

屏幕選擇的是含中文字庫(kù)的12864 液晶[11]，產(chǎn)品的各項(xiàng)操作均有屏幕漢字提示，人性化操作。

控制器有輸入要求時(shí)，會(huì)在液晶上面顯示提示，提示菜單一般分為4 個(gè)選項(xiàng)，分別對(duì)應(yīng)鍵盤上的1-4 號(hào)按鍵，按下相應(yīng)的按鍵，MCU 會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的程序，另外在某些沒有提示的界面，可以按下“#”號(hào)鍵退出，同時(shí)返回上層菜單或回到首頁(yè)菜單。

3.5 其他傳感器

為充分利用單片機(jī)的端口資源， 產(chǎn)品加入了以下功能模塊：光敏傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

光敏傳感器在裝置內(nèi)部， 使裝置運(yùn)行的過程中更加準(zhǔn)確無(wú)誤。

火焰?zhèn)鞲衅鳎?它是基于AD 轉(zhuǎn)換的一個(gè)模塊， 利用AVR 單片機(jī)的內(nèi)部AD 轉(zhuǎn)換，可以實(shí)時(shí)讀取火焰的強(qiáng)度，無(wú)火和有火所反饋回來(lái)的數(shù)值火焰?zhèn)鞲衅骱痛谟泻艽蟛顒e，我們通過設(shè)定這個(gè)閥值，可通過程序判斷附近是否有明火[12]。

3.6 微控制器與計(jì)算機(jī)連接控制電路

我們的產(chǎn)品可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接通信， 采用的是計(jì)算機(jī)串口連接， 連接線是SERIAL—USB （串口轉(zhuǎn)接USB），在MCU 微控制器一端再接入MAX232，進(jìn)行計(jì)算機(jī)的12V—單片機(jī)5V 的TTL 電平轉(zhuǎn)換， 最后通過RXD和TXD 兩根引線即可與PC 進(jìn)行雙向通信了。

連接入計(jì)算機(jī)以后MCU 將實(shí)現(xiàn)以下功能：

3.6.1 控制器對(duì)餐盤的清洗操作都有詳細(xì)的記錄，包括記錄清洗餐盤用的時(shí)間，消毒時(shí)間等，通過屏幕的選取操作，可以把記錄的數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理。

3.6.2 連接電腦以后， 可以更改清洗時(shí)間和消毒時(shí)間等。

4 結(jié)論

4.1 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

4.1.1 設(shè)計(jì)新穎的機(jī)械結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)餐盤清洗機(jī)所應(yīng)該具有的功能。

4.1.2 餐盤整體放入，單個(gè)清洗，省時(shí)省力，清洗更高效。

4.1.3 通過舵機(jī)、 單片機(jī)和各種部件的配合做到清洗時(shí)完全自動(dòng)，無(wú)需人的控制。

4.1.4 清洗速度快， 節(jié)省時(shí)間， 極大的提高工作效率，能夠很好解決節(jié)假日期間清洗工作忙的難題。

4.1.5 系統(tǒng)可連接入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與管理。

4.2 前景展望

本產(chǎn)品功能強(qiáng)大，清洗便利，操作簡(jiǎn)單，且制作成本低廉，可用于大中型學(xué)校食堂和企業(yè)餐廳。 鑒于該產(chǎn)品強(qiáng)大的功能基礎(chǔ)，且市場(chǎng)上還未出現(xiàn)類似的產(chǎn)品和裝置，所以該產(chǎn)品應(yīng)用前景廣泛，尤其是當(dāng)今社會(huì)，餐飲業(yè)越來(lái)越發(fā)達(dá)。 使用這種餐盤清理清洗機(jī)械，能減少勞動(dòng)力資源，提高清潔效率，能大大改善食堂的就餐環(huán)境，給食堂經(jīng)營(yíng)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。 尤其是在現(xiàn)代社會(huì)高效率、快節(jié)奏的背景下，社會(huì)的發(fā)展對(duì)智能化、信息化提出了更高的要求，本作品對(duì)控制和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用充分體現(xiàn)了該特點(diǎn)， 具有鮮明的時(shí)代特征。

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