渦輪式智能洗碗機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

何 琴

(文華學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)部，湖北武漢430074)

0 引言

洗碗機(jī)被稱為是繼洗衣機(jī)之后“對(duì)人手的第二次解放”［1-2］，是具有“餐后革命，邁向健康新生活”的新一代時(shí)尚家電［3-4］。

第一臺(tái)電動(dòng)家用洗碗機(jī)于1929年誕生于德國Miele 公司，但由于其設(shè)計(jì)還有較大的缺陷，如功能簡單，洗滌效果不好等，并未拓開洗碗機(jī)的市場［5］，隨后很多公司也對(duì)家用洗碗機(jī)進(jìn)行研究，洗碗機(jī)功能、技術(shù)不斷得以完善。目前家用洗碗機(jī)普及率最高的國家是美國。我國洗碗機(jī)的開發(fā)和生產(chǎn)起步較晚，第一臺(tái)全自動(dòng)洗碗機(jī)誕生于小天鵝公司。目前國內(nèi)洗碗機(jī)還市場很不成熟，產(chǎn)品主要為大型洗碗機(jī)，主要有噴淋式和超聲波式兩種［6-8］。家用小型洗碗機(jī)有很多大型家電公司(如海爾、美的)一直在研制，但未見到成熟的產(chǎn)品投放市場。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，筆者研究一種新型渦輪式智能洗碗機(jī)，利用小球在水流作用下對(duì)餐具的碰撞及水流本身的沖擊對(duì)餐具進(jìn)行洗滌，從而避免噴淋式洗碗機(jī)洗不干凈、效率低，以及超聲波洗碗機(jī)不適于碗量少的家用場合的問題［9-11］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中的洗碗機(jī)采用的是全封閉式的系統(tǒng)，使雙手免于接觸水和油污，全自動(dòng)流程減輕家務(wù)勞動(dòng)時(shí)間和強(qiáng)度，其模型如圖1所示。洗碗機(jī)的內(nèi)膽與碗籃結(jié)構(gòu)都設(shè)計(jì)成方形，通過與圓筒的對(duì)比試驗(yàn)，方筒式洗碗機(jī)中旋轉(zhuǎn)水流沖擊面更廣，更有利于沖刷餐具，而且餐具擺放更方便、穩(wěn)固。

圖1 洗碗機(jī)洗碗模型圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

洗碗機(jī)控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，主要分為信息采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、人機(jī)交互模塊和信號(hào)處理模塊4 大部分，控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。信號(hào)處理模塊由控制的核心芯片AT89S52 單片機(jī)完成，該芯片具有8 K 的內(nèi)存空間，40 個(gè)引腳，能夠滿足控制系統(tǒng)所需的程序和引腳要求;人機(jī)交互模塊主要由LED 顯示器、數(shù)碼管顯示器、鍵盤部分等組成;信息采集模塊主要由水位檢測(cè)部分、碗量檢測(cè)部分組成;控制模塊主要由進(jìn)/排水閥、電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)、烘干器、以及臭氧發(fā)生器等組成。主電路如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體框圖

圖3 主電路

信息采集模塊主要分為水位檢測(cè)和碗量檢測(cè)兩大模塊。洗碗機(jī)在洗滌、消毒過程中均涉及到進(jìn)水和排水操作，控制系統(tǒng)需對(duì)水量進(jìn)行檢測(cè)和控制。系統(tǒng)中檢測(cè)裝置采用電磁水位傳感器，其工作原理為:傳感器軟管內(nèi)部預(yù)先接入一定的空氣，洗碗機(jī)進(jìn)水后，軟管內(nèi)部的空氣壓發(fā)生變化，導(dǎo)致諧振頻率變化，從而輸出一系列的脈沖波，該脈沖波流經(jīng)諧振電路后到達(dá)AT89S52 單片機(jī)相應(yīng)的接口，單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)確定其頻率，從而得到水位的高度。電路如圖4所示。

碗量信息檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)成光偶隔離電路，利用整流管的整流特性，將電動(dòng)機(jī)在慣性作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)化為一系列方波信號(hào)［12-13］，AT89S52 單片機(jī)通過檢測(cè)方波信號(hào)的時(shí)間間隔長度，從而了解當(dāng)前洗碗機(jī)中的碗量信息。

