一款新式自动餐盘清洗机的设计

杨 萌 祁宏伟 张子康

（滨州学院 电气工程系，山东 滨州 256600）

1 引言

1.1 研究背景及意义

随着社会的进步，餐饮业发展很快，餐厅越来越一体化。 而餐厅工作人员的工作量也越来越大，直接导致吃饭时的饭盘不能及时洗刷出来使用， 极大的影响人们的就餐。 自动洗盘机改变以往传统洗碗机不能大量自动高效清洗餐盘的弊端，通过机械原理单片机控制，实现智能无需人力，达到自动、高效的清洗餐盘的目的。

1.2 研究现状分析

1.2.1 随着数字信息电脑的普及， 洗盘机已经广泛的进入人们的生活， 从而使人们从繁杂的劳动中解放出来，作为一种自动化设备，餐盘清洗机一般要实现自动注水。 自动加洗涤剂，自动排水，以及定时故障报警的功能。

1.2.2 市场现在主要有两种餐盘清洗机，一种是锈钢餐盘清洗机，但这种清洗机只能对餐盘进行精洗，即只能洗先粗洗过的餐具；另一种是喷淋式清洗机，即采用高压可空转马达配合喷淋，喷射力度大，表面清洗效果明显[1]。因此我们在此基础上设计了新型自动喷淋式餐盘清洗机。

2.1 外部框架设计

图1 整体结构图

图2 实物模型内部结构

作品外部框架由金属材料焊接而成（如图1 和图2，整体结构图）[2]:

框架有4 个金属支撑柱， 框架上下分别由金属圆柱和金属平面焊接而成， 这样就使得框架形成一个六面的立方体。 框架上方为上面，固定有屏幕的一侧为正面，其后方为后面，其他两个面为侧面。

2.1.1 框架上面部分：

2.1.1.1 框架的上面有两根光滑的金属光轴，金属光轴分别与侧面链接，每根光轴上有两个滑动轴承。

2.1.1.2 滑动轴承下面用螺丝固定着抓板，抓板的下方有吸盘，抓板的上方固定着电机，电机的主轴固定着一个齿轮。

2.2.2 框架底面部分： 框架底面用螺纹固定着四个万向轮。

2.2.3 框架正面部分：

2.2.3.1 正面上方在两根支撑柱之间焊接一个金属角铁，此金属面用来固定控制面板、真空过滤器、电磁阀。

2.2.3.2 正面下方左侧用扎带固定有电源设备。

2.2.4 框架后面部分：

后面上方在两根支撑柱之间焊接一个金属角铁，用来实现连接[3]。

2.2.5 框架两个侧面部分：

框架侧面焊接有金属四条（一侧两条）折面，用来固定内部纵向轨道。 每个侧面的两条金属折面由一个长度较短的金属面焊接在一起，起到固定作用。

2.2 升餐盘装置设计

升餐盘装置共由6 部分组成（如图3 和图4）：

图3 升餐盘装置3D 模型

图4 升餐盘装置实物模型

2.2.1 电机：电机提供动力，固定在地盘上的电机的通过联轴器带动丝杠的转动，推动托盘上升。

2.2.2 联轴器：连接电机与丝杠，带动丝杠的转动。

2.2.3 轨道：由4 根角铁固定在底面上，角铁的凹槽对着电机，大小与托盘的面积相同。 作用是防止托盘上升的过程中摇晃。

2.2.4 转轴：和丝杠配合，丝杠转动带动转轴，转轴在丝杠上由电机带动实现上下移动。

2.2.5 托盘：

2.2.5.1 托盘上表面的长宽比餐盘的长宽各大10 厘米，表面光滑，和餐盘的上表面贴合的比较好，并且上表面有一个凸起，所形成的面积正好和餐盘的面积相等，这样餐盘就可以在上升的过程中不发生滑动现象。

2.2.5.2 托盘下表面固定在支撑杆上， 焊接连接，并且又加4 个螺丝固定， 这样在升降多个餐盘的时候不发生断裂或弯折现象。

2.2.6 传感器：

2.2.6.1 升餐盘装置初始化传感器，安放在正面轨道内，当餐盘下降，托盘的下表面碰到传感器时，电机停止转动，延迟10 秒钟，餐盘放入后电机转动，实现餐盘的纵向运动，这样实现餐盘的上升。

2.2.6.2 升餐盘装置停止传感器， 安放在装置的正面，在传送装置的下面，当餐盘上升，餐盘的下表面碰到传感器，电机停止转动，延迟10 秒钟，转送装置工作，实现餐盘的纵线运动变为横向运动。

