寧夏理工學(xué)院 姜俊鵬 呂 杰 張翠玲 馬俊濤 唐玉鑫 王 飛

基于STM32的智能餐桌設(shè)計

寧夏理工學(xué)院 姜俊鵬 呂 杰 張翠玲 馬俊濤 唐玉鑫 王 飛

本文描述了一種智能餐桌的設(shè)計。餐桌的智能化可以改進(jìn)現(xiàn)實(shí)生活中人們的就餐環(huán)境并給人們帶來更多的方便。該智能餐桌基于STM32控制芯片，采用電熱絲加熱，半導(dǎo)體制冷，超聲波去污以及將電磁爐進(jìn)行改造，將制冷設(shè)備、加熱設(shè)備、清洗設(shè)備、音樂播放裝置及殺菌設(shè)備集合在餐桌上，在實(shí)際使用中，可解決就餐時飯菜變涼問題、剩飯剩菜不好保存的問題、餐后清洗的麻煩、做菜時在電磁爐邊守候的麻煩以及家庭中飲品快速制冷的難題，餐桌有藍(lán)牙音樂播放功能，可直接通過手機(jī)連接藍(lán)牙，播放音樂，增加就餐情調(diào)。該餐桌的設(shè)計既貼心又方便，使用簡單，設(shè)計人性化，并且保證餐桌整體衛(wèi)生條件。

STM32；功能集合；貼心方便；智能餐桌

0 引言

當(dāng)今社會的科技高度發(fā)達(dá)，各種新產(chǎn)品和新技術(shù)層出不窮，以滿足人們的不同需求，與此同時，也給人們的生活帶來了很大的便利，如保鮮食物的冰箱，加熱飯菜的微波爐，清洗碗筷的洗碗機(jī)，烹制菜肴的電磁爐，夏天的飲品制冷機(jī)等。但這些功能基本都是由單一產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)的，為了實(shí)現(xiàn)這些功能就需要同時具備這些產(chǎn)品，同時需要空間來放置這些產(chǎn)品，使得存儲混亂。因此，需要一種新型結(jié)構(gòu)來解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。

基于STM32的智能餐桌，屬于智能家居技術(shù)領(lǐng)域，該智能餐桌包括桌面與桌體，桌面位于桌體頂部，桌面的上表面設(shè)置有控制面板，桌面的下表面裝有無線供電的發(fā)送線圈，可配套使用基于無線供電技術(shù)的加熱裝置，桌面的中心位置設(shè)有孔，孔處安裝有電磁爐，桌面的下表面安裝有飲品制冷裝置，桌體上分別設(shè)置有第一腔、第二腔和第三腔，第一腔內(nèi)集成有保溫裝置，第二腔內(nèi)集成有清洗裝置，第三腔內(nèi)設(shè)置有控制裝置，控制面板、電磁爐、飲品制冷裝置、保溫裝置及清洗裝置均連接于控制裝置STM32單片機(jī)，且可通過控制面板進(jìn)行操控。該設(shè)計所提供的智能餐桌結(jié)構(gòu)緊湊，將日常生活中常用到的電器產(chǎn)品集成到餐桌內(nèi)，既便于使用，又節(jié)約了存儲空間。

圖1 基于STM32的智能餐桌成品圖

基于STM32的智能餐桌成品如圖1所示，控制面板TFT彩屏設(shè)置界面如圖2所示，TFT彩屏音樂播放界面如圖3所示。

圖2 基于STM32的智能餐桌TFT彩屏設(shè)置界面圖

圖3 基于STM32的智能餐桌TFT彩屏音樂播放界面圖

1 設(shè)計內(nèi)容

在該設(shè)計中利用STM32單片機(jī)對繼電器及光耦的控制來達(dá)到控制制冷設(shè)備、加熱設(shè)備、清洗設(shè)備、音樂播放裝置及電磁爐工作的目的，餐桌配有基于無線供電技術(shù)的加熱盤子，就餐時只需將該盤子放在餐桌表面即可對飯菜加熱。通過TFT液晶屏采集用戶的需求，根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)確定各單元的工作狀態(tài)，使人們用上智能、方便、多功能的餐桌。

智能餐桌結(jié)構(gòu)的三視圖及整體效果圖如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 智能餐桌主視圖（1.保溫箱；2.洗碗機(jī)；3.放置電源）

