智能炒菜机控制系统设计

杨明++周世博++张怀天++张巧杰

摘要：本文设计了一种智能炒菜机，采用AT89C51单片机对步进电机进行控制，通过I/O口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机来驱动炒菜机构，完成炒菜动作。智能炒菜机能够实现自动炒菜和远程控制炒菜，模拟名厨制作出美味可口的菜肴，适合不会做菜和工作时间忙的人群，在国内有良好的发展空间。

关键词：智能炒菜、AT89C51单片机、步进电机

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）51-0003-02

一、引言

随着科技的进步、人们生活质量的提高、宅男宅女数量的增加以及现代人对厨房炒菜知识的匮乏，人们迫切需要一种全自动智能炒菜机。它能够实现自动炒菜和远程控制炒菜，模拟名厨制作出美味可口的菜肴。炒菜机的自动炒菜功能，是通过智能炒菜控制系统控制来得以实现的，用几分钟时间就能够做出可口的饭菜，省时省力，节能环保。智能的控制系统，也会相应的避免人为的失误，努力杜绝因煤气泄漏使人体中毒的事件，使得安全极有保障，只要手指一按，操作简单方便。

全自动炒菜机是社会需要的产品，在现代快节奏的生活中，需要一种便捷的工具去加工食物，做出健康的食物来提供给人们，智能炒菜机可以提供给这些人长期的使用，而又不必担心像那些方便食品自身的副作用。现有产品的功能不是很全面，都没有系统地将各个功能结合在一起，有待完善。

二、系统设计与实现

1.系统框图。

本系统选用AT89C51单片机作为控制核心单元，主要由控制模块、电源模块、驱动模块、炒菜模块、加热模块、鼓气模块和显示模块组成。如图1所示。

2.各模块功能与设计。（1）控制模块。本系统采用AT89C51单片机控制整个炒菜流程，将整个流程整合成一种标准的文件，该文件可被个人pc识别阅读，修改，亦能被机器所带的单片机识别，根据不同食物和烹调方法设置工作时间和温度，控制各执行机构的工作，实现食物烹制的标准化、程序化和自动化。单片机算术运算功能强、软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低，且可对其进行扩展，附带显示设备、键盘输入等设备，使用方便。还可通过软件编程实现对步进电机的位置、速度预设及显示。步进电机位置和速度实际上跟单片机产生脉冲的个数和脉冲频率是一一对应关系，而方向由导电顺序决定。并且，由于单片机芯片引脚少，软硬件连接简便灵活，硬件容易实现。（2）电源模块。电源模块是将市电220V转变为直流5V供给驱动模块和单片机模块。将220V交流电压经过变压器变压后得到9V的交流电压，然后经过电桥把交流变成直流。为了得到稳定的5V电压，采用稳压管78L05，经过78L05稳压后输出的就是稳定的5V电压，供给驱动模块和单片机模块。（3）驱动模块。驱动模块是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，来控制炒菜模块的运行。驱动模块直接采用ULN2003芯片进行功率放大。它的内部结构是达林顿的，专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器（SSR）等外接控制器件，也可直接驱动步进电机。LN2003芯片具有自身功耗小、驱动能力强、可靠稳定、体积小、使用方便、价格合理等优点。（4）加热模块。本系统采用市场成熟化的电磁加热，只需内置电磁加热盘即可。电磁加热的原理是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当将含铁质容器放置上面时，容器表面即切割交变磁力线而在容器底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使容器底部的铁原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能。从而起到加热物品的效果。因为是铁制容器自身发热，所以热转化率特别高，最高可达到95%。（5）炒菜模块。炒菜模块分为加料、加菜和翻炒三部分，是本系统的重要组成部分。智能炒菜机采用小型步进电机25BYJ1201。步进电机25BYJ1201型四相六线电机是采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。电压为DC5V—DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。加料：调料的种类很多，可分为液体类，如食用油、香油、麻油、水、酱油、醋等。粉末类，如食盐、味精、勾芡粉、鸡精等。颗粒类，如花椒、八角等。但这三类都可以用同一装置来实现加料。加料体原理类似于播种机的下种机构，利用带有盲孔的旋转体的不断旋转，控制加料的量。三种状态的调料可以通过盲孔直径的大小来实现加料，通过回转的圈数来实现加料的多少。旋转采用小型步进电动机控制。加菜：一般的菜肴需要若干种食材做成。如西红柿炒鸡蛋，需要鸡蛋、西红柿、葱花三种。因此本系统有三个加菜的菜盒。一个为主菜盒，另外两个为副菜盒。菜盒采用翻转方式放菜，结构简单、可靠。旋转同样采用小型步进电动机。翻炒：通过一个可旋转的搅拌体代替人工的翻炒。搅拌体可升降，也可做旋转运动。均由小型步进电动机控制。其中上下升降采用齿轮齿条副来实现。（6）鼓气模块。鼓气模块用于在炒菜过程中对锅内的补气，达到菜的色鲜味美。（7）显示模块。液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，因此，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。本系统选用一款LCD1602液晶显示模块，它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。

二、软件设计

控制系统的软件需要控制步进电机转动、控制数码管显示等任务，这就必须通过中断技术来实现。在本设计中，主程序采用查询方式扫描键盘端口，检测按键动作是否发生，若有按键动作则处理键盘，根据按键值修改相应参数值，实现键盘的实时处理功能。定时器0中断服务程序控制步进电机的转动：根据当前显示的速度进行键盘手动改变T0定时时间常数，设置TH0和TL0的值，达到对转速精确控制的目的；根据转动方向控制位的值，控制脉冲信号循环移动的方向，达到对转动方向控制的目的。

1.控制系统主程序流程图。系统上电复位后，先调用初始化子程序，对步进电机各端口，相关参数进行初始化，设置T0工作方式控制时间常数。初始化完成后，步进电机处于停止状态，T0定时器处于关闭状态。然后循环调用读键盘子程序和键盘处理子程序，等待中断，以便实现步进电机转动控制。

2.电机控制中断程序流程图。定时器中断0服务程序的中断时间由当前的转速决定。进入中断程序后，首先要保护现场，再根据当前值设置TH0和TL0的值。然后判断转动方向控制位的值，如果是0则控制脉冲信号P1.0、P1.2输出，如果是1则控制脉冲信号P1.1、P1.3输出。最后恢复现场，返回，等待下次中断。通过用当前转速控制中断时间，控制了脉冲的输出频率，也就到达了控制步进电机转动速度的目的；通过检测方向控制位的电平，选择脉冲信号P1.0、P1.2与P1.1、P1.3间的切换，控制了步进电机各引出端的接通顺序，也就到实现了步进电机转动方向的控制。

三、结论

本文主要分析了炒菜机整个控制系统的设计过程，介绍了整个控制系统所需要的硬件资源及其实现过程。介绍了整个炒菜控制结构图、所需的硬件资源，为后面的控制实现提供了研究依据。

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