基于STM32的智能餐桌设计

宁夏理工学院 姜俊鹏 吕 杰 张翠玲 马俊涛 唐玉鑫 王 飞

基于STM32的智能餐桌设计

宁夏理工学院 姜俊鹏 吕 杰 张翠玲 马俊涛 唐玉鑫 王 飞

本文描述了一种智能餐桌的设计。餐桌的智能化可以改进现实生活中人们的就餐环境并给人们带来更多的方便。该智能餐桌基于STM32控制芯片，采用电热丝加热，半导体制冷，超声波去污以及将电磁炉进行改造，将制冷设备、加热设备、清洗设备、音乐播放装置及杀菌设备集合在餐桌上，在实际使用中，可解决就餐时饭菜变凉问题、剩饭剩菜不好保存的问题、餐后清洗的麻烦、做菜时在电磁炉边守候的麻烦以及家庭中饮品快速制冷的难题，餐桌有蓝牙音乐播放功能，可直接通过手机连接蓝牙，播放音乐，增加就餐情调。该餐桌的设计既贴心又方便，使用简单，设计人性化，并且保证餐桌整体卫生条件。

STM32；功能集合；贴心方便；智能餐桌

0 引言

当今社会的科技高度发达，各种新产品和新技术层出不穷，以满足人们的不同需求，与此同时，也给人们的生活带来了很大的便利，如保鲜食物的冰箱，加热饭菜的微波炉，清洗碗筷的洗碗机，烹制菜肴的电磁炉，夏天的饮品制冷机等。但这些功能基本都是由单一产品来实现的，为了实现这些功能就需要同时具备这些产品，同时需要空间来放置这些产品，使得存储混乱。因此，需要一种新型结构来解决现有技术存在的上述问题。

基于STM32的智能餐桌，属于智能家居技术领域，该智能餐桌包括桌面与桌体，桌面位于桌体顶部，桌面的上表面设置有控制面板，桌面的下表面装有无线供电的发送线圈，可配套使用基于无线供电技术的加热装置，桌面的中心位置设有孔，孔处安装有电磁炉，桌面的下表面安装有饮品制冷装置，桌体上分别设置有第一腔、第二腔和第三腔，第一腔内集成有保温装置，第二腔内集成有清洗装置，第三腔内设置有控制装置，控制面板、电磁炉、饮品制冷装置、保温装置及清洗装置均连接于控制装置STM32单片机，且可通过控制面板进行操控。该设计所提供的智能餐桌结构紧凑，将日常生活中常用到的电器产品集成到餐桌内，既便于使用，又节约了存储空间。

图1 基于STM32的智能餐桌成品图

基于STM32的智能餐桌成品如图1所示，控制面板TFT彩屏设置界面如图2所示，TFT彩屏音乐播放界面如图3所示。

图2 基于STM32的智能餐桌TFT彩屏设置界面图

图3 基于STM32的智能餐桌TFT彩屏音乐播放界面图

1 设计内容

在该设计中利用STM32单片机对继电器及光耦的控制来达到控制制冷设备、加热设备、清洗设备、音乐播放装置及电磁炉工作的目的，餐桌配有基于无线供电技术的加热盘子，就餐时只需将该盘子放在餐桌表面即可对饭菜加热。通过TFT液晶屏采集用户的需求，根据传感器采集的数据确定各单元的工作状态，使人们用上智能、方便、多功能的餐桌。

智能餐桌结构的三视图及整体效果图如图4、图5、图6、图7所示。

图4 智能餐桌主视图（1.保温箱；2.洗碗机；3.放置电源）

图5 智能餐桌左视图（4.饮料制冷设备）

图6 智能餐桌俯视图（5.电磁炉）

图7 智能餐桌整体结构效果图

2 功能实现

2.1 控制器

控制系统主控芯片采用基于STM32微处理器的STM32F4系列的STM32F407ZET6单片机(MCU)。该芯片基于ARM Conex-M4内核，采用意法半导体的NVM工艺和ART加速器，是32位闪存的微控制器。在180MHz的工作频率下通过闪存执行指令时可实现225DMIPS/608 Core Mark的性能，是迄今所有基于Cortex-M内核的微控制器产品所达到的最高性能得分。STM32具有自己独特的优点：在Cortex-M3架构上进行了多项改进，在提升性能的同时，所有新功能都具有较低的功耗，其内核电压为1.8 V，芯片电压为3.3 V，可以选择睡眠模式、待机模式，保证低功耗应用的要求，由于采用了动态功耗调整功能，通过闪存执行指令时的电流消耗范围为从STM32F410的89 µA/MHz到STM32F439的260 µA/MHz。STM32F4系列包括八条兼容的数字信号控制器（DSC）产品线，是MCU实时控制功能与DSP信号处理功能的完美结合体；相对于ARM系列其他芯片，STM32运行速度更快；拥有丰富的通信模块便于与上位机进行通信。该芯片非常适合在控制领域应用。

智能餐桌系统结构框图如图8所示。

图8 基于STM32F407ZET6单片机的智能餐桌结构框图

2.2 电磁炉改造

该设计中将现成的电磁炉进行改造，通过STM32主控芯片控制光耦的通断达到控制电磁炉的各功能，其中电磁炉各功能与单片机引脚对应如下PC1：功率增加；PC2：功率减小；PC3：煲汤；PC4：蒸煮：PC5：煮粥；PC6：炒菜；PC7：火锅。

2.3 制冷设备

该设计中涉及饮品制冷功能和保温箱内的制冷功能，两处均采用半导体制冷，半导体制冷的原理是通过半导体材料的温差效应，使直流电通过由两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶对的两端将吸收或放出热量。如果在放热端安装散热装置，吸热端就能通过热量输送制成简单方便的新型制冷器；当改变直流电方向时，又能达到制热的效果。

