智能洗碗機控制板開發(fā)設計

從原始的刀耕火種到現(xiàn)在的信息社會，科技給人類社會發(fā)展帶來了無比強大的推動力。小到電子芯片、大到航空航天，其中涉及的設計理念無不凝聚著人類的智慧。隨著現(xiàn)代人生活品質的提高和生活節(jié)奏的加快，對以功能化、人性化為導向的產品需求不斷增大。例如，如何在一次家庭聚餐后，方便快捷地將雜亂無序的廚房恢復整潔。無疑，自動洗碗機是一個省時省力的選擇，但是，通過調研發(fā)現(xiàn)，國內的洗碗機在一線城市家庭的滲透率還不足1%。與手洗相比，洗碗機在餐具清潔度、耗水電量、清潔劑使用量等各項指標中均有明顯優(yōu)勢，但市場上現(xiàn)有的洗碗機大多為大型餐廳而設計，適用于家庭日常使用的寥寥無幾。基于此，我們設計了一款集清洗、消毒、儲存功能為一體的智能洗碗機來滿足家庭需求。

一、智能洗碗機設計來源

目前，市場上已有的應用于餐飲領域的全自動洗碗機主要有以下幾種分類方式。從工作方式上分為藍傳式全自動洗碗機和履帶拔齒式全自動洗碗機兩種。藍傳式全自動洗碗機的整個操作過程相對比較麻煩。而履帶拔齒式全自動洗碗機雖然操作起來相對方便快捷，但其體積大、質量重，不適用于家庭。從工作原理來分，可分為超聲波全自動洗碗機和增氧式全自動洗碗機兩種。其中，超聲波式洗碗機越來越被廣大客戶所接受，但其具有較多缺點，如噪音大、費電、機器造價高。而增氧式全自動型被客戶接受的主要原因是其造價低、省電，但清洗的干凈程度沒有超聲波全自動洗碗機高。分析市場上已經投入應用的洗碗機及其工作原理不難發(fā)現(xiàn)，這些大型洗碗機都各有各的利弊。而我們將這些洗碗機的流程精細化、模塊化，并不斷彌補其不足，加入筆者自己的創(chuàng)意，設計并制造出了應用于家庭廚房的全自動洗碗機。

二、智能洗碗機運行原理

智能洗碗機的主要功能有清洗、消毒、儲存，針對不同功能特性，我們設計了不同結構的機械模塊，并將這些機械模塊整合在同一套系統(tǒng)中，相互配合，以達到預期目的。

洗碗機主體為圓柱狀，圓柱體內部配備一根電動機帶動的中心軸，各個機械模塊均勻分布在中心軸周圍。底座的電動機可驅動中心軸的轉動使各模塊旋轉至相應位置。圓柱體側面為自動柜門，可供輸入使用過的餐具及輸出清洗干凈的餐具。從這里，洗碗機的工作就開始了，首先是安裝有壓力傳感器的置物倉，把使用過的餐具放入其中時，壓力傳感器檢測到有物體進入，便將此信息傳入洗碗機頂部的中心電腦，電腦得到信息后傳遞給底座，底座電動機接受指令關閉柜門。然后，置物倉被旋轉到清洗區(qū)，前期會有高壓水流沖洗掉餐具上的污物，之后由兩支高纖維材料合成的毛刷攜帶清潔液對餐具進行中期洗滌。末期仍會有高壓水流沖洗中期殘留的清潔液和污物，并由顏色傳感器識別餐具表面光亮程度。檢驗合格后，置物倉緊接著被轉換進消毒區(qū)，這里我們采用紫外線殺菌技術在30min內破壞及改變微生物的DNA結構，使細菌當即死亡或不能繁殖后代，以達到殺菌的目的。

