多口味自動(dòng)售賣五谷營(yíng)養(yǎng)豆?jié){機(jī)

周姝穎，林凡強(qiáng)，周璟瑜

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610059)

嵌入式系統(tǒng)越來(lái)越多的出現(xiàn)在智能消費(fèi)系統(tǒng)和工業(yè)化產(chǎn)品當(dāng)中，它是提高生產(chǎn)效率，減少人力資源的重要途徑。多口味自動(dòng)售賣豆?jié){機(jī)系統(tǒng)正是基于搭載ARM的嵌入式平臺(tái)，涉及到電路設(shè)計(jì)，硬件編程及自動(dòng)化研究。此豆?jié){機(jī)利用新鮮豆子進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打磨，健康營(yíng)養(yǎng)，提供了人們每日所需的蛋白質(zhì)和膦脂，對(duì)提高人體素質(zhì)具有積極作用，同時(shí)也方便了人們的日常生活。除此之外，該自動(dòng)化豆?jié){機(jī)也創(chuàng)造了一個(gè)商業(yè)投資的機(jī)會(huì)。

1 豆?jié){機(jī)的基本構(gòu)成

豆?jié){機(jī)箱體高2 m，長(zhǎng)和寬約為60 cm，內(nèi)部核心的功能實(shí)現(xiàn)都在這個(gè)長(zhǎng)方體當(dāng)中。由于STM32嵌入式單片機(jī)的強(qiáng)大功能，通過(guò)外圍電路設(shè)計(jì)和模塊功能，完成了豆?jié){機(jī)自動(dòng)出豆、研磨、攪拌、加熱、清洗的過(guò)程，定量打磨出漿;同時(shí)用戶通過(guò)觸摸式液晶顯示屏可以了解豆?jié){的價(jià)格，選擇豆?jié){的口味，由于有自動(dòng)售賣功能，在外部設(shè)計(jì)中還加入了投幣口，以方便交易。

(1)客戶點(diǎn)擊液晶顯示中的口味選項(xiàng)(包括大豆、紅豆、綠豆、黑豆等)，系統(tǒng)給出價(jià)格，客戶投幣。

圖1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖

(2)系統(tǒng)的MCU在220 V正常電壓下控制原料的加入(客戶選擇的原料)，并且加熱冷水，通過(guò)流量傳感器將定量熱水加入打磨機(jī)，磨出的漿液導(dǎo)入一個(gè)小水箱，MCU通過(guò)傳感器的感應(yīng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行攪拌，這樣豆?jié){的口味更加細(xì)膩。

(3)存儲(chǔ)豆?jié){，同時(shí)這也是一個(gè)沉淀過(guò)程，濾去大顆粒豆渣，最后出漿的才是成品豆?jié){。

(4)清洗各個(gè)部位，由MCU控制從另一個(gè)入水口導(dǎo)入熱水多次清洗攪拌箱和存儲(chǔ)箱，留下的廢水從廢水口排出。

2 系統(tǒng)硬件及功能設(shè)計(jì)

2.1 搭載STM32F103ZET6的電路板

主電路板框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 主電路板框架結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心是STM32F103ZET6的MCU，其內(nèi)核和存儲(chǔ)器小，降低了實(shí)驗(yàn)成本;高效的電源管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)低功耗;較強(qiáng)的處理性能，滿足工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā);中斷處理時(shí)間極短，滿足高速與臨界控制的應(yīng)用場(chǎng)合［1－6］。

(1)電源可以為 STM32內(nèi)部供電，設(shè)計(jì)采用SOT－223封裝的穩(wěn)壓芯片LM1117－3.3，選擇其常用的典型固定輸出電路，輸出高精度基準(zhǔn)電壓3.3 V，為內(nèi)部的數(shù)字電路供電。

