電器與工具
智能洗碗機(jī)控制板開發(fā)設(shè)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(qiáng)大的推動力。小到電子芯片、大到航空航天，其中涉及的設(shè)計理念無不凝聚著人類的智慧。隨著現(xiàn)代人生活品質(zhì)的提高和生活節(jié)奏的加快，對以功能化、人性化為導(dǎo)向的產(chǎn)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(fù)整潔。無疑，自動洗碗機(jī)是一個省時省力的選擇，但是，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的洗碗機(jī)在一線城市家庭的滲透率還不足1%。與手洗相比，洗碗機(jī)在餐具清潔度、耗水電量、清潔劑使用量等各項指標(biāo)中均有明顯優(yōu)勢，但市場上現(xiàn)有的洗碗機(jī)大多為大型餐廳而設(shè)計，適用于家庭日常使用的寥寥無幾?；诖耍覀冊O(shè)計了一款集清洗、消毒、儲存功能為一體的智能洗碗機(jī)來滿足家庭需求。
一、智能洗碗機(jī)設(shè)計來源
目前，市場上已有的應(yīng)用于餐飲領(lǐng)域的全自動洗碗機(jī)主要有以下幾種分類方式。從工作方式上分為藍(lán)傳式全自動洗碗機(jī)和履帶拔齒式全自動洗碗機(jī)兩種。藍(lán)傳式全自動洗碗機(jī)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(jī)雖然操作起來相對方便快捷，但其體積大、質(zhì)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(jī)和增氧式全自動洗碗機(jī)兩種。其中，超聲波式洗碗機(jī)越來越被廣大客戶所接受，但其具有較多缺點，如噪音大、費(fèi)電、機(jī)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(jī)高。分析市場上已經(jīng)投入應(yīng)用的洗碗機(jī)及其工作原理不難發(fā)現(xiàn)，這些大型洗碗機(jī)都各有各的利弊。而我們將這些洗碗機(jī)的流程精細(xì)化、模塊化，并不斷彌補(bǔ)其不足，加入筆者自己的創(chuàng)意，設(shè)計并制造出了應(yīng)用于家庭廚房的全自動洗碗機(jī)。
二、智能洗碗機(jī)運(yùn)行原理
智能洗碗機(jī)的主要功能有清洗、消毒、儲存，針對不同功能特性，我們設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的機(jī)械模塊，并將這些機(jī)械模塊整合在同一套系統(tǒng)中，相互配合，以達(dá)到預(yù)期目的。
洗碗機(jī)主體為圓柱狀，圓柱體內(nèi)部配備一根電動機(jī)帶動的中心軸，各個機(jī)械模塊均勻分布在中心軸周圍。底座的電動機(jī)可驅(qū)動中心軸的轉(zhuǎn)動使各模塊旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置。圓柱體側(cè)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(jī)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(jìn)入，便將此信息傳入洗碗機(jī)頂部的中心電腦，電腦得到信息后傳遞給底座，底座電動機(jī)接受指令關(guān)閉柜門。然后，置物倉被旋轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhuǎn)換進(jìn)消毒區(qū)，這里我們采用紫外線殺菌技術(shù)在30min內(nèi)破壞及改變微生物的DNA結(jié)構(gòu)，使細(xì)菌當(dāng)即死亡或不能繁殖后代，以達(dá)到殺菌的目的。
在這一系列程序運(yùn)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(xì)菌。
在安裝方面，我們的洗碗機(jī)根據(jù)家庭廚房布置及個人愛好，被設(shè)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(jī)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(jī)終端與洗碗機(jī)鏈接，讓洗碗機(jī)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(jī)上的“家居互聯(lián)”應(yīng)用程序迅速了解洗碗機(jī)的各項功能，還可以觀看教學(xué)視頻快速掌握洗碗機(jī)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(dǎo)用戶在洗碗機(jī)中正確擺放餐具、調(diào)整碗籃，讓每一次洗滌都不留死角。在安裝后日常應(yīng)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(xí)慣，即使用戶出門在外也可遠(yuǎn)程將洗滌模式調(diào)整為更安靜的“夜間洗”，讓家人安心休息。洗碗機(jī)主機(jī)可以根據(jù)洗碗機(jī)內(nèi)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(diào)節(jié)水質(zhì)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(jī)的核心構(gòu)件
促進(jìn)這套裝置運(yùn)行的有溫度、濕度、壓力以及傳感器、電機(jī)、紫外線殺菌裝置等執(zhí)行構(gòu)件，但最重要的是位于儲物倉頂部的由樂高EV3主機(jī)編排構(gòu)成的中央處理模塊，這里儲存著編排妥當(dāng)?shù)母鱾€程序，主機(jī)接受到各個傳感器發(fā)出的信號后進(jìn)行處理并發(fā)出指令到下一模塊使之運(yùn)行。這一中央自主收發(fā)過程精確有序，保證了整部洗碗機(jī)的全自動性。
本洗碗機(jī)的設(shè)計充分滿足了工薪階層“解放雙手”的家庭勞務(wù)需求，雖然目前洗碗機(jī)對中國家庭來說還是一個相對較新的產(chǎn)品，但由于其性能優(yōu)異，必將被大眾認(rèn)知，從而成為繼冰箱、彩電、洗衣機(jī)之后的又一家用電器熱點。此外，對這套多功能洗碗機(jī)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(jìn)而成為大型餐廳的優(yōu)選。
隨著科技文化的進(jìn)步，廣大的人們對于物質(zhì)追求的目標(biāo)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(xué)的支持下已經(jīng)逐步落后，在國外，以發(fā)達(dá)國家為主要代表的美國當(dāng)前已進(jìn)入“新硬件”時代。在國內(nèi)，“互聯(lián)網(wǎng)+”的逐步探索與實現(xiàn)也將引領(lǐng)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(jīng)營人員和家庭成員。對此，廣大科研技術(shù)人員采用電子技術(shù)發(fā)明了一系列的洗碗機(jī)。洗碗機(jī)在發(fā)達(dá)國家的洗碗機(jī)較為普遍，而國內(nèi)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(dāng)前洗碗機(jī)的類型（噴嘴式、水洗式、葉輪式及超聲波式等）。洗碗機(jī)能夠解放人們的雙手，其使用價值十分的顯著，本文就所設(shè)計的蒸汽-空氣洗碗機(jī)進(jìn)行闡述。