在這一系列程序運行完成后，處理過的餐具將被傳入存儲區(qū)放置待用，而通過儲存區(qū)的濕度傳感器及干燥裝置保證餐具干燥、清潔，并防止滋生細菌。

在安裝方面，我們的洗碗機根據(jù)家庭廚房布置及個人愛好，被設置為半嵌式與全嵌式兩種，盡可能地縮小占地面積，也更自然地融入廚房中。

三、洗碗機的智能互聯(lián)功能

除此之外，我們還加入了家居互聯(lián)功能，家居互聯(lián)通過手機終端與洗碗機鏈接，讓洗碗機在各個使用環(huán)節(jié)都變得更加智能和人性化。在使用前，用戶可以通過手機上的“家居互聯(lián)”應用程序迅速了解洗碗機的各項功能，還可以觀看教學視頻快速掌握洗碗機的正確操作和保養(yǎng)方法，免去翻看說明書的麻煩。比如，視頻會指導用戶在洗碗機中正確擺放餐具、調整碗籃，讓每一次洗滌都不留死角。在安裝后日常應用中，家居互聯(lián)也會帶來更多舒適與便利。例如，周末午餐后，若家中老人孩子有午睡習慣，即使用戶出門在外也可遠程將洗滌模式調整為更安靜的“夜間洗”，讓家人安心休息。洗碗機主機可以根據(jù)洗碗機內部傳感器所獲知的碗碟重量、臟污程度等信息推薦最適合的洗滌模式。此外，其裝備的家電智能水系統(tǒng)能根據(jù)餐具類型和污濁情況調節(jié)水質硬度、洗滌溫度、沖刷的角度及力度，讓清洗效果更為顯著，并延長餐具的使用壽命。

四、洗碗機的核心構件

促進這套裝置運行的有溫度、濕度、壓力以及傳感器、電機、紫外線殺菌裝置等執(zhí)行構件，但最重要的是位于儲物倉頂部的由樂高EV3主機編排構成的中央處理模塊，這里儲存著編排妥當?shù)母鱾€程序，主機接受到各個傳感器發(fā)出的信號后進行處理并發(fā)出指令到下一模塊使之運行。這一中央自主收發(fā)過程精確有序，保證了整部洗碗機的全自動性。

本洗碗機的設計充分滿足了工薪階層“解放雙手”的家庭勞務需求，雖然目前洗碗機對中國家庭來說還是一個相對較新的產品，但由于其性能優(yōu)異，必將被大眾認知，從而成為繼冰箱、彩電、洗衣機之后的又一家用電器熱點。此外，對這套多功能洗碗機的后期優(yōu)化，主要集中在尺寸、容量方面，而低碳環(huán)保材料的實用也會極大提高其環(huán)保性，進而成為大型餐廳的優(yōu)選。

隨著科技文化的進步，廣大的人們對于物質追求的目標也逐步的提升，以往的實現(xiàn)途徑和傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法在科學的支持下已經逐步落后，在國外，以發(fā)達國家為主要代表的美國當前已進入“新硬件”時代。在國內，“互聯(lián)網+”的逐步探索與實現(xiàn)也將引領人們前往一個更加智慧的時代。社會由很多的部分組成，而在生活中，餐飲是滿足人們基本需求必不可少的項目，而對于餐具在清潔中存在的效率低、麻煩等問題一直困擾著廣大餐飲經營人員和家庭成員。對此，廣大科研技術人員采用電子技術發(fā)明了一系列的洗碗機。洗碗機在發(fā)達國家的洗碗機較為普遍，而國內的使用情況相對滯后，究其原因有以下幾點：（1）價格高；（2）耗電量大；（3）使用不方便；（4）占用空間大等。該文還闡述了當前洗碗機的類型（噴嘴式、水洗式、葉輪式及超聲波式等）。洗碗機能夠解放人們的雙手，其使用價值十分的顯著，本文就所設計的蒸汽-空氣洗碗機進行闡述。

五、洗碗機控制模塊介紹

隨著單片機的逐步升級，人們基于單片機能夠開發(fā)出很多具有實際應用價值的事物，文中所述的洗碗機其中央處理器為STM32開發(fā)板及相關構建（電源模塊，電機驅動模塊、開關控制模塊等）。STM32開發(fā)板來自于ARM公司產品內核，其性能高、功耗小、代碼開源及價位區(qū)間合理。同時，該開發(fā)板接口多，擴展性能好，能夠滿足廣大的研發(fā)人員的設計需求。本文的設計就是建立于該單片機之上，并在該中央處理器之上構設了一些類的外界控制模塊。

六、洗碗機設計整體思路

為進行洗碗機的設計，需要從裝置元素構成、框架結構及運行流程上考慮設計的思路，對此文中設計，其相應的設計思路如下。

（1）在洗碗機所包含的裝置元素上，經換算，在60℃的高溫環(huán)境中，蓖麻油在一般附著物上的粘滯阻力是26℃時的1/8，對此，設計中的內置環(huán)境用是高溫環(huán)境，這樣相比在常溫下的清潔更容易節(jié)省水資源和清潔劑。因此，設計中包含有蒸汽發(fā)生裝置以生成高溫的環(huán)境；而在高溫環(huán)境中，要對碗具有所清洗，對此，應當包含能夠產生高壓水汽或水流對碗具等進行噴淋；噴淋的同時還應當包含對碗具的刷與抹，這就需要帶有清潔布或者清潔刷子的機械清洗裝置；而當前人們呼吁節(jié)能減排，發(fā)展低碳經濟。故對于初步清洗所產生的水進行收集與過濾，對此，過濾裝置必不可少，過濾出來的水還可在一定程度上重復利用。綜上，文中的設計包含以下幾個部分（圖1）。

