集體食堂全自動打飯系統(tǒng)設計

　　近年來，各類院校、企事業(yè)單位的公共食堂已基本實現(xiàn)了規(guī)范化和網(wǎng)絡化，CAN總線、POS窗口機等的應用，極大提高了工作效率，增強了售飯管理系統(tǒng)的可靠性、實時性和靈活性。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)不能準確定量。人工打飯的飯量主要靠經(jīng)驗，不可能次次稱重。員工所打飯量多于消費者要求量，食堂虧損；少于消費者要求量，消費者意見大，影響服務質(zhì)量。

　　(2)浪費大量人力財力。打飯高峰期，一個員工要在一個小時左右的時間打幾百甚至上千碗飯，工作量繁重，同時打飯員工的增多必然導致財力支出的增加。

　　(3)打飯效率低。有些員工經(jīng)驗不足，或是打飯速度不快，很容易造成消費者不滿，排列隊伍過長，食堂過分擁擠等現(xiàn)象。因此，在不改變現(xiàn)有食堂刷卡系統(tǒng)的條件下，研制開發(fā)出一套能實現(xiàn)真正“智能化”的全自動打飯系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)模型

　　此系統(tǒng)主要是由機械和電子控制2大部分組成。機械部分由直流減速電機、漏斗、支撐架、旋轉(zhuǎn)桿等組成，控制部分由單片機、鍵盤、壓力傳感器、光電傳感器、液晶顯示等組成，如圖1所示。當消費者通過鍵盤輸入所需打飯飯量時，單片機控制液晶顯示屏工作，顯示具體飯量及消費金額，同時啟動前端刷卡系統(tǒng)。在消費者刷卡并扣除當前所需消費金額后，單片機首先控制相關直流電機(電機2)，使傳遞機構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°，并通過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(電機1)轉(zhuǎn)動，出飯口向碗里輸送米飯。當碗里的米飯的重量達到檢測輸入值時，電機1停轉(zhuǎn)，電機2旋轉(zhuǎn)180°把米飯送出去同時送入空碗，如此循環(huán)。

2 系統(tǒng)硬件設計

　　整個自動打飯系統(tǒng)的核心是單片機，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大的優(yōu)勢，可以充分利用這一優(yōu)勢設計融合數(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，傳遞飯碗以及實時顯示等功能。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 電機驅(qū)動模塊

　　采用PWM方法，調(diào)節(jié)加在電機兩端的平均電壓，實現(xiàn)對直流電機的控制。但由單片機產(chǎn)生的PWM信號不足以直接驅(qū)動電機，需用驅(qū)動器將其轉(zhuǎn)換成可驅(qū)動電機的驅(qū)動信號，如圖3所示。驅(qū)動電路采用SOTS公司的專用電機驅(qū)動芯片L298N。他是恒壓恒流雙H橋電機驅(qū)動器，驅(qū)動能力強，可同時控制2臺直流電機，輸出電流可達到2 A。單片機通過控制L298N的使能端控制電機的啟動和停止。當使能端為低電平時，電機停止；當使能端為高電平時，電機啟動。通過控制使能端的脈沖寬度，而達到調(diào)整直流電機轉(zhuǎn)速的目的。

　　在實際應用中，為了保護電機，在驅(qū)動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，避免了電機失控現(xiàn)象。另外，為了抑制電機的大電流對單片機程序的沖擊，系統(tǒng)中采用了光電耦合器實現(xiàn)隔離。該驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。

2.2 旋轉(zhuǎn)桿的控制設計

　　雖然單片機可以控制直流電機的減速，但直流電機在具體運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)射取樣式紅外線對管ST188作為尋點傳感器，圖4為光電檢測電路。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，以非接觸檢測方式，檢測距離可調(diào)整達2～10 mm。當旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)時，保持發(fā)光管發(fā)光，當其下方為出飯口準確位置點標志時，其接受管輸出為高電平。這樣，控制系統(tǒng)就可以分析出當前空碗的位置，從而達到調(diào)整旋轉(zhuǎn)桿運行狀態(tài)的目的。

