史建偉

(太原工業(yè)學(xué)院自動化系，山西 太原 030006)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能的快速發(fā)展，自動化技術(shù)正在改變著人們的日常生活?！懊褚允碁樘?食以安為先”，而筷子作為中國人最主要的進餐用具，它的存儲一直備受人們的關(guān)注。最初，筷子主要存放在筷筒中，然而隨著氣溫的變化傳統(tǒng)筷筒在防潮防霉等方面存在很多問題。一方面，未及時干燥處理的筷子在潮濕的環(huán)境容易滋生金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、黃曲霉素等細菌或者霉菌，用餐之后容易引發(fā)感染性腹瀉、嘔吐等消化系統(tǒng)疾病，甚至有誘發(fā)肝癌的風(fēng)險，給人們?nèi)粘Ｉ顜砹嗽S多的安全隱患。另一方面，在人員比較密、通風(fēng)不暢的環(huán)境、空氣中的微生物、飛沫、懸浮顆粒四處流動，極易吸附在潮濕的筷子表面，筷子的衛(wèi)生難以得到保障。因此，為了筷子的使用更加衛(wèi)生方便，對筷子的存放提出了更高的要求[1,2]。

目前，許多研究團隊、生產(chǎn)廠商設(shè)計并生產(chǎn)了多種類型的存儲筷子裝置。現(xiàn)有的筷子機多采用按鍵形式取筷，且筷子在存儲狀態(tài)有一部分暴露在空氣中，雖然筷子一端進行干燥、消毒處理，但另一端處于污染狀態(tài)，尤其在公共就餐場合，筷子衛(wèi)生難以得到保障[3,4]。本文以低成本、高衛(wèi)生標準為設(shè)計原則，以STC89C52作為主控制器，設(shè)計一款密閉式儲筷、感應(yīng)取筷的智能儲筷裝置，在保證消毒、干燥等常規(guī)功能基礎(chǔ)上，極大改善了筷子存儲過程中的衛(wèi)生質(zhì)量。

1 方案設(shè)計

1.1 需求分析

普通的筷子消毒機在無人使用的情況下，筷子一端會長期暴露在空氣中，雖然方便了人們拿取筷子，但是也給筷子造成了不必要的污染。另外，現(xiàn)有筷子機需要通過開關(guān)或者按鈕給一個出筷指令，然后手動抽取筷子。在公共餐飲場合，多人就餐情況下，這種手指—按鈕式(或者觸摸式)開關(guān)—筷子出筷模式會使得出筷裝置成為傳播病毒、細菌的媒介，有可能造成多人交叉感染。除了筷子機，消毒柜也是存儲筷子的常用方式，雖然密閉式消毒柜消毒效果較好，但不具備自動出筷功能，每次使用筷子時，需要打開消毒柜門手動取出，而每開一次柜門，就會使得柜內(nèi)外空氣形成對流，降低消毒柜內(nèi)的溫度，影響消毒質(zhì)量和效果，過多的開門次數(shù)也會縮短消毒柜的使用壽命。為了提高筷子衛(wèi)生質(zhì)量，同時使筷子的拿取更加方便，將上述兩種儲筷裝置的功能融合，通過感應(yīng)裝置，實現(xiàn)自動出筷的功能，在不影響設(shè)備內(nèi)消毒效果的同時完成出筷，使得筷子在拿取時更加的方便、快捷。綜上分析，本文設(shè)計一款智能儲筷裝置，主要功能包括：1) 消毒功能；2) 烘干功能；3) 密閉式傳動功能；4) 感應(yīng)式取筷功能。

1.2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計

基于以上需求，本設(shè)計針對儲筷裝置進行了智能化設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。智能控制方面，采用STC89C52單片機作為主控芯片，通過單片機控制紫外消毒燈和風(fēng)機風(fēng)扇實現(xiàn)消毒功能和風(fēng)干功能。為了避免筷子存儲時暴露于空氣，同時避免手與儲筷裝置之間接觸，整體結(jié)構(gòu)采用封閉式存儲，筷子儲存于箱體內(nèi)部，當有人前來取筷子時，裝置的紅外感應(yīng)模塊接收到感應(yīng)信號，并通過單片機控制步進電機將筷子傳動到外部。儲筷裝置系統(tǒng)控制方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制方案

