基于STM32的智能餐桌設計

寧夏理工學院 姜俊鵬 呂 杰 張翠玲 馬俊濤 唐玉鑫 王 飛

基于STM32的智能餐桌設計

寧夏理工學院 姜俊鵬 呂 杰 張翠玲 馬俊濤 唐玉鑫 王 飛

本文描述了一種智能餐桌的設計。餐桌的智能化可以改進現實生活中人們的就餐環境并給人們帶來更多的方便。該智能餐桌基于STM32控制芯片，采用電熱絲加熱，半導體制冷，超聲波去污以及將電磁爐進行改造，將制冷設備、加熱設備、清洗設備、音樂播放裝置及殺菌設備集合在餐桌上，在實際使用中，可解決就餐時飯菜變涼問題、剩飯剩菜不好保存的問題、餐后清洗的麻煩、做菜時在電磁爐邊守候的麻煩以及家庭中飲品快速制冷的難題，餐桌有藍牙音樂播放功能，可直接通過手機連接藍牙，播放音樂，增加就餐情調。該餐桌的設計既貼心又方便，使用簡單，設計人性化，并且保證餐桌整體衛生條件。

STM32；功能集合；貼心方便；智能餐桌

0 引言

當今社會的科技高度發達，各種新產品和新技術層出不窮，以滿足人們的不同需求，與此同時，也給人們的生活帶來了很大的便利，如保鮮食物的冰箱，加熱飯菜的微波爐，清洗碗筷的洗碗機，烹制菜肴的電磁爐，夏天的飲品制冷機等。但這些功能基本都是由單一產品來實現的，為了實現這些功能就需要同時具備這些產品，同時需要空間來放置這些產品，使得存儲混亂。因此，需要一種新型結構來解決現有技術存在的上述問題。

基于STM32的智能餐桌，屬于智能家居技術領域，該智能餐桌包括桌面與桌體，桌面位于桌體頂部，桌面的上表面設置有控制面板，桌面的下表面裝有無線供電的發送線圈，可配套使用基于無線供電技術的加熱裝置，桌面的中心位置設有孔，孔處安裝有電磁爐，桌面的下表面安裝有飲品制冷裝置，桌體上分別設置有第一腔、第二腔和第三腔，第一腔內集成有保溫裝置，第二腔內集成有清洗裝置，第三腔內設置有控制裝置，控制面板、電磁爐、飲品制冷裝置、保溫裝置及清洗裝置均連接于控制裝置STM32單片機，且可通過控制面板進行操控。該設計所提供的智能餐桌結構緊湊，將日常生活中常用到的電器產品集成到餐桌內，既便于使用，又節約了存儲空間。

圖1 基于STM32的智能餐桌成品圖

基于STM32的智能餐桌成品如圖1所示，控制面板TFT彩屏設置界面如圖2所示，TFT彩屏音樂播放界面如圖3所示。

圖2 基于STM32的智能餐桌TFT彩屏設置界面圖

圖3 基于STM32的智能餐桌TFT彩屏音樂播放界面圖

1 設計內容

在該設計中利用STM32單片機對繼電器及光耦的控制來達到控制制冷設備、加熱設備、清洗設備、音樂播放裝置及電磁爐工作的目的，餐桌配有基于無線供電技術的加熱盤子，就餐時只需將該盤子放在餐桌表面即可對飯菜加熱。通過TFT液晶屏采集用戶的需求，根據傳感器采集的數據確定各單元的工作狀態，使人們用上智能、方便、多功能的餐桌。

智能餐桌結構的三視圖及整體效果圖如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 智能餐桌主視圖（1.保溫箱；2.洗碗機；3.放置電源）