五、洗碗機(jī)控制模塊介紹
隨著單片機(jī)的逐步升級，人們基于單片機(jī)能夠開發(fā)出很多具有實際應(yīng)用價值的事物，文中所述的洗碗機(jī)其中央處理器為STM32開發(fā)板及相關(guān)構(gòu)建（電源模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊、開關(guān)控制模塊等）。STM32開發(fā)板來自于ARM公司產(chǎn)品內(nèi)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(kuò)展性能好，能夠滿足廣大的研發(fā)人員的設(shè)計需求。本文的設(shè)計就是建立于該單片機(jī)之上，并在該中央處理器之上構(gòu)設(shè)了一些類的外界控制模塊。
六、洗碗機(jī)設(shè)計整體思路
為進(jìn)行洗碗機(jī)的設(shè)計，需要從裝置元素構(gòu)成、框架結(jié)構(gòu)及運(yùn)行流程上考慮設(shè)計的思路，對此文中設(shè)計，其相應(yīng)的設(shè)計思路如下。
（1）在洗碗機(jī)所包含的裝置元素上，經(jīng)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(shè)計中的內(nèi)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(shè)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(yīng)當(dāng)包含能夠產(chǎn)生高壓水汽或水流對碗具等進(jìn)行噴淋；噴淋的同時還應(yīng)當(dāng)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(jī)械清洗裝置；而當(dāng)前人們呼吁節(jié)能減排，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)。故對于初步清洗所產(chǎn)生的水進(jìn)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(fù)利用。綜上，文中的設(shè)計包含以下幾個部分（圖1）。
（2）在洗碗機(jī)的硬件系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)上，文中設(shè)計是基于STM32單片機(jī)所開發(fā)的，該單片機(jī)的性能卓越，能夠作為該洗碗機(jī)的系統(tǒng)的中央處理器，以控制其他模塊，而系統(tǒng)的運(yùn)行需要能源，氣泵的運(yùn)作需要電機(jī)，氣壓的存儲與穩(wěn)固需要一定效用的閥門。因此，文中設(shè)計需要以下模塊：STM32中央處理器、電源供給模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊、開關(guān)控制模塊。
（3）在洗碗機(jī)洗碗的整體流程上，筆者認(rèn)為，應(yīng)首先將碗具放置在清潔格子當(dāng)中，進(jìn)而讓蒸汽發(fā)生室運(yùn)行以產(chǎn)生蒸汽，進(jìn)而使所產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入到清洗的部分當(dāng)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(jìn)而在清潔的格子之中產(chǎn)生所需要的高溫。在蒸汽發(fā)生室產(chǎn)生高溫蒸汽的同時，氣壓緩沖室應(yīng)有空氣的輸入以產(chǎn)生所需要的空氣壓強(qiáng)。當(dāng)清洗格子中的溫度滿足所設(shè)定的閾值時，控制開關(guān)就可以打開緩沖室與清洗格之間的電磁閥，進(jìn)而利用水霧噴頭噴出高壓水汽及機(jī)械清潔設(shè)施對廚具進(jìn)行沖洗和刷抹。在該進(jìn)程中，所產(chǎn)生的污水通過自我流動進(jìn)入到污水收集裝置進(jìn)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(jìn)入蒸汽發(fā)生盒繼續(xù)產(chǎn)生蒸汽和重復(fù)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(yīng)當(dāng)進(jìn)行處理，不能隨意排放。綜上，文中設(shè)計的運(yùn)行流程圖如上（圖2）。
七、洗碗機(jī)方案設(shè)計的實現(xiàn)
經(jīng)過以上的設(shè)計思路，需要對所設(shè)計的洗碗機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃，其設(shè)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(jìn)行闡述。
（1）洗碗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。按照上文的設(shè)計思路，該洗碗機(jī)的主要組織空間有如下內(nèi)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(jī)高壓水汽噴淋裝置的設(shè)計。本文中的設(shè)計要在高效清理碗具的同時達(dá)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(dá)到廚具進(jìn)行沖刷和節(jié)水的效果。所設(shè)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(shè)計的調(diào)節(jié)旋鈕組元來調(diào)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(jìn)而向氣壓緩存室中輸送氣體，氣壓緩存室的效用在于產(chǎn)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(qiáng)進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到的氣壓數(shù)據(jù)低于某閾值時，氣泵將向內(nèi)部傳輸空氣，以保證空氣壓強(qiáng)的平衡，而當(dāng)氣壓達(dá)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(shè)計不但能夠達(dá)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(fèi)。
經(jīng)測算，本文中的洗碗機(jī)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(jié)
本文通過闡述了洗碗機(jī)的意義和當(dāng)前洗碗機(jī)的類型，國內(nèi)外應(yīng)用情況，進(jìn)而對所設(shè)計的基于STM32開發(fā)板的集水汽沖刷為一體的洗碗機(jī)進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。STM32單片機(jī)性能卓越，能夠滿足設(shè)計需要，所設(shè)計的洗碗機(jī)高效節(jié)能，倘若進(jìn)一步包裝完善及量產(chǎn)，能夠為廣大的需求者更多的解放雙手。
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