控制模塊主要有進(jìn)排水系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、消毒系統(tǒng)等，均采用雙向可控硅進(jìn)行控制。當(dāng)控制系統(tǒng)被輸入低電平信號(hào)時(shí)，進(jìn)水閥和排水閥均被打開;反之，輸入高電平信號(hào)時(shí)則關(guān)閉。安全系統(tǒng)則在電源開關(guān)內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)電磁線圈，一旦系統(tǒng)有電壓輸入按鈕隨即彈起，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電功能，保障系統(tǒng)安全。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過單相電機(jī)的兩個(gè)輸入端實(shí)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)輸入端被輸入低電平信號(hào)，而另一個(gè)輸入端被輸入高電平信號(hào)時(shí)，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng);反之，電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。烘干系統(tǒng)利用電吹風(fēng)產(chǎn)生的熱氣流直接對(duì)碗進(jìn)行烘干，避免水漬斑痕殘留，使餐具更光潔。消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)了臭氧發(fā)生器，利用活氧與水產(chǎn)生的中間物質(zhì)單原子氧和羥基的強(qiáng)氧化特性對(duì)餐具進(jìn)行消毒。避免了傳統(tǒng)的高溫消毒方式存在溫度不均勻、功率大;而紫外線消毒方式只能沿直線傳播，輻射能量低，僅能殺滅被直接照射到的微生物，且對(duì)人體有傷害等缺點(diǎn)。

人機(jī)交互系統(tǒng)通過洗碗機(jī)上面的控制面板實(shí)現(xiàn)，該面板上設(shè)置了洗碗、消毒、沖洗、烘干4 個(gè)操作按鈕，同時(shí)還設(shè)有“+”、“－”按鈕，通過按鈕可以增減任務(wù)執(zhí)行時(shí)間。在執(zhí)行某一個(gè)操作時(shí)，相應(yīng)的指示燈會(huì)被點(diǎn)亮，同時(shí)數(shù)碼管顯示當(dāng)前任務(wù)剩余時(shí)間。該系統(tǒng)采用的是BS201 共陰集數(shù)碼管，由74248 芯片驅(qū)動(dòng)，對(duì)低位的RBI，RBO，LT 接入VCC，對(duì)高位的LT 信號(hào)接VCC，RBO 懸空，RBI 接地實(shí)現(xiàn)高位零消隱功能。鍵盤電路由于按鍵數(shù)量少，直接將按鍵與單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳相連，利用74LS21 芯片提供中斷信號(hào)，通過中斷信號(hào)來檢測(cè)鍵盤輸入狀態(tài)。

圖4 水位檢測(cè)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)按照洗碗機(jī)的工作流程進(jìn)行編寫，根據(jù)用戶設(shè)定的任務(wù)和時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的工作。在執(zhí)行用戶的任務(wù)時(shí)，相應(yīng)的任務(wù)指示燈會(huì)點(diǎn)亮，數(shù)碼管則顯示當(dāng)前任務(wù)剩余時(shí)間。當(dāng)順序完成洗碗、消毒、沖洗、烘干任務(wù)后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出一短一長的提示音，然后自動(dòng)斷電。工作過程中，若用戶打開洗碗機(jī)門，則會(huì)啟動(dòng)安全開關(guān)，使得當(dāng)前任務(wù)暫停。洗碗機(jī)主要程序模塊有系統(tǒng)初始化，顯示當(dāng)前默認(rèn)狀態(tài)，等待鍵盤中斷信息，根據(jù)任務(wù)按鍵進(jìn)入相應(yīng)的流程等。系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖如圖5所示。