圖5 智能餐桌左視圖（4.飲料制冷設(shè)備）

圖6 智能餐桌俯視圖（5.電磁爐）

圖7 智能餐桌整體結(jié)構(gòu)效果圖

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 控制器

控制系統(tǒng)主控芯片采用基于STM32微處理器的STM32F4系列的STM32F407ZET6單片機(jī)(MCU)。該芯片基于ARM Conex-M4內(nèi)核，采用意法半導(dǎo)體的NVM工藝和ART加速器，是32位閃存的微控制器。在180MHz的工作頻率下通過閃存執(zhí)行指令時可實(shí)現(xiàn)225DMIPS/608 Core Mark的性能，是迄今所有基于Cortex-M內(nèi)核的微控制器產(chǎn)品所達(dá)到的最高性能得分。STM32具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：在Cortex-M3架構(gòu)上進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，在提升性能的同時，所有新功能都具有較低的功耗，其內(nèi)核電壓為1.8 V，芯片電壓為3.3 V，可以選擇睡眠模式、待機(jī)模式，保證低功耗應(yīng)用的要求，由于采用了動態(tài)功耗調(diào)整功能，通過閃存執(zhí)行指令時的電流消耗范圍為從STM32F410的89 μA/MHz到STM32F439的260 μA/MHz。STM32F4系列包括八條兼容的數(shù)字信號控制器（DSC）產(chǎn)品線，是MCU實(shí)時控制功能與DSP信號處理功能的完美結(jié)合體；相對于ARM系列其他芯片，STM32運(yùn)行速度更快；擁有豐富的通信模塊便于與上位機(jī)進(jìn)行通信。該芯片非常適合在控制領(lǐng)域應(yīng)用。

智能餐桌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

圖8 基于STM32F407ZET6單片機(jī)的智能餐桌結(jié)構(gòu)框圖

2.2 電磁爐改造

該設(shè)計中將現(xiàn)成的電磁爐進(jìn)行改造，通過STM32主控芯片控制光耦的通斷達(dá)到控制電磁爐的各功能，其中電磁爐各功能與單片機(jī)引腳對應(yīng)如下PC1：功率增加；PC2：功率減?。籔C3：煲湯；PC4：蒸煮：PC5：煮粥；PC6：炒菜；PC7：火鍋。

2.3 制冷設(shè)備

該設(shè)計中涉及飲品制冷功能和保溫箱內(nèi)的制冷功能，兩處均采用半導(dǎo)體制冷，半導(dǎo)體制冷的原理是通過半導(dǎo)體材料的溫差效應(yīng)，使直流電通過由兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時，在電偶對的兩端將吸收或放出熱量。如果在放熱端安裝散熱裝置，吸熱端就能通過熱量輸送制成簡單方便的新型制冷器；當(dāng)改變直流電方向時，又能達(dá)到制熱的效果。

兩套制冷設(shè)備均通過繼電器與單片機(jī)連接，其中飲品制冷連接單片機(jī)PB10引腳，保溫箱內(nèi)的制冷設(shè)備連接單片機(jī)的PB12引腳。

2.4 加熱設(shè)備

該智能餐桌的保溫箱內(nèi)的加熱設(shè)備和基于無線供電技術(shù)的加熱盤子均采用電熱絲加熱（電阻加熱），電熱絲是最為常見的一種發(fā)熱元件，當(dāng)電流通過電熱絲時，電流做功而消耗電能，產(chǎn)生熱量，這種現(xiàn)象叫做電流的熱效應(yīng)。實(shí)踐證明，電流通過電熱絲所產(chǎn)生的熱量和電流的平方，電熱絲本身的電阻值以及電流通過的時間成正比。通過電熱絲產(chǎn)生的熱量即可達(dá)到需要加熱的溫度。

保溫箱內(nèi)的加熱設(shè)備通過繼電器與單片機(jī)的PB13引腳連接，整個保溫箱的電源通過單片機(jī)的PA4引腳輸出高低電平控制與之相連的繼電器開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)電源通斷。保溫箱內(nèi)采用紅外溫度傳感器實(shí)時監(jiān)測箱體內(nèi)的溫度，把溫度信號反饋給單片機(jī)實(shí)現(xiàn)保溫箱內(nèi)恒溫，其中單片機(jī)的PB8引腳連接紅外溫度傳感器的SCL引腳，PB9引腳連接SDL引腳。

2.5 清洗設(shè)備

該設(shè)計采用超聲波清洗機(jī)作為清洗設(shè)備，超聲波清洗效果好，操作簡單，隨著清洗行業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的行業(yè)和企業(yè)運(yùn)用到了超聲波清洗機(jī)。

超聲波清洗機(jī)是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩而傳播到介質(zhì)－－清洗溶劑中，超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射，使液體流動而產(chǎn)生數(shù)以萬計的直徑為50-500μm 的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡在聲場的作用下振動。這些氣泡在超聲波縱向傳播的負(fù)壓區(qū)形成、生長，而在正壓區(qū)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時，氣泡迅速增大，然后突然閉合。并在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個大氣壓，破壞不溶性污物而使他們分散于清洗液中，當(dāng)團(tuán)體粒子被油污裹著而黏附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子及脫離，從而達(dá)到清洗件凈化的目的。在這種被稱之為“空化”效應(yīng)的過程中，氣泡閉合可形成幾百度的高溫和超過1000個氣壓的瞬間高壓，能夠達(dá)到非常有效的清洗效果。超聲波清洗機(jī)通過繼電器與單片機(jī)的PG15引腳相連，以控制工作狀態(tài)。