(2)LCD采用ATK－7'_TFTLCD模塊，帶有800×480電容觸摸屏。FSMC連接方式。用戶在使用LCD屏?xí)r，首先觸摸的信號(hào)會(huì)激活LCD的選擇界面，然后用戶關(guān)于豆?jié){原料的選擇會(huì)通過(guò)觸摸選項(xiàng)的信號(hào)傳遞回MCU。這個(gè)觸摸信號(hào)是通過(guò)觸摸屏的驅(qū)動(dòng)ICGT811傳遞的。觸摸時(shí)的信號(hào)為一個(gè)100μs的低電平脈沖，MCU通過(guò)GT811上的CT_INT可以獲取。

(3)STM32有SDIO接口規(guī)范。主要用于為帶有SD卡槽的設(shè)備進(jìn)行外設(shè)功能擴(kuò)展。每交易一次，交易時(shí)間及交易內(nèi)容都會(huì)以數(shù)據(jù)流的方式寫入SD卡，數(shù)據(jù)可以將用戶的交易數(shù)據(jù)存入SD卡，以便日后結(jié)算交易額和盈利時(shí)查詢。寫入交易記錄的數(shù)據(jù)有時(shí)間、選擇口味、交易額、交易是否成功。

(4)繼電器。是控制磨盤、攪拌和流量的開(kāi)關(guān)。當(dāng)大豆原料進(jìn)入磨盤的入口時(shí)，MCU通過(guò)信號(hào)線控制繼電器將電磁閥打開(kāi)，電磁閥的線圈會(huì)產(chǎn)生磁力，磁力使得機(jī)械開(kāi)關(guān)閉合，將磨盤和流量開(kāi)關(guān)打開(kāi)，此時(shí)一邊打磨一邊進(jìn)水。待到打磨過(guò)程結(jié)束，MCU繼續(xù)通過(guò)繼電器控制電磁閥打開(kāi)攪拌器開(kāi)關(guān)攪拌內(nèi)容物。

2.2 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

當(dāng)LCD界面閑置時(shí)，液晶屏?xí)L動(dòng)播放廣告，當(dāng)用戶隨意點(diǎn)擊屏幕，屏幕顯示豆?jié){選擇界面。初期設(shè)定了4種口味可供選擇，直接點(diǎn)擊所需的口味，界面跳轉(zhuǎn)至付款界面。等待用戶投幣，MCU會(huì)判斷用戶選擇和投幣信息是否一致，若用戶少投幣，界面會(huì)在5 s后給出“請(qǐng)繼續(xù)投幣”的提示。如果MUC檢測(cè)信息不一致的1 min內(nèi)沒(méi)有完成交易，則系統(tǒng)會(huì)吐出已投硬幣，界面顯示“交易失敗”，并返回初始界面。如果MCU檢測(cè)信息一致，則豆?jié){機(jī)啟動(dòng)，根據(jù)配方完成豆?jié){的制作，此時(shí)界面會(huì)顯示“交易成功”，為了不使MCU收到其他交易指令而破壞已成功的交易，界面的觸摸功能會(huì)關(guān)閉，并一直會(huì)持續(xù)到豆?jié){出漿。之后，界面在5 s后跳回廣告播放，LCD 打開(kāi)觸摸功能［7－12］。

圖3 界面設(shè)計(jì)流程圖

2.3 出豆系統(tǒng)

觸摸屏上每一個(gè)選項(xiàng)后面對(duì)應(yīng)不同的豆?jié){原料，不同的選擇會(huì)使不同原料桶開(kāi)關(guān)上的電機(jī)工作。首先MCU會(huì)判斷觸摸屏上信號(hào)的坐標(biāo)位置，這是由于每一個(gè)選項(xiàng)的觸摸點(diǎn)都有自己的坐標(biāo)范圍，當(dāng)MCU通過(guò)CUR_X和CUR_Y寄存器讀取觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)后，會(huì)判斷此坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的大豆原料配方，交易成功后打開(kāi)對(duì)應(yīng)原料的電機(jī)開(kāi)關(guān)。料筒的開(kāi)關(guān)是旋轉(zhuǎn)式的。軟件設(shè)置電機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)打開(kāi)的時(shí)間，合適的速度會(huì)使料筒開(kāi)關(guān)有足夠時(shí)間打開(kāi)角度，使各種大豆原料漏下。

