煮飯機器人的結構和控制系統(tǒng)設計

摘 要：隨著電子技術的快速發(fā)展，家用廚房電器產(chǎn)品也開始逐步邁入智能化。為了提高上班族的幸福指數(shù)，解決時間少、煮飯困難等難題，提出了一種煮飯機器人的結構和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32單片機為核心，結合物聯(lián)網(wǎng)等技術進行設計，實現(xiàn)手機-云端-煮飯機器人三者的互動，即利用手機APP進行遠程控制和監(jiān)測，也可以通過機器的觸摸屏監(jiān)測煮飯的工作狀態(tài)或煮飯曲線。實驗測試表明：該煮飯機器人可以自動完成量米、洗米、煮飯等一系列操作，變得更加人性化和智能化。

關鍵詞：煮飯機器人；物聯(lián)網(wǎng)；STM32；控制系統(tǒng)；云平臺；APP

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.022

0 引 言

近年來，在小家電制造行業(yè)中，電飯煲的銷售具有很大的優(yōu)勢。為了開拓市場，滿足不同需求，各電飯煲生產(chǎn)企業(yè)不斷對其進行創(chuàng)新改造，使電飯煲的性能及操作都有了較大改進和提高，煮飯的溫度控制由之前使用的磁鋼限溫器改為電腦控制，加熱方式也由傳統(tǒng)的電阻加熱擴展到電磁加

熱[1]。通過市場調查，常用的高端電飯煲采用IH加熱，可以實現(xiàn)煮飯、煲湯和蒸煮等功能，但仍然沒有可以實現(xiàn)集自動加米、自動洗米、自動煮飯和遠程操控于一體的家用煮飯機器人上市。為了進一步提高電飯煲的智能化程度，促進我國電飯煲品牌向國際一流品牌陣營靠攏[2]，文中提出了一種煮飯機器人的控制系統(tǒng)設計方法，該煮飯機器人可自動完成取米、淘米、下米、加水、煮飯等操作，使煮飯方便、快捷，大幅提高人們的生活質量。

1 煮飯機器人的整體結構設計

1.1 儲米量米裝置及工作原理

儲米量米裝置主要由儲米桶、余量檢測傳感器、量米器進米口、球形量米器、量米器安裝軸套、量米器安裝支架、出米口、駁接頭、步進電機、球形量米器轉動軸等部件組成，其結構如圖1所示。

1—儲米桶；2—余量檢測傳感器；3—量米器進米口；4—球形量米器；5—量米器安裝軸套；6—量米器安裝支架；7—出米口；8—駁接頭；9—步進電機；10—球形量米器轉動軸。

儲米桶采用漏斗形設計，大米先進先出，解決傳統(tǒng)米桶中陳米積壓、潮濕生蟲等問題。在儲米桶下端，安裝有球形量米器，在上部開有進米口，根據(jù)需要，球形量米器體積固定。例如，進滿米的最大米量為：150 g/杯。球形量米器的中間安裝有一根和進米口平行的轉動軸，使轉動軸和球形量米器固定。在量米器安裝軸套和量米器安裝支架的支撐下，使整個量米器固定在儲米桶的下方。

量米時，量米器的進米口方向垂直向上，儲米桶的大米順利流入球形量米器中，如圖1（a）所示；需要下米時，控制步進電機通過駁接頭帶動球形量米器沿圖1（b）方向順時針旋轉，使球形量米器的進米口垂直向下，一杯米通過出米口流入洗米桶內。下米完畢后，步進電機再控制球形量米器順時針旋轉，重新進米。如需要繼續(xù)下米，則重復上述動作。在儲米桶的1/3儲米量處，安裝有大米余量檢測傳感器，余量檢測傳感器由光電發(fā)射管和光電接收管組成，當儲米桶中的米量超過總米量的1/3時，光被大米遮住而檢測到米量充足；當檢測儲米桶中的米量少于1/3時，光電接收管接收到光電發(fā)射管發(fā)射的光信號，單片機發(fā)出及時加米的提醒。可通過手機APP對儲米桶米量是否充足進行監(jiān)測，實現(xiàn)米量過少及時提醒功能。