清洗裝置通過兩個水泵蓄水和排水，進(jìn)水泵由單片機(jī)PG13控制，排水泵由PG14控制，通過兩個水位檢測模塊檢查水位，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定水位時停止往里抽水，當(dāng)水排空后停止排水，兩個水位檢查模塊由單片機(jī)PE5和PE6控制。

2.6 滅菌設(shè)備

該設(shè)計采用紫外線進(jìn)行殺菌，在保溫箱和清洗箱內(nèi)均裝有紫外殺菌裝置，通過單片機(jī)的PB12引腳控制工作狀態(tài)。

圖9、圖10、圖11、圖12為該設(shè)計的電路原理圖，其中藍(lán)牙播放模塊的TX引腳和RX引腳分別與單片機(jī)的PB10引腳和PB11引腳連接。

圖9 設(shè)計電路原理圖

圖10 設(shè)計電路原理圖

圖11 設(shè)計電路原理圖

圖12 設(shè)計電路原理圖

3 使用說明

使用電磁爐時，先在控制面板上選擇電磁爐的控制開關(guān)，之后在電磁爐上放置鍋具，即可實(shí)現(xiàn)菜肴的烹制。當(dāng)使用飲品制冷裝置時，先在控制面板上打開飲品制冷開關(guān)，此時制冷設(shè)備開始制冷工作，當(dāng)溫度到達(dá)控制面板設(shè)定值時開始向飲品制冷裝置內(nèi)注入飲品，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時停止飲品的注入，直到溫度再次達(dá)到設(shè)定值時，再開始飲品注入，當(dāng)無需飲品制冷時，只需在控制面板將飲品制冷開關(guān)關(guān)閉即可。

使用保溫裝置進(jìn)行食品保鮮時，先將控制面板上的溫度設(shè)置于20℃以下，此時保溫裝置內(nèi)的制冷設(shè)備開始制冷工作，當(dāng)紅外測溫裝置檢測到保溫裝置內(nèi)的溫度低于控制面板上的設(shè)置溫度時，制冷設(shè)備停止工作，當(dāng)檢測到溫度高于設(shè)定溫度時，制冷設(shè)備再次啟動進(jìn)行制冷工作，以使保溫裝置內(nèi)的溫度保持在設(shè)定溫度范圍。當(dāng)使用保溫裝置進(jìn)行食品加熱時，先將控制面板上的溫度設(shè)置于20℃以上，此時保溫裝置內(nèi)的加熱設(shè)備開始加熱工作，當(dāng)紅外測溫裝置檢測到保溫裝置內(nèi)的溫度高于控制面板上的設(shè)置溫度時，加熱設(shè)備停止工作，當(dāng)檢測到溫度低于設(shè)定溫度時，加熱設(shè)備再次啟動進(jìn)行加熱工作，以使保溫裝置內(nèi)的溫度保持在設(shè)定溫度范圍。當(dāng)需要使用紫外殺菌裝置進(jìn)行殺菌消毒時，只需要將控制面板上的控制開關(guān)打開即可。

使用清洗裝置對果蔬或餐具進(jìn)行清洗時，可在控制面板上快速清洗、標(biāo)準(zhǔn)清洗和強(qiáng)力清洗三種模式中根據(jù)需要選擇一種后，進(jìn)水泵開始向清洗裝置內(nèi)注水，直到進(jìn)水水位檢測儀檢測到水位達(dá)到設(shè)定值時，進(jìn)水泵停止注水，之后超聲波清洗模塊開始工作，超聲波可有效去除蔬果上的農(nóng)藥殘留以及餐具上的污漬，在超聲波清洗模塊工作時間達(dá)到預(yù)設(shè)時間后停止工作，出水泵開始將清洗裝置內(nèi)的水排出，當(dāng)出水水位檢測儀檢測到水位排盡之后，清洗裝置自動停止工作。

[1]劉慧英,范寶山.基于STM32的多步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].測控技術(shù),2010,06:54-57.

[2]謝玲,湯廣發(fā).半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2008(1)

[3]李國超.軸承超聲波清洗技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].大連理工大學(xué),2006.

姜俊鵬（1996—），福建南平人，大學(xué)本科，中級電工。

呂杰（1974—），寧夏銀川人，講師，主要研究方向：計算機(jī)控制系統(tǒng)，智能控制。

張翠玲（1971—），安徽碭山人，副教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)故障診斷，電子電路分析。

馬俊濤（1983—），寧夏石嘴山人，講師，主要研究方向：傳感器檢測技術(shù)。

唐玉鑫（1994—），湖北宜昌人，大學(xué)本科，電子設(shè)計助理工程師。

王飛（1995—），安徽宿州人，大學(xué)本科，中級電工。