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

智能儲筷裝置，在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計上除了考慮密封性之外，還需要考慮電路安裝問題。該裝置的箱體結(jié)構(gòu)分上、下兩層，上層為筷子的儲存結(jié)構(gòu)以及各個功能模塊(消毒設(shè)備、風(fēng)機風(fēng)扇、感應(yīng)模塊)，下層是裝置的控制單元，中間由絕緣性良好的亞克力板隔離，可以防止筷子在清洗后，殘留水份不慎滴入下層控制單元，造成線路短路，同時還有效避免傳統(tǒng)儲筷設(shè)備長期暴露在空氣中的問題。

為了能夠盡可能地節(jié)約出筷裝置的使用空間，根據(jù)筷子圓形的結(jié)構(gòu)，設(shè)計采用由步進電機帶動圓型的滾筒實現(xiàn)出筷功能。滾筒一側(cè)帶有方形挖孔，方便筷子進入滾筒，在步進電機帶動滾筒轉(zhuǎn)動時，滾筒上方的筷子會掉入滾筒中，隨著步進電機的轉(zhuǎn)動，滾筒開口處由上到下，由內(nèi)到外，筷子由于自身重力的原因，會掉落到下方的凹凸槽中，從而實現(xiàn)裝置的自動出筷功能，同時保證了裝置的密閉性，具體傳動滾筒裝置如2圖所示，儲筷裝置的總體結(jié)構(gòu)布局如圖3所示。

圖2 傳動滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

從裝置放筷處的開口能清楚地看到它的俯視圖，俯視圖左側(cè)①是風(fēng)扇模塊，清洗后的筷子在放入自動出筷裝置后通過散熱風(fēng)扇加速風(fēng)干，實現(xiàn)筷子的快速烘干；俯視圖下方陰影③為紫外線消毒燈，在筷子烘干之后，可以對儲筷裝置內(nèi)部進行定時的殺菌、消毒，盡可能地保證裝置內(nèi)部的衛(wèi)生；俯視圖右側(cè)②是紅外感應(yīng)模塊，當有人前來取筷時，快速將信息傳輸給主控單元。

圖3 儲筷裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

從側(cè)視圖看，筷子④由于受到自身重力的影響，會向左側(cè)傾斜、滾動，當步進電機驅(qū)動帶有挖孔的滾筒轉(zhuǎn)到上方時，筷子會掉入下部滾筒的方形挖孔中，之后電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)到側(cè)視圖位置時，筷子在重力的作用下，筷子將會掉入左側(cè)凹凸槽⑥中，至此出筷功能完成，電機將轉(zhuǎn)回到上方等待下一次命令。另一方面，在主視圖的下方也有一個紅外感應(yīng)裝置，它能準確地識別出筷過程是否成功，如果出筷成功，步進電機將無法進行下一次轉(zhuǎn)動，直至前方筷子取走后，才能進行下一次取筷操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路由STC89C52單片機最小系統(tǒng)及外圍電路構(gòu)成，主要包括感應(yīng)模塊電路、消毒模塊電路、烘干模塊電路及傳動模塊電路。其中，單片機最小系統(tǒng)由電源電路、晶振電路以及復(fù)位電路構(gòu)成，這里不再介紹，下面主要介紹單片機外圍電路的硬件設(shè)計。部分電路連接如圖4所示。

感應(yīng)模塊主要實現(xiàn)人體檢測，及時感應(yīng)是否有人前來取筷。常用于人體感應(yīng)的傳感器由熱電式和光電式兩種，其中光電式傳感器具有檢測范圍廣、響應(yīng)速度快、能耗小、成本低，更適合本實驗的需求。該裝置采用模塊化的光電式傳感器，減少了接線端及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理過程，提高了集成度和穩(wěn)定性。傳感器屬于三端器件：接地端、電源端和數(shù)據(jù)端，其中數(shù)據(jù)端與單片機P2.2引腳相連。

