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小家电

客户成功故事与项目成功案例

智能洗碗机控制板开发设计


从原始的刀耕火种到现在的信息社会,科技给人类社会发展带来了无比强大的推动力。小到电子芯片、大到航空航天,其中涉及的设计理念无不凝聚着人类的智慧。随着现代人生活品质的提高和生活节奏的加快,对以功能化、人性化为导向的产品需求不断增大。例如,如何在一次家庭聚餐后,方便快捷地将杂乱无序的厨房恢复整洁。无疑,自动洗碗机是一个省时省力的选择,但是,通过调研发现,国内的洗碗机在一线城市家庭的渗透率还不足1%。与手洗相比,洗碗机在餐具清洁度、耗水电量、清洁剂使用量等各项指标中均有明显优势,但市场上现有的洗碗机大多为大型餐厅而设计,适用于家庭日常使用的寥寥无几。基于此,我们设计了一款集清洗、消毒、储存功能为一体的智能洗碗机来满足家庭需求。

一、智能洗碗机设计来源

目前,市场上已有的应用于餐饮领域的全自动洗碗机主要有以下几种分类方式。从工作方式上分为蓝传式全自动洗碗机和履带拔齿式全自动洗碗机两种。蓝传式全自动洗碗机的整个操作过程相对比较麻烦。而履带拔齿式全自动洗碗机虽然操作起来相对方便快捷,但其体积大、质量重,不适用于家庭。从工作原理来分,可分为超声波全自动洗碗机和增氧式全自动洗碗机两种。其中,超声波式洗碗机越来越被广大客户所接受,但其具有较多缺点,如噪音大、费电、机器造价高。而增氧式全自动型被客户接受的主要原因是其造价低、省电,但清洗的干净程度没有超声波全自动洗碗机高。分析市场上已经投入应用的洗碗机及其工作原理不难发现,这些大型洗碗机都各有各的利弊。而我们将这些洗碗机的流程精细化、模块化,并不断弥补其不足,加入笔者自己的创意,设计并制造出了应用于家庭厨房的全自动洗碗机。

二、智能洗碗机运行原理

智能洗碗机的主要功能有清洗、消毒、储存,针对不同功能特性,我们设计了不同结构的机械模块,并将这些机械模块整合在同一套系统中,相互配合,以达到预期目的。

洗碗机主体为圆柱状,圆柱体内部配备一根电动机带动的中心轴,各个机械模块均匀分布在中心轴周围。底座的电动机可驱动中心轴的转动使各模块旋转至相应位置。圆柱体侧面为自动柜门,可供输入使用过的餐具及输出清洗干净的餐具。从这里,洗碗机的工作就开始了,首先是安装有压力传感器的置物仓,把使用过的餐具放入其中时,压力传感器检测到有物体进入,便将此信息传入洗碗机顶部的中心电脑,电脑得到信息后传递给底座,底座电动机接受指令关闭柜门。然后,置物仓被旋转到清洗区,前期会有高压水流冲洗掉餐具上的污物,之后由两支高纤维材料合成的毛刷携带清洁液对餐具进行中期洗涤。末期仍会有高压水流冲洗中期残留的清洁液和污物,并由颜色传感器识别餐具表面光亮程度。检验合格后,置物仓紧接着被转换进消毒区,这里我们采用紫外线杀菌技术在30min内破坏及改变微生物的DNA结构,使细菌当即死亡或不能繁殖后代,以达到杀菌的目的。

在这一系列程序运行完成后,处理过的餐具将被传入存储区放置待用,而通过储存区的湿度传感器及干燥装置保证餐具干燥、清洁,并防止滋生细菌。

在安装方面,我们的洗碗机根据家庭厨房布置及个人爱好,被设置为半嵌式与全嵌式两种,尽可能地缩小占地面积,也更自然地融入厨房中。

三、洗碗机的智能互联功能

除此之外,我们还加入了家居互联功能,家居互联通过手机终端与洗碗机链接,让洗碗机在各个使用环节都变得更加智能和人性化。在使用前,用户可以通过手机上的“家居互联”应用程序迅速了解洗碗机的各项功能,还可以观看教学视频快速掌握洗碗机的正确操作和保养方法,免去翻看说明书的麻烦。比如,视频会指导用户在洗碗机中正确摆放餐具、调整碗篮,让每一次洗涤都不留死角。在安装后日常应用中,家居互联也会带来更多舒适与便利。例如,周末午餐后,若家中老人孩子有午睡习惯,即使用户出门在外也可远程将洗涤模式调整为更安静的“夜间洗”,让家人安心休息。洗碗机主机可以根据洗碗机内部传感器所获知的碗碟重量、脏污程度等信息推荐最适合的洗涤模式。此外,其装备的家电智能水系统能根据餐具类型和污浊情况调节水质硬度、洗涤温度、冲刷的角度及力度,让清洗效果更为显著,并延长餐具的使用寿命。

四、洗碗机的核心构件

促进这套装置运行的有温度、湿度、压力以及传感器、电机、紫外线杀菌装置等执行构件,但最重要的是位于储物仓顶部的由乐高EV3主机编排构成的中央处理模块,这里储存着编排妥当的各个程序,主机接受到各个传感器发出的信号后进行处理并发出指令到下一模块使之运行。这一中央自主收发过程精确有序,保证了整部洗碗机的全自动性。