圖5 智能餐桌左視圖（4.飲料制冷設備）

圖6 智能餐桌俯視圖（5.電磁爐）

圖7 智能餐桌整體結構效果圖

2 功能實現

2.1 控制器

控制系統主控芯片采用基于STM32微處理器的STM32F4系列的STM32F407ZET6單片機(MCU)。該芯片基于ARM Conex-M4內核，采用意法半導體的NVM工藝和ART加速器，是32位閃存的微控制器。在180MHz的工作頻率下通過閃存執行指令時可實現225DMIPS/608 Core Mark的性能，是迄今所有基于Cortex-M內核的微控制器產品所達到的最高性能得分。STM32具有自己獨特的優點：在Cortex-M3架構上進行了多項改進，在提升性能的同時，所有新功能都具有較低的功耗，其內核電壓為1.8 V，芯片電壓為3.3 V，可以選擇睡眠模式、待機模式，保證低功耗應用的要求，由于采用了動態功耗調整功能，通過閃存執行指令時的電流消耗范圍為從STM32F410的89 μA/MHz到STM32F439的260 μA/MHz。STM32F4系列包括八條兼容的數字信號控制器（DSC）產品線，是MCU實時控制功能與DSP信號處理功能的完美結合體；相對于ARM系列其他芯片，STM32運行速度更快；擁有豐富的通信模塊便于與上位機進行通信。該芯片非常適合在控制領域應用。

智能餐桌系統結構框圖如圖8所示。

圖8 基于STM32F407ZET6單片機的智能餐桌結構框圖

2.2 電磁爐改造

該設計中將現成的電磁爐進行改造，通過STM32主控芯片控制光耦的通斷達到控制電磁爐的各功能，其中電磁爐各功能與單片機引腳對應如下PC1：功率增加；PC2：功率減小；PC3：煲湯；PC4：蒸煮：PC5：煮粥；PC6：炒菜；PC7：火鍋。

2.3 制冷設備

該設計中涉及飲品制冷功能和保溫箱內的制冷功能，兩處均采用半導體制冷，半導體制冷的原理是通過半導體材料的溫差效應，使直流電通過由兩種不同半導體材料串聯成的電偶時，在電偶對的兩端將吸收或放出熱量。如果在放熱端安裝散熱裝置，吸熱端就能通過熱量輸送制成簡單方便的新型制冷器；當改變直流電方向時，又能達到制熱的效果。

兩套制冷設備均通過繼電器與單片機連接，其中飲品制冷連接單片機PB10引腳，保溫箱內的制冷設備連接單片機的PB12引腳。

2.4 加熱設備

該智能餐桌的保溫箱內的加熱設備和基于無線供電技術的加熱盤子均采用電熱絲加熱（電阻加熱），電熱絲是最為常見的一種發熱元件，當電流通過電熱絲時，電流做功而消耗電能，產生熱量，這種現象叫做電流的熱效應。實踐證明，電流通過電熱絲所產生的熱量和電流的平方，電熱絲本身的電阻值以及電流通過的時間成正比。通過電熱絲產生的熱量即可達到需要加熱的溫度。

保溫箱內的加熱設備通過繼電器與單片機的PB13引腳連接，整個保溫箱的電源通過單片機的PA4引腳輸出高低電平控制與之相連的繼電器開關狀態來實現電源通斷。保溫箱內采用紅外溫度傳感器實時監測箱體內的溫度，把溫度信號反饋給單片機實現保溫箱內恒溫，其中單片機的PB8引腳連接紅外溫度傳感器的SCL引腳，PB9引腳連接SDL引腳。

2.5 清洗設備

該設計采用超聲波清洗機作為清洗設備，超聲波清洗效果好，操作簡單，隨著清洗行業的不斷發展，越來越多的行業和企業運用到了超聲波清洗機。

超聲波清洗機是由超聲波發生器發出的高頻振蕩信號，通過換能器轉換成高頻機械振蕩而傳播到介質－－清洗溶劑中，超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射，使液體流動而產生數以萬計的直徑為50-500μm 的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡在聲場的作用下振動。這些氣泡在超聲波縱向傳播的負壓區形成、生長，而在正壓區，當聲壓達到一定值時，氣泡迅速增大，然后突然閉合。并在氣泡閉合時產生沖擊波，在其周圍產生上千個大氣壓，破壞不溶性污物而使他們分散于清洗液中，當團體粒子被油污裹著而黏附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子及脫離，從而達到清洗件凈化的目的。在這種被稱之為“空化”效應的過程中，氣泡閉合可形成幾百度的高溫和超過1000個氣壓的瞬間高壓，能夠達到非常有效的清洗效果。超聲波清洗機通過繼電器與單片機的PG15引腳相連，以控制工作狀態。