1.2 洗米和配水裝置及工作原理

在洗米和配水裝置中，主要采用三維立體水壓噴射洗米，模擬攪拌器攪拌，除去大米中的雜屑，能較好地保留大米中的營養(yǎng)成份。三維立體水壓噴射洗米無需攪拌器和攪拌電機，不僅進一步縮小了洗米器的體積，更使機械結構和電路控制方式變得簡單。配合灑水器控制下推閥下米，保證洗米器不粘米。洗米裝置整體結構如圖2所示[3]。

1—水量電磁閥；2—漂浮物清除電磁閥；3—流量傳感器；4—進水接口；5—洗米電磁閥；6—洗米進水管；7—洗米桶；8—過濾網(wǎng)；9—下米閥；10—下米閥固定墊片；11—排水過濾網(wǎng)；12—排水管；13—自吸排水泵；14—排水出口；15—溢水檢測傳感器；16—洗米桶水位檢測傳感器；17—升降凸輪；18—防護罩；19—主軸升降控制齒條；20—第一灑水環(huán)進水管；21—第二灑水環(huán)和第三灑水環(huán)進水管；22—第三灑水環(huán)；23—第二灑水環(huán)；24—第三灑水環(huán)噴水孔；25—第二灑水環(huán)噴水孔；26—第一灑水環(huán)；27—第一灑水環(huán)噴水孔；28—推拉桿；29—洗米桶下排水出口；30—集水器；31—洗米桶溢水口；32—下米閥下推到位檢測開關；33—控制電機主軸；34—下米閥上拉到位檢測開關；35—洗米桶上排水出口；36—排水槽外擋水圈；37—環(huán)形排水槽；38—環(huán)形洗米器。

洗米裝置主要包括漂浮物清除電磁閥、水量電磁閥、流量傳感器、進水接口、洗米電磁閥、洗米進水管、洗米桶、過濾網(wǎng)、下米閥、下米閥固定墊片、排水過濾網(wǎng)、排水管、自吸排水泵、排水出口、洗米桶水位檢測傳感器、溢水檢測傳感器、升降凸輪、防護罩、主軸升降控制齒條、第一灑水環(huán)進水管、第二灑水環(huán)和第三灑水環(huán)進水管、第三灑水環(huán)、第二灑水環(huán)、第三灑水環(huán)噴水孔、第二灑水環(huán)噴水孔、第一灑水環(huán)、第一灑水環(huán)噴水孔、推拉桿、洗米桶下排水出口、集水器、洗米桶溢水口、下米閥下推到位檢測開關、控制電機主軸、下米閥上拉到位檢測開關、洗米桶上排水出口、排水槽外擋水圈、環(huán)形排水槽、環(huán)形洗米器。其中，洗米桶溢水口的高度比排水槽外擋水圈的高度低。

當需要洗米時，煮飯機器人接收到指令后，洗米裝置按以下步驟工作。

（1）自動加水及加米

當洗米裝置的單片機收到洗米指令后，減速電機控制升降凸輪順時針旋轉，帶動推拉桿向上運動，在升降凸輪控制推拉桿上升的過程中，下米閥上拉，當凸輪的邊緣接觸到下米閥且上拉到位檢測開關時，停止上拉，關閉下米口；單片機控制水量繼電器，接通水量電磁閥的電源，水通過流量傳感器后，由第二灑水環(huán)和第三灑水環(huán)灑到洗米桶內；當流量傳感器檢測到水量達到設定值時，單片機控制水量電磁閥的電源斷開，停止進水。為防止大米粘在洗米桶內壁，先加水再加米，加水后，大米下到水中，使大米處于浸潤松散狀態(tài)，減少粘在洗米桶內壁的米粒。當?shù)谝淮渭铀瓿珊螅瑑γ兹∶籽b置按設定的米量加米。