圖5 主程序框圖

系統(tǒng)啟動(dòng)后，立即初始化操作，主要是初始化中斷、定時(shí)器、以及一些控制變量。然后利用INT0 來檢查鍵盤控制信號(hào)，并進(jìn)入相應(yīng)的信號(hào)處理流程。另外值得注意的是T0 的中斷級(jí)別高于INT0，其主要任務(wù)是完成對(duì)洗碗任務(wù)的順序控制。一旦用戶按下啟動(dòng)/暫停鍵，T0 則開始記數(shù)工作，通過T0 查詢啟動(dòng)/暫停鍵的狀態(tài)和安全開關(guān)的狀態(tài)，從而決定是否暫停當(dāng)前操作，其主要輸出量對(duì)應(yīng)的P3 口狀態(tài)命令如表1所示。

表1 輸出控制信號(hào)命令

水位的監(jiān)測(cè)利用T1 對(duì)水位傳感器的方波信號(hào)數(shù)量進(jìn)行寫入操作，然后通過T0 每50 ms 一次中斷信號(hào)，讀取T1 中的值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。碗量的檢測(cè)利用T2 對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方波信號(hào)數(shù)量進(jìn)行寫入操作，然后通過檢測(cè)其數(shù)值可以知道當(dāng)前碗量，從而修正洗碗所用的時(shí)間值。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試中該洗碗機(jī)與其他洗碗機(jī)對(duì)比情況如表2所示。改設(shè)計(jì)中洗碗機(jī)由于采用波輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)水流沖刷餐具的洗滌方式，無洗滌死角洗滌效果更;利用先進(jìn)的活氧消毒方式足以殺死大腸桿菌、葡萄球菌、肝炎病毒等病菌病毒，消毒更可靠;此外，該洗碗機(jī)還具有洗滌時(shí)耗電少、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。

表2 設(shè)計(jì)中洗碗機(jī)與其他洗碗機(jī)對(duì)比情況

5 結(jié)束語

針對(duì)國內(nèi)家用洗碗機(jī)技術(shù)有待完善，難以普及等問題，筆者對(duì)家用洗碗機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種基于AT89S52 單片機(jī)的渦輪式洗碗機(jī)。首次采用渦輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)水流沖刷餐具，實(shí)現(xiàn)對(duì)餐具的高效洗滌。并利用臭氧與水產(chǎn)生的中間物質(zhì)單原子氧和羥基的強(qiáng)氧化特性對(duì)餐具進(jìn)行消毒，消毒可靠，而且無二次污染。整個(gè)洗完過程為全自動(dòng)流程，智能化程度高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該洗碗機(jī)洗滌效果好、消毒可靠、節(jié)能環(huán)保，具有巨大的潛在市場價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

［1］孫嘉燕，李保紅，王述洋.洗碗機(jī)現(xiàn)狀及實(shí)現(xiàn)中國洗碗機(jī)普及新探索［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2012(1):20-22.

［2］張 伏，邱兆美，王 俊，等.基于西門子PLC 的洗碗機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2013(19):70-72.

［3］王 昊.基于AT89C52 的洗碗機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012(20):52.

［4］李慶梅.基于AT89C51 的自動(dòng)洗碗機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2010(1):91-93.

［5］呂以全，陳 靜.PLC 在洗碗機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(5):22.

［6］徐鳳軍，劉榮華，高躍飛，等.基于AT89C51 控制的主動(dòng)防翻裝置設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2012(8):57-58.

［7］ZENG Lu，LI Ming.The washing machine's intelligent control systems based On AT89C52MCU［J］.home appliances technology，2007(2):9-11.

［8］ZHOU Xing-hua.C-MCU intelligent product design example［M］.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2006.

［9］Canadian Plastics Group.Dishwasher basket makes smooth adjustments with engineering resins［Z］.Canadian Plastics，2008(6):55.

［10］Mechanical Design Manual Editorial Board.Spring friction wheel and the screw Shaft［M］.BeiJing:Machinery Industry Press，2007.

［11］竇艷濤，黃豪杰，李 健，等.基于慧魚技術(shù)的家用洗碗機(jī)方案設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013(3):32-33.

［12］劉旭輝，王小平.家用洗碗機(jī)碗籃和外形的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010(4):22-23.

［13］葉利超.水流式洗碗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)優(yōu)化［D］.武漢:武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2012.

［14］郭圣棟.全自動(dòng)洗碗機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.廣州:廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2008.