清洗裝置通過兩個水泵蓄水和排水，進水泵由單片機PG13控制，排水泵由PG14控制，通過兩個水位檢測模塊檢查水位，當水位達到設定水位時停止往里抽水，當水排空后停止排水，兩個水位檢查模塊由單片機PE5和PE6控制。

2.6 滅菌設備

該設計采用紫外線進行殺菌，在保溫箱和清洗箱內均裝有紫外殺菌裝置，通過單片機的PB12引腳控制工作狀態。

圖9、圖10、圖11、圖12為該設計的電路原理圖，其中藍牙播放模塊的TX引腳和RX引腳分別與單片機的PB10引腳和PB11引腳連接。

圖9 設計電路原理圖

圖10 設計電路原理圖

圖11 設計電路原理圖

圖12 設計電路原理圖

3 使用說明

使用電磁爐時，先在控制面板上選擇電磁爐的控制開關，之后在電磁爐上放置鍋具，即可實現菜肴的烹制。當使用飲品制冷裝置時，先在控制面板上打開飲品制冷開關，此時制冷設備開始制冷工作，當溫度到達控制面板設定值時開始向飲品制冷裝置內注入飲品，當溫度高于設定值時停止飲品的注入，直到溫度再次達到設定值時，再開始飲品注入，當無需飲品制冷時，只需在控制面板將飲品制冷開關關閉即可。

使用保溫裝置進行食品保鮮時，先將控制面板上的溫度設置于20℃以下，此時保溫裝置內的制冷設備開始制冷工作，當紅外測溫裝置檢測到保溫裝置內的溫度低于控制面板上的設置溫度時，制冷設備停止工作，當檢測到溫度高于設定溫度時，制冷設備再次啟動進行制冷工作，以使保溫裝置內的溫度保持在設定溫度范圍。當使用保溫裝置進行食品加熱時，先將控制面板上的溫度設置于20℃以上，此時保溫裝置內的加熱設備開始加熱工作，當紅外測溫裝置檢測到保溫裝置內的溫度高于控制面板上的設置溫度時，加熱設備停止工作，當檢測到溫度低于設定溫度時，加熱設備再次啟動進行加熱工作，以使保溫裝置內的溫度保持在設定溫度范圍。當需要使用紫外殺菌裝置進行殺菌消毒時，只需要將控制面板上的控制開關打開即可。

使用清洗裝置對果蔬或餐具進行清洗時，可在控制面板上快速清洗、標準清洗和強力清洗三種模式中根據需要選擇一種后，進水泵開始向清洗裝置內注水，直到進水水位檢測儀檢測到水位達到設定值時，進水泵停止注水，之后超聲波清洗模塊開始工作，超聲波可有效去除蔬果上的農藥殘留以及餐具上的污漬，在超聲波清洗模塊工作時間達到預設時間后停止工作，出水泵開始將清洗裝置內的水排出，當出水水位檢測儀檢測到水位排盡之后，清洗裝置自動停止工作。

[1]劉慧英,范寶山.基于STM32的多步進電機控制系統研究[J].測控技術,2010,06:54-57.

[2]謝玲,湯廣發.半導體制冷技術的發展與應用[J].潔凈與空調技術,2008(1)

[3]李國超.軸承超聲波清洗技術的研究與應用[D].大連理工大學,2006.

姜俊鵬（1996—），福建南平人，大學本科，中級電工。

呂杰（1974—），寧夏銀川人，講師，主要研究方向：計算機控制系統，智能控制。

張翠玲（1971—），安徽碭山人，副教授，主要研究方向：電力系統故障診斷，電子電路分析。

馬俊濤（1983—），寧夏石嘴山人，講師，主要研究方向：傳感器檢測技術。

唐玉鑫（1994—），湖北宜昌人，大學本科，電子設計助理工程師。

王飛（1995—），安徽宿州人，大學本科，中級電工。