基于STC89C52的智能储筷装置的设计

史建伟

(太原工业学院自动化系，山西 太原 030006)

0 引言

随着物联网、大数据、人工智能的快速发展，自动化技术正在改变着人们的日常生活。“民以食为天,食以安为先”，而筷子作为中国人最主要的进餐用具，它的存储一直备受人们的关注。最初，筷子主要存放在筷筒中，然而随着气温的变化传统筷筒在防潮防霉等方面存在很多问题。一方面，未及时干燥处理的筷子在潮湿的环境容易滋生金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、黄曲霉素等细菌或者霉菌，用餐之后容易引发感染性腹泻、呕吐等消化系统疾病，甚至有诱发肝癌的风险，给人们日常生活带来了许多的安全隐患。另一方面，在人员比较密、通风不畅的环境、空气中的微生物、飞沫、悬浮颗粒四处流动，极易吸附在潮湿的筷子表面，筷子的卫生难以得到保障。因此，为了筷子的使用更加卫生方便，对筷子的存放提出了更高的要求[1,2]。

目前，许多研究团队、生产厂商设计并生产了多种类型的存储筷子装置。现有的筷子机多采用按键形式取筷，且筷子在存储状态有一部分暴露在空气中，虽然筷子一端进行干燥、消毒处理，但另一端处于污染状态，尤其在公共就餐场合，筷子卫生难以得到保障[3,4]。本文以低成本、高卫生标准为设计原则，以STC89C52作为主控制器，设计一款密闭式储筷、感应取筷的智能储筷装置，在保证消毒、干燥等常规功能基础上，极大改善了筷子存储过程中的卫生质量。

1 方案设计

1.1 需求分析

普通的筷子消毒机在无人使用的情况下，筷子一端会长期暴露在空气中，虽然方便了人们拿取筷子，但是也给筷子造成了不必要的污染。另外，现有筷子机需要通过开关或者按钮给一个出筷指令，然后手动抽取筷子。在公共餐饮场合，多人就餐情况下，这种手指—按钮式(或者触摸式)开关—筷子出筷模式会使得出筷装置成为传播病毒、细菌的媒介，有可能造成多人交叉感染。除了筷子机，消毒柜也是存储筷子的常用方式，虽然密闭式消毒柜消毒效果较好，但不具备自动出筷功能，每次使用筷子时，需要打开消毒柜门手动取出，而每开一次柜门，就会使得柜内外空气形成对流，降低消毒柜内的温度，影响消毒质量和效果，过多的开门次数也会缩短消毒柜的使用寿命。为了提高筷子卫生质量，同时使筷子的拿取更加方便，将上述两种储筷装置的功能融合，通过感应装置，实现自动出筷的功能，在不影响设备内消毒效果的同时完成出筷，使得筷子在拿取时更加的方便、快捷。综上分析，本文设计一款智能储筷装置，主要功能包括：1) 消毒功能；2) 烘干功能；3) 密闭式传动功能；4) 感应式取筷功能。

1.2 系统控制方案设计

基于以上需求，本设计针对储筷装置进行了智能化设计和结构设计。智能控制方面，采用STC89C52单片机作为主控芯片，通过单片机控制紫外消毒灯和风机风扇实现消毒功能和风干功能。为了避免筷子存储时暴露于空气，同时避免手与储筷装置之间接触，整体结构采用封闭式存储，筷子储存于箱体内部，当有人前来取筷子时，装置的红外感应模块接收到感应信号，并通过单片机控制步进电机将筷子传动到外部。储筷装置系统控制方案如图1所示。

图1 系统控制方案

1.3 系统结构方案设计

智能储筷装置，在整体结构设计上除了考虑密封性之外，还需要考虑电路安装问题。该装置的箱体结构分上、下两层，上层为筷子的储存结构以及各个功能模块(消毒设备、风机风扇、感应模块)，下层是装置的控制单元，中间由绝缘性良好的亚克力板隔离，可以防止筷子在清洗后，残留水份不慎滴入下层控制单元，造成线路短路，同时还有效避免传统储筷设备长期暴露在空气中的问题。

为了能够尽可能地节约出筷装置的使用空间，根据筷子圆形的结构，设计采用由步进电机带动圆型的滚筒实现出筷功能。滚筒一侧带有方形挖孔，方便筷子进入滚筒，在步进电机带动滚筒转动时，滚筒上方的筷子会掉入滚筒中，随着步进电机的转动，滚筒开口处由上到下，由内到外，筷子由于自身重力的原因，会掉落到下方的凹凸槽中，从而实现装置的自动出筷功能，同时保证了装置的密闭性，具体传动滚筒装置如2图所示，储筷装置的总体结构布局如图3所示。