（2）自動洗米和清除漂浮物

自動加米完成后，進入自動洗米狀態(tài)，單片機通過繼電器控制洗米電磁閥接通電源，水流進環(huán)形洗米器后沿箭頭方向旋轉運動，對大米進行立體沖洗，當水位到達洗米桶水位傳感器位置時，單片機控制洗米電磁閥停止噴水，防止洗米過程中桶內水面過高而使大米和水溢出。停止進水洗米后，大米逐漸沉到洗米桶底部，而漂浮物則浮在水面上。此時，接通漂浮物清除電磁閥電源，水通過第一灑水環(huán)沿推拉桿360°向下灑出，使桶內水面逐漸升高，當水面超過洗米桶溢水口時，水流會帶動漂浮物360°排向環(huán)形排水槽后排出。由于環(huán)形排水槽是環(huán)形斜向下設置，在漂浮物排出口端設有溢水檢測傳感器，因此，當溢水檢測傳感器檢測到有水溢出時，將信號送到單片機（單片機延時約5 s），待漂浮物清除完后，關閉漂浮物清除電磁閥電源，停止進水。單片機通過控制排水繼電器自吸排水泵啟動排水，待排干桶內的水后，完成第一次洗米。第一次洗米時，已清除漂浮物，第二次洗米時重新啟動洗米電磁閥進水洗米，直到水位到達洗米桶水位傳感器位置時，停止進水，再啟動自吸排水泵進行排水，經(jīng)過兩次洗米后，裝置進入自動配水和下米

狀態(tài)[4]。

（3）自動配水和下米

在加水和配水過程中，流量傳感器是核心，其內部包含水流轉子和霍爾傳感器。將流量傳感器和進水電磁閥串接安裝在水路系統(tǒng)中，用于檢測水流量。當進水電磁閥電源接通時，處于開閥狀態(tài)，水通過水流轉子組件后，葉輪帶動磁塊轉動，轉速隨著流量變化而變化；霍爾傳感器輸出相應脈沖信號，送到控制電路，由控制電路根據(jù)輸出脈沖的數(shù)量判定水流量[5]。這種控制方式具有較高的水量精度，特別是少米量煮飯，如150 g配250 mL水時，可進行精準

控制。

通常情況下，煮飯時米量與水量按照1∶1.2～1∶1.4的比例配置，通過實驗測試，如用少量水下米時，主要是下米活塞和下米口粘米，為保證下米到電飯煲內膽后洗米器不粘米，單片機控制灑水器先下煮飯所需水量的2/3，水浸過米面，再控制下米閥快速向下運動，同時控制灑水器向洗米桶噴灑煮飯所需余下的1/3水量，灑水器從第二灑水環(huán)和第三灑水環(huán)同時360°噴向內壁和推拉桿，向下灑在下米閥的上表面，保證煮飯所需水量將米均勻分散地下到電飯鍋的內膽中，不需要另外攪平，且裝置不粘米。

（4）自動清洗

下米完成后，單片機控制推拉桿上升，關閉下米閥，裝置進入自動清洗狀態(tài)。清洗時，單片機控制洗米電磁閥，使洗米桶下方的3個進水口的水流旋轉上升，對洗米桶、下米閥和推拉桿進行沖洗，當水面超過洗米桶的溢水口向漂浮物排出口排出時，溢水檢測傳感器將信號送到單片機（單片機延時約5 s），待洗米裝置和排水管道清洗完后，關閉洗米電磁閥電源，停止進水，同時啟動自吸排水泵排水，當桶內的水排完后，完成清洗。如煮完飯，洗米裝置不再使用，單片機可控制推拉桿下移進入待機狀態(tài)，打開下米閥，使裝置內外通風透氣，不產(chǎn)生異味。

1.3 煮飯裝置

在洗米和配水裝置的下方設有煮飯裝置。當洗米和配水完成后，將米、水下放到煮飯機器人內膽中，再控制電路啟動煮飯程序，讓煮飯機器人進入煮飯狀態(tài)。

2 煮飯機器人的控制系統(tǒng)設計

煮飯機器人實現(xiàn)的主要功能有：自動取米、自動加水、自動洗米、自動煮飯和手機APP遠程監(jiān)測和控制等功能，控制系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。系統(tǒng)硬件電路主要由STM32核心模塊電路[6]、WiFi電路、米量計量及控制電路、水量計量及控制電路、排水控制電路、洗米控制電路、煮飯控制電路、溫度檢測電路、觸摸屏顯示與輸入電路等組成。其中，核心板采用STM32F103C8T6芯片，內含64 KB FLASH，