2.4 流量控制

在用戶選擇了豆?jié){口味，在觸摸屏上按確認(rèn)鍵以后，低脈沖信號(hào)會(huì)通過(guò)CD_INT信號(hào)線傳回MCU，MCU控制繼電器與磨盤的電源和流量計(jì)相連接，在原料桶電機(jī)工作的同時(shí)，打磨豆?jié){的磨盤電源被打開(kāi)，水通過(guò)增壓泵進(jìn)入磨盤，磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始打磨落下的豆子，水和豆子融合形成豆?jié){。

豆?jié){機(jī)使用的進(jìn)水系統(tǒng)是由水位傳感器、增壓泵，以及控制電路組成。具體實(shí)現(xiàn)方式如下:水桶放在機(jī)器的底層，機(jī)器的中層放置了一個(gè)儲(chǔ)水罐。在補(bǔ)水程序執(zhí)行時(shí)通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)蓄水罐中的水位，如果水位低于最低水位則啟動(dòng)增壓泵將水從礦泉水桶中抽入蓄水罐直到蓄水罐的水位達(dá)到高水位線，以保證蓄水罐的供水。蓄水罐水位控制電路主要通過(guò)LM358雙運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)。STM32還會(huì)在補(bǔ)水時(shí)通過(guò)PC0檢測(cè)滯遲比較器的輸出若長(zhǎng)時(shí)間停留在高電平時(shí)，STM32會(huì)通過(guò)PC1關(guān)斷為水位控制電路的供電，并通過(guò)PB5控制蜂鳴器報(bào)警以提示缺水，需要更換水桶。蓄水罐下安放了一個(gè)加熱罐，用管道將蓄水罐的水導(dǎo)入熱水罐提供磨豆?jié){用的熱水，冷水則直接從蓄水罐引出。在此冷熱水的加入與停止都由電磁閥的開(kāi)關(guān)來(lái)控制。放水的水量通過(guò)水流傳感器來(lái)檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)水量的精確控制。

3 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，在初始化里實(shí)現(xiàn)復(fù)位，模式設(shè)定，F(xiàn)IFO設(shè)定，頻率設(shè)定，時(shí)鐘設(shè)定等。子程序有中斷程序，流量計(jì)算程序，補(bǔ)水程序，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置程序，繼電器開(kāi)關(guān)程序，LCD程序，出漿程序。

圖4 軟件流程圖

等到觸摸屏的信號(hào)CT_INT為低并持續(xù)100μs時(shí)，MCU啟動(dòng)中斷，設(shè)置交易參數(shù)，開(kāi)始檢查交易直到交易額與用戶輸入一致，若一致則打開(kāi)電機(jī)。此后將這些交易信息通過(guò)I/O口寫入SD卡。SD卡的讀寫過(guò)程大致分為4個(gè)步驟:(1)有74個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的準(zhǔn)備，所有的初始化命令都在這74個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后開(kāi)始工作。(2)MCU發(fā)送命令CMD17或CMD24準(zhǔn)備開(kāi)始讀或?qū)憽?3)SD卡會(huì)發(fā)送一個(gè)respond作為回應(yīng)。(4)數(shù)據(jù)開(kāi)始讀出或?qū)懭隨D卡，在數(shù)據(jù)塊的最后加上16位的CRC循環(huán)校驗(yàn)碼，如有多個(gè)數(shù)據(jù)塊可繼續(xù)發(fā)送。原料進(jìn)入磨盤后，MCU通過(guò)I/O口軟件置高，使得繼電器工作，打開(kāi)磨盤和電磁閥的機(jī)械開(kāi)關(guān)。設(shè)置感應(yīng)參數(shù)s1，在豆?jié){進(jìn)入攪拌桶以后提示MCU將攪拌開(kāi)關(guān)打開(kāi)，設(shè)置定時(shí)參數(shù)t1，攪拌半分鐘后靜置半分鐘，然后出漿。出漿后出漿口關(guān)閉。感應(yīng)參數(shù)s2將出漿信息反饋給MCU，打開(kāi)電磁閥和攪拌開(kāi)關(guān)，清洗裝置，廢水由廢水口排出。