图2 传动滚筒结构设计

从装置放筷处的开口能清楚地看到它的俯视图，俯视图左侧①是风扇模块，清洗后的筷子在放入自动出筷装置后通过散热风扇加速风干，实现筷子的快速烘干；俯视图下方阴影③为紫外线消毒灯，在筷子烘干之后，可以对储筷装置内部进行定时的杀菌、消毒，尽可能地保证装置内部的卫生；俯视图右侧②是红外感应模块，当有人前来取筷时，快速将信息传输给主控单元。

图3 储筷装置结构设计

从侧视图看，筷子④由于受到自身重力的影响，会向左侧倾斜、滚动，当步进电机驱动带有挖孔的滚筒转到上方时，筷子会掉入下部滚筒的方形挖孔中，之后电机继续转动，当转到侧视图位置时，筷子在重力的作用下，筷子将会掉入左侧凹凸槽⑥中，至此出筷功能完成，电机将转回到上方等待下一次命令。另一方面，在主视图的下方也有一个红外感应装置，它能准确地识别出筷过程是否成功，如果出筷成功，步进电机将无法进行下一次转动，直至前方筷子取走后，才能进行下一次取筷操作。

2 系统硬件设计

系统硬件电路由STC89C52单片机最小系统及外围电路构成，主要包括感应模块电路、消毒模块电路、烘干模块电路及传动模块电路。其中，单片机最小系统由电源电路、晶振电路以及复位电路构成，这里不再介绍，下面主要介绍单片机外围电路的硬件设计。部分电路连接如图4所示。

感应模块主要实现人体检测，及时感应是否有人前来取筷。常用于人体感应的传感器由热电式和光电式两种，其中光电式传感器具有检测范围广、响应速度快、能耗小、成本低，更适合本实验的需求。该装置采用模块化的光电式传感器，减少了接线端及相应数据处理过程，提高了集成度和稳定性。传感器属于三端器件：接地端、电源端和数据端，其中数据端与单片机P2.2引脚相连。

储筷装置通过紫外线辐照筷子实现消毒。当紫外线积累到一定照射量时可以破坏微生物机体细胞中的中枢DNA和RNA的分子结构[4]。本设计采用功率最小的4W直管型紫外线消毒灯，消毒灯模块引脚主要用到接地端、电源端和数据端，其中数据端与单片机P2.1引脚相连。

图4 部分电路连接图

为了使筷子在清洗之后能及时的干燥，防止霉菌生长，装置内设计烘干模块。本设计采用自然烘干形式，辅以小型散热风扇加速空气流动，提高烘干效率，在保证除去筷子多余水分的同时，避免了传统加热干燥在对木制品受热过程中容易导致筷子弯曲、变形，造成使用上的不便。风机风扇的工作电压为12V的直流电，功率1.2W，在保证风量的同时，选用0.18A的电流，保证风扇运行时处于静音状态，减少噪音污染，更加贴近人们的日常生活。模块化后的风机风扇将空脚悬空，除了电源端和接地端外，将数据端与单片机P2.6引脚相连。

储筷装置通过步进电机带动滚筒的转动实现出筷功能。结合装置控制特点，选用结构简单、成本较低的28BYJ-48永磁式步进电机。由于步进电机工作时需要一定的工作电流，而控制器的输出电流较小，不足以驱动步进电机，所以在使用时需要设计步进电机驱动的驱动电路。本设计外加L298驱动模块进行驱动信号放大，将单片机的引脚P0.0-P0.3与驱动模块1-4引脚连接，再将驱动模块13-16引脚与步进电机输入M1-M4连接，经过L298驱动进行信号放大之后输出到M1-M4上。

3 系统软件设计

储筷装置的系统程序设计采用总分的设计思想,主函数由初始化程序、定时烘干程序、定时消毒程序和出筷程序组成。系统主函数流程如图5所示。

图5 系统主程序流程

系统上电后，执行初始化程序，待筷子放入储筷装置后，调用烘干子程序定时开启或者关闭继电器，进而控制风机风扇通断，实现定时烘干功能；之后，调用定时消毒子程序，开启紫外消毒灯对筷子进行定时消毒；接下来，系统进入等待状态，当光电传感器感应到有人前来取筷时，出筷子程序开始执行，控制步进电机工作，传动装置将筷子从箱体内部传送到箱体外部，出筷工作完成后电机自动归位，保证储筷箱体内外的密封性。将上述算法经采用C语言编写程序，使用Keil软件进行编译，并将编译文件烧入单片机，经过系统调试运行后，可实现预设功能，满足设计要求。

4 总结

本文从卫生、健康、节约成本的角度出发，以STC89C52单片机为主控制器，结合相应的外围检测电路，设计了一款智能化的储筷装置。该装置将筷子存储于密闭的箱体内部，可对筷子进行烘干、消毒。当有人前来取筷时，通过远程感应开启筷子传动装置，将筷子从箱体内传送至箱体外，取代了传统的按键式或者触摸式开关的储筷装置，避免交叉感染的风险。装置成本较低、功能可靠，可用于家庭、公共餐厅、餐馆等场所，具有一定的实用价值。