2.3 清洗结构

2.3.1 当餐盘上升到碰到碰撞开关的时候，3 个舵机带动3 个高压水枪进行冲洗餐盘的下表面。

2.3.2 当餐盘由吸盘吸住进行横向运动的时候，毛刷配合两个高低不同的高压水枪进行刷洗和冲洗。

2.3.3 当刷洗和冲洗结束以后， 餐盘放到降餐盘装置上，高能紫外线灯进行消毒[4]。

2.4 传送装置结构设计

传送装置由电机、齿条、滑轨、载物板构成。

2.4.1 电机与吸盘固定在载物板上当吸盘吸住餐盘的时候，电机通过和齿条的配合带动载物板运动。 实现餐盘的横向运动。

2.4.2 滑轨起固定作用，载物板固定在在滑轨上，电机就可以带动整个载物板横向运动。

2.4.3 4 个滑动模块固定在载物板上，电机的转动提供动力，这样滑动模块在滑轨上滑动，这样就可以整体运动。

2.4.4 载物板的下表面安装碰撞开关， 当餐盘上升碰到碰撞开关，托盘停止上升，吸盘吸住餐盘，载物板带动餐盘横向运动。

2.5 其他小部件设计

2.5.1 空压机：

空压机出气口分为两路分别为吸盘吸住餐盘和高压水枪提供动力。 采用的空压机型号为v-0 17/8 排气量0.15 压力0.8 功率1.5[5]。 （如图5）[6]

2.5.2 电池阀：

电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同电磁阀的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁、铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔， 液压油会进入不同的排油管， 然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。 这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动[6]。

图5 空压机

图6 电磁阀

2.6 详细尺寸及理论计算

本计算是基于该实物模型得出的

主电机功率P=15 W=0.015KW，

转速：n=23RPM

根据差速电机的输出扭矩公式：

T=9550P/n

经计算得：T=9550*0.015KW/23rpm

=6.2n·m

=62kg·cm

故而得到一个电机功率与输出力的对应关系：15W输出12.4kg 这个力对应的是餐盘的起重载荷量。

另外， 上下电机输出的横向推动力为10W：8.27kg，由于载物板固定在滑轨上，所造成的摩擦力很小，根据F=f*G， 得知在该推动力下， 所能推动的重量为F/f=8.27kg/0.2=41.3kg。

经对比可以看出， 载物板的承载能力取决于主电机的拉动力[7]。

3 电气控制系统

3.1 整体控制电路

主要包含以下元器件。

AVRmega16 微控制器一片、12864 液晶屏一块、4x4矩阵键盘一个、碰撞开关4 个、继电器3 个、直流电动机3个、三极管3 个、串口通信接口1 个。

3.2 碰撞开关

A.碰撞传感器的布局设计

碰撞开关放置于一侧的4 个角上， 任意一个存储仓库单元碰到任意一个碰撞开关， 都会被单片机检测到，MCU 将触发相应的电机开始转动。具体设计如下：

3.2.1 首先，托盘带动餐盘纵向移动，当餐盘的表面碰到载物板的下表面的碰撞传感器，托盘停止上升。 吸盘吸住餐盘；

3.2.2 下一步载物板在电机的带动下横向移动，当碰到齿条末端的碰撞传感器，载物板停止运动，吸盘放开餐盘；

3.2.3 餐盘在托盘的作用下纵向向下移动， 碰到碰撞传感器，托盘停止运动；

3.2.4 下一步载物板返回， 碰到齿条首段的碰撞传感器，停止运动，准备吸下一个餐盘做准备；

3.2.5 按照以上步骤，进行循环工作，直到清洗完所有餐盘。

B.碰撞传感器的电气工作原理：

碰撞传感器的内部结构相当于一个普通开关， 它的两根引脚， 一根接地GND， 另一边通过上拉电阻引入AVR 单片机控制器的PA0:3，总共4 个端口，工作时，由控制器读取IO 的状态，由于连入了上拉电阻，当未触发开关时，IO 默认为高电平，即输入为1，当有存储仓库单元碰撞时，IO 被连接入GND，IO 接变为0， 从而实现了MCU 对该外围设备的控制[8]。

3.3 输入设备设计[9]

在键盘中按键数量较多时， 为了减少I/O 口的占用，通常将按键排列成矩矩阵形式。 在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通， 而是通过一个按键加以连接。 这样，一个端口（如P1 口）就可以构成4*4=16个按键，比直接将端口线用于键盘多出了一倍。