4 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

整機(jī)接通220 V電壓，屏幕開(kāi)始播放廣告，點(diǎn)擊屏幕會(huì)出現(xiàn)交易界面。選擇黃豆豆?jié){，投入一個(gè)一元硬幣，5 s之后提示繼續(xù)投幣，1 min后沒(méi)有繼續(xù)投幣，先投入的一元硬幣被吐出。再次點(diǎn)擊屏幕，投入3個(gè)一元硬幣，機(jī)器開(kāi)始運(yùn)作。首先原料桶開(kāi)始下料，豆子由管子進(jìn)入磨盤，此時(shí)進(jìn)水系統(tǒng)和磨盤同時(shí)打開(kāi)，磨出漿液，順著出口管子流入攪拌器，此時(shí)攪拌器工作，大約半分鐘后，也是出漿完畢的時(shí)間，磨好的新鮮豆?jié){靜止一會(huì)由機(jī)器的出漿口流出。一杯200 ml的豆?jié){生成完畢。在杯子底部也有豆子殘?jiān)?，但磨盤磨出的豆粉很細(xì)膩，大顆粒在靜置時(shí)以沉淀，不會(huì)影響口感。

本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32芯片的多口味自動(dòng)售賣五谷營(yíng)養(yǎng)豆?jié){機(jī)，結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)，完成了嵌入式平臺(tái)的搭載，人機(jī)交互以及自動(dòng)化模式，以及軟硬件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)了從選豆、磨豆、攪拌、清洗到出漿的過(guò)程。此豆?jié){機(jī)完全無(wú)需人員監(jiān)管，解放了人力。并且在機(jī)器內(nèi)部使用的空氣加壓出豆?jié){的裝置，解決了機(jī)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，使其體積減小，內(nèi)部空間利用率增加，可以放入更多原料。

［1］陳致遠(yuǎn)，朱葉承，周卓泉.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用，2012，38(9):138 －140.

［2］方浩，李艾華，王濤.基于STM32單片機(jī)的智能槍柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(3):12 －14.

［3］王俊，劉寧，翟維楓.基于STM32F103C8單片機(jī)的可遙控自動(dòng)條幅懸掛機(jī)［J］.硅谷，2014(1):157－159.

［4］王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Codex—M3微控制器原理與實(shí)踐［M］.北京航天航空大學(xué)出版社，2008.

［5］廖義奎.ARM Codex—M3之 STM32嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2012.

［6］程小輝，康燕萍.基于STM32的RHD手持式閱讀器的研究與設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(8):130 －133.

［7］鄭一維，李長(zhǎng)俊，吳訊馳，等.基于STM32的電能質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2011，30(6):72－74，78.

［8］ST Conperation.STM32F103xC，STM32F103xD，STM32F103xE數(shù)據(jù)手冊(cè)［EB/OL］.(2009－03－11)［2014－09－12］http://www.st.com/stonline/products/literature/ds.htm.

［9］喻金錢，喻斌.STM32F系列ARM Cortex－M3核微控制器開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

［10］張玲，李經(jīng)章，何偉.基于STM32的防盜電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，34(4):72－74

［11］黎冠，馬婕，卜祥麗.STM32單片機(jī)在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2014，35(7):29 －31.

［12］夏繼強(qiáng)，鄭昆，鄭健峰.基于STM32的收發(fā)一體式超聲波測(cè)距系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2014(8):43－45.