（2）在洗碗機的硬件系統(tǒng)框架結構上，文中設計是基于STM32單片機所開發(fā)的，該單片機的性能卓越，能夠作為該洗碗機的系統(tǒng)的中央處理器，以控制其他模塊，而系統(tǒng)的運行需要能源，氣泵的運作需要電機，氣壓的存儲與穩(wěn)固需要一定效用的閥門。因此，文中設計需要以下模塊：STM32中央處理器、電源供給模塊，電機驅動模塊、開關控制模塊。

（3）在洗碗機洗碗的整體流程上，筆者認為，應首先將碗具放置在清潔格子當中，進而讓蒸汽發(fā)生室運行以產生蒸汽，進而使所產生的蒸汽進入到清洗的部分當中，這各過程需要電熱元件的工作，已完成對水的快速加熱和蒸汽，進而在清潔的格子之中產生所需要的高溫。在蒸汽發(fā)生室產生高溫蒸汽的同時，氣壓緩沖室應有空氣的輸入以產生所需要的空氣壓強。當清洗格子中的溫度滿足所設定的閾值時，控制開關就可以打開緩沖室與清洗格之間的電磁閥，進而利用水霧噴頭噴出高壓水汽及機械清潔設施對廚具進行沖洗和刷抹。在該進程中，所產生的污水通過自我流動進入到污水收集裝置進行初步過濾，通過蒸汽發(fā)生盒所自帶的蒸餾功能，過濾后的水可再次進入蒸汽發(fā)生盒繼續(xù)產生蒸汽和重復利用，但清潔次數(shù)過多時，清潔水會變的很臟，此時可以更換新的水資源，污水也應當進行處理，不能隨意排放。綜上，文中設計的運行流程圖如上（圖2）。

七、洗碗機方案設計的實現(xiàn)

經過以上的設計思路，需要對所設計的洗碗機進行詳細的規(guī)劃，其設計的過程包含多個環(huán)節(jié)，限于版面，本文就以下兩個具有代表性的環(huán)節(jié)進行闡述。

（1）洗碗機的結構設計。按照上文的設計思路，該洗碗機的主要組織空間有如下內容：①氣泵、②氣壓緩存室、③清洗格、④過濾槽及⑤蒸汽發(fā)生室組成。

（2）洗碗機高壓水汽噴淋裝置的設計。本文中的設計要在高效清理碗具的同時達到節(jié)約水資源的效果。因此，需要利用到具有較高效用的氣霧噴頭，以達到廚具進行沖刷和節(jié)水的效果。所設計的氣霧噴頭有兩個接口，其中的一端需要連接到具有一定高壓的氣體存儲和保壓裝置，另一端連接到所用的蓄水裝置，該裝置通過所設計的調節(jié)旋鈕組元來調解所噴出氣霧中的水與氣的比例。

在高壓氣體生成和保壓的裝置中，由氣泵抽取外界空氣進而向氣壓緩存室中輸送氣體，氣壓緩存室的效用在于產生和儲存高壓氣體。此時的氣壓傳感器一直對氣壓緩存室中的氣體壓強進行實時監(jiān)測，當監(jiān)測到的氣壓數(shù)據(jù)低于某閾值時，氣泵將向內部傳輸空氣，以保證空氣壓強的平衡，而當氣壓達到某閾值時，氣泵停止工作，處于歇工狀態(tài)。高壓水汽噴淋裝置設計不但能夠達到一個較好的清潔效果，而且能夠大幅度的減少水資源的浪費。

經測算，本文中的洗碗機的蒸汽功率為1756w；氣泵功率為110w-193w；平均一次噴氣功耗為0.0011Kwh，平均一次噴氣耗水為1.5mL。

總結

本文通過闡述了洗碗機的意義和當前洗碗機的類型，國內外應用情況，進而對所設計的基于STM32開發(fā)板的集水汽沖刷為一體的洗碗機進行了較為詳細的闡述。STM32單片機性能卓越，能夠滿足設計需要，所設計的洗碗機高效節(jié)能，倘若進一步包裝完善及量產，能夠為廣大的需求者更多的解放雙手。

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