按键的检测原理如下， 单片机的PC 口用作键盘I/O口，键盘的列线接到P1 口的低4 位，键盘的行线接到PC口的高4 位。列线PC.0-PC.3 分别接有4 个上拉电阻到正电源+5V，并把列线PC.0-PC.3 设置为输入线，行线PC.4-PC.7 设置为输出线。 4 根行线和4 根列线形成16 个相交点。

首先让P1 口高四位为1，低四位为0，。 若有按键按下，则高四位中会有一个1 翻转为0，低四位不会变，此时即可确定被按下的键的行位置。

然后让P1 口高四位为0， 低四位为1。 若有按键按下，则低四位中会有一个1 翻转为0，高四位不会变，此时即可确定被按下的键的列位置[10]。

3.4 显示设备

屏幕选择的是含中文字库的12864 液晶[11]，产品的各项操作均有屏幕汉字提示，人性化操作。

控制器有输入要求时，会在液晶上面显示提示，提示菜单一般分为4 个选项，分别对应键盘上的1-4 号按键，按下相应的按键，MCU 会执行相应的程序，另外在某些没有提示的界面，可以按下“#”号键退出，同时返回上层菜单或回到首页菜单。

3.5 其他传感器

为充分利用单片机的端口资源， 产品加入了以下功能模块：光敏传感器、火焰传感器。

光敏传感器在装置内部， 使装置运行的过程中更加准确无误。

火焰传感器， 它是基于AD 转换的一个模块， 利用AVR 单片机的内部AD 转换，可以实时读取火焰的强度，无火和有火所反馈回来的数值火焰传感器和串口有很大差别，我们通过设定这个阀值，可通过程序判断附近是否有明火[12]。

3.6 微控制器与计算机连接控制电路

我们的产品可以与计算机进行连接通信， 采用的是计算机串口连接， 连接线是SERIAL—USB （串口转接USB），在MCU 微控制器一端再接入MAX232，进行计算机的12V—单片机5V 的TTL 电平转换， 最后通过RXD和TXD 两根引线即可与PC 进行双向通信了。

连接入计算机以后MCU 将实现以下功能：

3.6.1 控制器对餐盘的清洗操作都有详细的记录，包括记录清洗餐盘用的时间，消毒时间等，通过屏幕的选取操作，可以把记录的数据传到计算机上进行统计管理。

3.6.2 连接电脑以后， 可以更改清洗时间和消毒时间等。

4 结论

4.1 设计创新点

4.1.1 设计新颖的机械结构， 实现了自动餐盘清洗机所应该具有的功能。

4.1.2 餐盘整体放入，单个清洗，省时省力，清洗更高效。

4.1.3 通过舵机、 单片机和各种部件的配合做到清洗时完全自动，无需人的控制。

4.1.4 清洗速度快， 节省时间， 极大的提高工作效率，能够很好解决节假日期间清洗工作忙的难题。

4.1.5 系统可连接入计算机进行数据的统计与管理。

4.2 前景展望

本产品功能强大，清洗便利，操作简单，且制作成本低廉，可用于大中型学校食堂和企业餐厅。 鉴于该产品强大的功能基础，且市场上还未出现类似的产品和装置，所以该产品应用前景广泛，尤其是当今社会，餐饮业越来越发达。 使用这种餐盘清理清洗机械，能减少劳动力资源，提高清洁效率，能大大改善食堂的就餐环境，给食堂经营带来经济效益。 尤其是在现代社会高效率、快节奏的背景下，社会的发展对智能化、信息化提出了更高的要求，本作品对控制和计算机的应用充分体现了该特点， 具有鲜明的时代特征。

［1］于正林，苏成志，曹国华．AVR 单片机原理及应用［M］．国防工业出版社，2009.

［2］John R Levine.Tony Mason.Doug Brown LEX & YACC 200.

［3］谭民.景奉水开放式先进机器人控制器开发“Advanced Robot Open Controller”，2000.

［4］SoftSERCANS——SERCOS Master-Connection for PC Based Control Systems，2001.

［5］余锡存，曹国华．单片机原理及接口技术［M］.西安电子科技大学出版社，2011，8.

［6］Lounden.Compiler Construction:Principles and Practice［M］.1991.

［7］Stephen.Johson YACC:Yet Another compiler’s compiler［M］.FOLDOC，1999.

［8］陈卫福，杨建武.开放式运动数字控制结构及SERCOS接口应用技术，2002.

［9］阿 霍.Compilers:principles，techniques，and tools ［M］.Addison Wesley，2006.

［10］中国重型机械工业协会，北京海洋出版社，2001，9.

［11］秦曾煌.电工学［M］.高等教育出版社，1993.

［12］张建奇，李墨翰．自动化立体仓库系统设计［J］．自动化仪表期刊，2012（1）：37-41.