2.3 飯量稱重設計

　　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型單點式稱重傳感器完成電子稱重功能。此傳感器為電阻應變式壓力傳感器，結(jié)構(gòu)簡單小巧，安裝簡單，且經(jīng)過角差預調(diào)整，可以滿足系統(tǒng)要求。其主要性能指標見表1。

　　傳感器檢測平臺上飯碗及其內(nèi)部米飯的重量，據(jù)此控制米飯加注過程的進行，表達式為：

　　其中，W表示已加注米飯重量，W0表示空碗重量，W1表示當前碗內(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，需要進行信號放大，如圖5所示。圖中利用電橋作為重量壓力的測量電路，R1，R2，R3，R4作為電橋的4個橋臂，為阻值變化與外界受力相關的應變電阻，測量電橋由VCC供電。在空載時，電橋輸出電壓為：

　　當VCC=0 V時，電橋處于平衡狀態(tài)，則電橋?qū)\算放大器的輸出為0。當稱重壓力變化時，RS將隨壓力變化而變化。這時電橋失去平衡，對放大器有不平衡電壓輸出。電橋的輸出電壓由AD22055檢測放大后輸出，放大倍數(shù)設定為50。

3 系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化設計方法，先設計出子程序并進行調(diào)試，然后進行模塊集成，形成主程序。從實現(xiàn)功能方面考慮，子程序包括旋轉(zhuǎn)桿位置監(jiān)控、電機控制、鍵盤管理、稱重檢測以及顯示管理等。具體程序流程圖如圖6所示。在設計程序時，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“看門狗”，利用系統(tǒng)的安全保護特性來處理“死循環(huán)”程序。

4 測試結(jié)果

4.1 運行時間

　　驅(qū)動電壓為12 V時，直流電機1每分鐘轉(zhuǎn)100次，直流電機2每分鐘轉(zhuǎn)60次，由于系統(tǒng)采用的是PWM方法，加在電機兩端的平均電壓略低于12 V。經(jīng)PC396電子秒表測試，旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)180°所需的時間為0.8 s。

　　據(jù)統(tǒng)計，85％的消費者所打飯量為100 g或150 g，故只需對這2種消費情況進行測試。測試結(jié)果顯示，此系統(tǒng)出飯口排出米飯量100 g平均所需時間為2.85 s，排出米飯量150 g平均所需時間為3.63 s。這樣，從消費者輸入飯量值開始，直至系統(tǒng)將盛好米飯的碗送出，整個過程平均所需時間分別為6.50～7.80 s?？梢姡到y(tǒng)運行速度快，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FC-20KI精密數(shù)字電子稱進行比對測試，其測試結(jié)果表2所示。

　　從表2中可以看出，米飯重量測量精度小于±5 g，靠性高。

5 結(jié)語

　　針對目前集體食堂中傳統(tǒng)手工打飯方式存在的種弊端，本文首次設計出一套全自動打飯系統(tǒng)，并已經(jīng)制模型。系統(tǒng)具有2大特點：

　　(1)設計獨特：除了利用鍵盤和顯示器實現(xiàn)直觀、透明的人機對話形式以外，系統(tǒng)還在機械結(jié)構(gòu)上進行了精心設計，如巧用電機和旋轉(zhuǎn)桿，并針對米飯的柔軟性和粘性，設計了直流電機控制翻轉(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布局的，所以清潔、衛(wèi)生。

　　(2)操作智能：消費者只需在鍵盤上輸入打飯飯量，拿卡在POS機上輕輕劃過，把空碗擱在相應平臺上，即可在短暫的時間內(nèi)，完成讀值、扣費、電機控制等操作，成功取得自己所需的米飯。整個過程速度快、控制準確、無需借助他人幫忙。在不改變現(xiàn)有刷卡系統(tǒng)的基礎上，完全實現(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)約了人力和財力開支。

　　經(jīng)過反復試驗，系統(tǒng)模型完全能夠滿足集體食堂的需要。其設計成本低、性能穩(wěn)定、可靠性高、操作簡單便捷，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前景。