渦輪式智能洗碗機的研究與設計

何 琴

(文華學院機械與電氣工程學部，湖北武漢430074)

0 引言

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

第一臺電動家用洗碗機于1929年誕生于德國Miele 公司，但由于其設計還有較大的缺陷，如功能簡單，洗滌效果不好等，并未拓開洗碗機的市場［5］，隨后很多公司也對家用洗碗機進行研究，洗碗機功能、技術不斷得以完善。目前家用洗碗機普及率最高的國家是美國。我國洗碗機的開發和生產起步較晚，第一臺全自動洗碗機誕生于小天鵝公司。目前國內洗碗機還市場很不成熟，產品主要為大型洗碗機，主要有噴淋式和超聲波式兩種［6-8］。家用小型洗碗機有很多大型家電公司(如海爾、美的)一直在研制，但未見到成熟的產品投放市場。

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

1 系統結構設計

設計中的洗碗機采用的是全封閉式的系統，使雙手免于接觸水和油污，全自動流程減輕家務勞動時間和強度，其模型如圖1所示。洗碗機的內膽與碗籃結構都設計成方形，通過與圓筒的對比試驗，方筒式洗碗機中旋轉水流沖擊面更廣，更有利于沖刷餐具，而且餐具擺放更方便、穩固。

圖1 洗碗機洗碗模型圖

2 系統硬件設計

洗碗機控制系統采用模塊化的設計方法，主要分為信息采集模塊、運動控制模塊、人機交互模塊和信號處理模塊4 大部分，控制系統總體框圖如圖2所示。信號處理模塊由控制的核心芯片AT89S52 單片機完成，該芯片具有8 K 的內存空間，40 個引腳，能夠滿足控制系統所需的程序和引腳要求;人機交互模塊主要由LED 顯示器、數碼管顯示器、鍵盤部分等組成;信息采集模塊主要由水位檢測部分、碗量檢測部分組成;控制模塊主要由進/排水閥、電動機正反轉、烘干器、以及臭氧發生器等組成。主電路如圖3所示。

圖2 控制系統總體框圖

圖3 主電路

信息采集模塊主要分為水位檢測和碗量檢測兩大模塊。洗碗機在洗滌、消毒過程中均涉及到進水和排水操作，控制系統需對水量進行檢測和控制。系統中檢測裝置采用電磁水位傳感器，其工作原理為:傳感器軟管內部預先接入一定的空氣，洗碗機進水后，軟管內部的空氣壓發生變化，導致諧振頻率變化，從而輸出一系列的脈沖波，該脈沖波流經諧振電路后到達AT89S52 單片機相應的接口，單片機進行計數確定其頻率，從而得到水位的高度。電路如圖4所示。

碗量信息檢測模塊設計成光偶隔離電路，利用整流管的整流特性，將電動機在慣性作用下產生的感應電動勢，轉化為一系列方波信號［12-13］，AT89S52 單片機通過檢測方波信號的時間間隔長度，從而了解當前洗碗機中的碗量信息。

控制模塊主要有進排水系統、安全系統、電動機正反轉系統、烘干系統、消毒系統等，均采用雙向可控硅進行控制。當控制系統被輸入低電平信號時，進水閥和排水閥均被打開;反之，輸入高電平信號時則關閉。安全系統則在電源開關內部設計一個電磁線圈，一旦系統有電壓輸入按鈕隨即彈起，從而實現自動斷電功能，保障系統安全。電動機的正反轉系統通過單相電機的兩個輸入端實現，當一個輸入端被輸入低電平信號，而另一個輸入端被輸入高電平信號時，電機正向轉動;反之，電動機反向轉動。烘干系統利用電吹風產生的熱氣流直接對碗進行烘干，避免水漬斑痕殘留，使餐具更光潔。消毒系統設計了臭氧發生器，利用活氧與水產生的中間物質單原子氧和羥基的強氧化特性對餐具進行消毒。避免了傳統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，且對人體有傷害等缺點。

人機交互系統通過洗碗機上面的控制面板實現，該面板上設置了洗碗、消毒、沖洗、烘干4 個操作按鈕，同時還設有“+”、“－”按鈕，通過按鈕可以增減任務執行時間。在執行某一個操作時，相應的指示燈會被點亮，同時數碼管顯示當前任務剩余時間。該系統采用的是BS201 共陰集數碼管，由74248 芯片驅動，對低位的RBI，RBO，LT 接入VCC，對高位的LT 信號接VCC，RBO 懸空，RBI 接地實現高位零消隱功能。鍵盤電路由于按鍵數量少，直接將按鍵與單片機對應引腳相連，利用74LS21 芯片提供中斷信號，通過中斷信號來檢測鍵盤輸入狀態。

圖4 水位檢測電路

3 系統軟件設計

系統軟件的設計按照洗碗機的工作流程進行編寫，根據用戶設定的任務和時間進行相應的工作。在執行用戶的任務時，相應的任務指示燈會點亮，數碼管則顯示當前任務剩余時間。當順序完成洗碗、消毒、沖洗、烘干任務后，系統會發出一短一長的提示音，然后自動斷電。工作過程中，若用戶打開洗碗機門，則會啟動安全開關，使得當前任務暫停。洗碗機主要程序模塊有系統初始化，顯示當前默認狀態，等待鍵盤中斷信息，根據任務按鍵進入相應的流程等。系統的運行流程圖如圖5所示。

圖5 主程序框圖

系統啟動后，立即初始化操作，主要是初始化中斷、定時器、以及一些控制變量。然后利用INT0 來檢查鍵盤控制信號，并進入相應的信號處理流程。另外值得注意的是T0 的中斷級別高于INT0，其主要任務是完成對洗碗任務的順序控制。一旦用戶按下啟動/暫停鍵，T0 則開始記數工作，通過T0 查詢啟動/暫停鍵的狀態和安全開關的狀態，從而決定是否暫停當前操作，其主要輸出量對應的P3 口狀態命令如表1所示。

表1 輸出控制信號命令

水位的監測利用T1 對水位傳感器的方波信號數量進行寫入操作，然后通過T0 每50 ms 一次中斷信號，讀取T1 中的值，從而實現對水位的實時監測。碗量的檢測利用T2 對電動機產生的感應電動勢的方波信號數量進行寫入操作，然后通過檢測其數值可以知道當前碗量，從而修正洗碗所用的時間值。

4 實驗測試

實驗測試中該洗碗機與其他洗碗機對比情況如表2所示。改設計中洗碗機由于采用波輪旋轉帶動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，該洗碗機還具有洗滌時耗電少、節能環保等特點。

表2 設計中洗碗機與其他洗碗機對比情況

5 結束語

針對國內家用洗碗機技術有待完善，難以普及等問題，筆者對家用洗碗機關鍵技術進行研究設計，設計了一種基于AT89S52 單片機的渦輪式洗碗機。首次采用渦輪旋轉帶動水流沖刷餐具，實現對餐具的高效洗滌。并利用臭氧與水產生的中間物質單原子氧和羥基的強氧化特性對餐具進行消毒，消毒可靠，而且無二次污染。整個洗完過程為全自動流程，智能化程度高。實驗結果表明，該洗碗機洗滌效果好、消毒可靠、節能環保，具有巨大的潛在市場價值和社會經濟效益。

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