儲筷裝置通過紫外線輻照筷子實現(xiàn)消毒。當紫外線積累到一定照射量時可以破壞微生物機體細胞中的中樞DNA和RNA的分子結(jié)構(gòu)[4]。本設(shè)計采用功率最小的4W直管型紫外線消毒燈，消毒燈模塊引腳主要用到接地端、電源端和數(shù)據(jù)端，其中數(shù)據(jù)端與單片機P2.1引腳相連。

圖4 部分電路連接圖

為了使筷子在清洗之后能及時的干燥，防止霉菌生長，裝置內(nèi)設(shè)計烘干模塊。本設(shè)計采用自然烘干形式，輔以小型散熱風(fēng)扇加速空氣流動，提高烘干效率，在保證除去筷子多余水分的同時，避免了傳統(tǒng)加熱干燥在對木制品受熱過程中容易導(dǎo)致筷子彎曲、變形，造成使用上的不便。風(fēng)機風(fēng)扇的工作電壓為12V的直流電，功率1.2W，在保證風(fēng)量的同時，選用0.18A的電流，保證風(fēng)扇運行時處于靜音狀態(tài)，減少噪音污染，更加貼近人們的日常生活。模塊化后的風(fēng)機風(fēng)扇將空腳懸空，除了電源端和接地端外，將數(shù)據(jù)端與單片機P2.6引腳相連。

儲筷裝置通過步進電機帶動滾筒的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)出筷功能。結(jié)合裝置控制特點，選用結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的28BYJ-48永磁式步進電機。由于步進電機工作時需要一定的工作電流，而控制器的輸出電流較小，不足以驅(qū)動步進電機，所以在使用時需要設(shè)計步進電機驅(qū)動的驅(qū)動電路。本設(shè)計外加L298驅(qū)動模塊進行驅(qū)動信號放大，將單片機的引腳P0.0-P0.3與驅(qū)動模塊1-4引腳連接，再將驅(qū)動模塊13-16引腳與步進電機輸入M1-M4連接，經(jīng)過L298驅(qū)動進行信號放大之后輸出到M1-M4上。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

儲筷裝置的系統(tǒng)程序設(shè)計采用總分的設(shè)計思想,主函數(shù)由初始化程序、定時烘干程序、定時消毒程序和出筷程序組成。系統(tǒng)主函數(shù)流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)上電后，執(zhí)行初始化程序，待筷子放入儲筷裝置后，調(diào)用烘干子程序定時開啟或者關(guān)閉繼電器，進而控制風(fēng)機風(fēng)扇通斷，實現(xiàn)定時烘干功能；之后，調(diào)用定時消毒子程序，開啟紫外消毒燈對筷子進行定時消毒；接下來，系統(tǒng)進入等待狀態(tài)，當光電傳感器感應(yīng)到有人前來取筷時，出筷子程序開始執(zhí)行，控制步進電機工作，傳動裝置將筷子從箱體內(nèi)部傳送到箱體外部，出筷工作完成后電機自動歸位，保證儲筷箱體內(nèi)外的密封性。將上述算法經(jīng)采用C語言編寫程序，使用Keil軟件進行編譯，并將編譯文件燒入單片機，經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試運行后，可實現(xiàn)預(yù)設(shè)功能，滿足設(shè)計要求。

4 總結(jié)

本文從衛(wèi)生、健康、節(jié)約成本的角度出發(fā)，以STC89C52單片機為主控制器，結(jié)合相應(yīng)的外圍檢測電路，設(shè)計了一款智能化的儲筷裝置。該裝置將筷子存儲于密閉的箱體內(nèi)部，可對筷子進行烘干、消毒。當有人前來取筷時，通過遠程感應(yīng)開啟筷子傳動裝置，將筷子從箱體內(nèi)傳送至箱體外，取代了傳統(tǒng)的按鍵式或者觸摸式開關(guān)的儲筷裝置，避免交叉感染的風(fēng)險。裝置成本較低、功能可靠，可用于家庭、公共餐廳、餐館等場所，具有一定的實用價值。