两套制冷设备均通过继电器与单片机连接，其中饮品制冷连接单片机PB10引脚，保温箱内的制冷设备连接单片机的PB12引脚。

2.4 加热设备

该智能餐桌的保温箱内的加热设备和基于无线供电技术的加热盘子均采用电热丝加热（电阻加热），电热丝是最为常见的一种发热元件，当电流通过电热丝时，电流做功而消耗电能，产生热量，这种现象叫做电流的热效应。实践证明，电流通过电热丝所产生的热量和电流的平方，电热丝本身的电阻值以及电流通过的时间成正比。通过电热丝产生的热量即可达到需要加热的温度。

保温箱内的加热设备通过继电器与单片机的PB13引脚连接，整个保温箱的电源通过单片机的PA4引脚输出高低电平控制与之相连的继电器开关状态来实现电源通断。保温箱内采用红外温度传感器实时监测箱体内的温度，把温度信号反馈给单片机实现保温箱内恒温，其中单片机的PB8引脚连接红外温度传感器的SCL引脚，PB9引脚连接SDL引脚。

2.5 清洗设备

该设计采用超声波清洗机作为清洗设备，超声波清洗效果好，操作简单，随着清洗行业的不断发展，越来越多的行业和企业运用到了超声波清洗机。

超声波清洗机是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质－－清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的直径为50-500μm 的微小气泡，存在于液体中的微小气泡在声场的作用下振动。这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长，而在正压区，当声压达到一定值时，气泡迅速增大，然后突然闭合。并在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压，破坏不溶性污物而使他们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而黏附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子及脱离，从而达到清洗件净化的目的。在这种被称之为“空化”效应的过程中，气泡闭合可形成几百度的高温和超过1000个气压的瞬间高压，能够达到非常有效的清洗效果。超声波清洗机通过继电器与单片机的PG15引脚相连，以控制工作状态。

清洗装置通过两个水泵蓄水和排水，进水泵由单片机PG13控制，排水泵由PG14控制，通过两个水位检测模块检查水位，当水位达到设定水位时停止往里抽水，当水排空后停止排水，两个水位检查模块由单片机PE5和PE6控制。

2.6 灭菌设备

该设计采用紫外线进行杀菌，在保温箱和清洗箱内均装有紫外杀菌装置，通过单片机的PB12引脚控制工作状态。

图9、图10、图11、图12为该设计的电路原理图，其中蓝牙播放模块的TX引脚和RX引脚分别与单片机的PB10引脚和PB11引脚连接。

图9 设计电路原理图

图10 设计电路原理图

图11 设计电路原理图

图12 设计电路原理图

3 使用说明

使用电磁炉时，先在控制面板上选择电磁炉的控制开关，之后在电磁炉上放置锅具，即可实现菜肴的烹制。当使用饮品制冷装置时，先在控制面板上打开饮品制冷开关，此时制冷设备开始制冷工作，当温度到达控制面板设定值时开始向饮品制冷装置内注入饮品，当温度高于设定值时停止饮品的注入，直到温度再次达到设定值时，再开始饮品注入，当无需饮品制冷时，只需在控制面板将饮品制冷开关关闭即可。

使用保温装置进行食品保鲜时，先将控制面板上的温度设置于20℃以下，此时保温装置内的制冷设备开始制冷工作，当红外测温装置检测到保温装置内的温度低于控制面板上的设置温度时，制冷设备停止工作，当检测到温度高于设定温度时，制冷设备再次启动进行制冷工作，以使保温装置内的温度保持在设定温度范围。当使用保温装置进行食品加热时，先将控制面板上的温度设置于20℃以上，此时保温装置内的加热设备开始加热工作，当红外测温装置检测到保温装置内的温度高于控制面板上的设置温度时，加热设备停止工作，当检测到温度低于设定温度时，加热设备再次启动进行加热工作，以使保温装置内的温度保持在设定温度范围。当需要使用紫外杀菌装置进行杀菌消毒时，只需要将控制面板上的控制开关打开即可。

使用清洗装置对果蔬或餐具进行清洗时，可在控制面板上快速清洗、标准清洗和强力清洗三种模式中根据需要选择一种后，进水泵开始向清洗装置内注水，直到进水水位检测仪检测到水位达到设定值时，进水泵停止注水，之后超声波清洗模块开始工作，超声波可有效去除蔬果上的农药残留以及餐具上的污渍，在超声波清洗模块工作时间达到预设时间后停止工作，出水泵开始将清洗装置内的水排出，当出水水位检测仪检测到水位排尽之后，清洗装置自动停止工作。

[1]刘慧英,范宝山.基于STM32的多步进电机控制系统研究[J].测控技术,2010,06:54-57.

[2]谢玲,汤广发.半导体制冷技术的发展与应用[J].洁净与空调技术,2008(1)

[3]李国超.轴承超声波清洗技术的研究与应用[D].大连理工大学,2006.

姜俊鹏（1996—），福建南平人，大学本科，中级电工。

吕杰（1974—），宁夏银川人，讲师，主要研究方向：计算机控制系统，智能控制。

张翠玲（1971—），安徽砀山人，副教授，主要研究方向：电力系统故障诊断，电子电路分析。

马俊涛（1983—），宁夏石嘴山人，讲师，主要研究方向：传感器检测技术。

唐玉鑫（1994—），湖北宜昌人，大学本科，电子设计助理工程师。

王飞（1995—），安徽宿州人，大学本科，中级电工。