20 KB RAM，主頻最高可達72 MHz，擁有32個通用I/O口、

1個12位同步ADC，板載24C04數(shù)據(jù)存儲器，支持USB串口一鍵下載功能，滿足了系統(tǒng)的設計要求[7]。在工作中，單片機通過觸摸屏或WiFi模塊接收煮飯的米量和煮飯模式的指令，液晶屏顯示關于煮飯米量、煮飯模式和煮飯過程的信息。洗米、下米和排水機構中的水流量傳感器、水量繼電器和排水繼電器控制洗米的水量和排水，洗米完成后，下米機構控制煮飯的米量并下米到煮飯機器人的內膽，完成量米、下米、洗米等一系列動作，再在煮飯裝置的控制下，通過煲頂、煲底溫度傳感器和加熱主控電路實現(xiàn)自動

煮飯。

2.1 手機APP遠程控制和監(jiān)測

借助ESP8266 WiFi模組+OneNET云服務器平臺實現(xiàn)手機APP控制[8]。已在OneNET云平臺注冊設備的情況下，煮飯機器人通過WiFi模塊并根據(jù)OneNET云平臺提供的EDP協(xié)議編輯數(shù)據(jù)包，向云平臺發(fā)起連接請求，當連接成功后，平臺顯示設備在線，手機端通過調用OneNET API接口的方法可獲取平臺相應ID的設備狀態(tài)。因為煮飯機器人已通過編程實現(xiàn)上電，即發(fā)送申請連接的數(shù)據(jù)包到平臺，因此只要設備通電，手機APP界面上便顯示設備在線；若設備斷電，則顯示設備離線。而只有設備在線，手機APP的功能才能

啟動[9]。

在煮飯過程中，APP界面上可以實時顯示煮飯參數(shù)：煲頂溫度、煲底溫度、繼電器的吸合情況以及預熱、吸水、加熱、沸騰、燜飯、保溫等。

2.2 觸摸顯示屏交互功能

采用HMI串口觸摸屏實現(xiàn)人機交互功能[10]。串口觸摸屏HMI顯示模塊通過串口與單片機STM32通信，通過上位機軟件編程完成顯示界面的設計，下位機MCU借助串口與設備交換指令實時顯示煮飯機器人的工作情況，控制下米煮飯、進行提醒等。觸摸顯示屏的交互功能主要包括：米量顯示、煮飯過程顯示、時間顯示和參數(shù)調節(jié)等。

3 煮飯機器人的工作流程

當需要煮飯時，用戶可通過手機APP遠程控制，也可以通過煮飯機器人的觸摸屏操作，設定好米量并發(fā)送指令后，煮飯機器人便可按圖4所示工作流程工作。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)調試完成后，對系統(tǒng)的米量、配水量及洗米時間進行測試，測試方法：啟動洗米，用秒表記錄開始下米到完成的時間，開蓋將內膽中的水倒入量水杯中測量，并做記錄，測得數(shù)據(jù)見表1所列。

從實驗數(shù)據(jù)分析，水量測量值的誤差基本在5%以內，滿足設計要求。

5 結 語

未來的家用廚房電器產(chǎn)品應向智能化、易用化、時尚化和節(jié)能化的方向發(fā)展，而煮飯機器人具有智能、節(jié)能、綠色環(huán)保等特點也必然成為一個發(fā)展方向。通過設計和實驗，提出了一種煮飯機器人的結構和控制系統(tǒng)設計方案，可實現(xiàn)儲水、儲米、自動下米、自動洗米、自動加水、自動煮飯等功能，結合物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)手機-云端-煮飯機器人三者的互動。同時，也可以通過APP實現(xiàn)遠程煮飯控制、煮飯參數(shù)調節(jié)以及煮飯階段鍋底溫度、鍋頂溫度、煮飯時間等參數(shù)的實時監(jiān)測，提高了煮飯機器人的智能化程度。

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收稿日期：2023-09-21 修回日期：2023-10-31

基金項目：2023年度第一批湛江市非資助科技攻關計劃項目（2023B01021）；2022年度湛江市非資助科技攻關計劃項目（2022B01145）

作者簡介：梁啟文（1978—），男，碩士，實驗師，研究方向為智能家電設計與開發(fā)。

龍世瑜（1967—），男，碩士，副教授，研究方向為電子設計與應用。

王 華（1977—），男，碩士，講師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術與應用。