本洗碗机的设计充分满足了工薪阶层“解放双手”的家庭劳务需求,虽然目前洗碗机对中国家庭来说还是一个相对较新的产品,但由于其性能优异,必将被大众认知,从而成为继冰箱、彩电、洗衣机之后的又一家用电器热点。此外,对这套多功能洗碗机的后期优化,主要集中在尺寸、容量方面,而低碳环保材料的实用也会极大提高其环保性,进而成为大型餐厅的优选。

随着科技文化的进步,广大的人们对于物质追求的目标也逐步的提升,以往的实现途径和传统的实现方法在科学的支持下已经逐步落后,在国外,以发达国家为主要代表的美国当前已进入“新硬件”时代。在国内,“互联网+”的逐步探索与实现也将引领人们前往一个更加智慧的时代。社会由很多的部分组成,而在生活中,餐饮是满足人们基本需求必不可少的项目,而对于餐具在清洁中存在的效率低、麻烦等问题一直困扰着广大餐饮经营人员和家庭成员。对此,广大科研技术人员采用电子技术发明了一系列的洗碗机。洗碗机在发达国家的洗碗机较为普遍,而国内的使用情况相对滞后,究其原因有以下几点:(1)价格高;(2)耗电量大;(3)使用不方便;(4)占用空间大等。该文还阐述了当前洗碗机的类型(喷嘴式、水洗式、叶轮式及超声波式等)。洗碗机能够解放人们的双手,其使用价值十分的显著,本文就所设计的蒸汽-空气洗碗机进行阐述。

五、洗碗机控制模块介绍

随着单片机的逐步升级,人们基于单片机能够开发出很多具有实际应用价值的事物,文中所述的洗碗机其中央处理器为STM32开发板及相关构建(电源模块,电机驱动模块、开关控制模块等)。STM32开发板来自于ARM公司产品内核,其性能高、功耗小、代码开源及价位区间合理。同时,该开发板接口多,扩展性能好,能够满足广大的研发人员的设计需求。本文的设计就是建立于该单片机之上,并在该中央处理器之上构设了一些类的外界控制模块。

六、洗碗机设计整体思路

为进行洗碗机的设计,需要从装置元素构成、框架结构及运行流程上考虑设计的思路,对此文中设计,其相应的设计思路如下。

(1)在洗碗机所包含的装置元素上,经换算,在60℃的高温环境中,蓖麻油在一般附着物上的粘滞阻力是26℃时的1/8,对此,设计中的内置环境用是高温环境,这样相比在常温下的清洁更容易节省水资源和清洁剂。因此,设计中包含有蒸汽发生装置以生成高温的环境;而在高温环境中,要对碗具有所清洗,对此,应当包含能够产生高压水汽或水流对碗具等进行喷淋;喷淋的同时还应当包含对碗具的刷与抹,这就需要带有清洁布或者清洁刷子的机械清洗装置;而当前人们呼吁节能减排,发展低碳经济。故对于初步清洗所产生的水进行收集与过滤,对此,过滤装置必不可少,过滤出来的水还可在一定程度上重复利用。综上,文中的设计包含以下几个部分(图1)。

洗碗机的构件与工作流程

(2)在洗碗机的硬件系统框架结构上,文中设计是基于STM32单片机所开发的,该单片机的性能卓越,能够作为该洗碗机的系统的中央处理器,以控制其他模块,而系统的运行需要能源,气泵的运作需要电机,气压的存储与稳固需要一定效用的阀门。因此,文中设计需要以下模块:STM32中央处理器、电源供给模块,电机驱动模块、开关控制模块。

(3)在洗碗机洗碗的整体流程上,笔者认为,应首先将碗具放置在清洁格子当中,进而让蒸汽发生室运行以产生蒸汽,进而使所产生的蒸汽进入到清洗的部分当中,这各过程需要电热元件的工作,已完成对水的快速加热和蒸汽,进而在清洁的格子之中产生所需要的高温。在蒸汽发生室产生高温蒸汽的同时,气压缓冲室应有空气的输入以产生所需要的空气压强。当清洗格子中的温度满足所设定的阈值时,控制开关就可以打开缓冲室与清洗格之间的电磁阀,进而利用水雾喷头喷出高压水汽及机械清洁设施对厨具进行冲洗和刷抹。在该进程中,所产生的污水通过自我流动进入到污水收集装置进行初步过滤,通过蒸汽发生盒所自带的蒸馏功能,过滤后的水可再次进入蒸汽发生盒继续产生蒸汽和重复利用,但清洁次数过多时,清洁水会变的很脏,此时可以更换新的水资源,污水也应当进行处理,不能随意排放。综上,文中设计的运行流程图如上(图2)。

七、洗碗机方案设计的实现

经过以上的设计思路,需要对所设计的洗碗机进行详细的规划,其设计的过程包含多个环节,限于版面,本文就以下两个具有代表性的环节进行阐述。

(1)洗碗机的结构设计。按照上文的设计思路,该洗碗机的主要组织空间有如下内容:①气泵、②气压缓存室、③清洗格、④过滤槽及⑤蒸汽发生室组成。

(2)洗碗机高压水汽喷淋装置的设计。本文中的设计要在高效清理碗具的同时达到节约水资源的效果。因此,需要利用到具有较高效用的气雾喷头,以达到厨具进行冲刷和节水的效果。所设计的气雾喷头有两个接口,其中的一端需要连接到具有一定高压的气体存储和保压装置,另一端连接到所用的蓄水装置,该装置通过所设计的调节旋钮组元来调解所喷出气雾中的水与气的比例。

在高压气体生成和保压的装置中,由气泵抽取外界空气进而向气压缓存室中输送气体,气压缓存室的效用在于产生和储存高压气体。此时的气压传感器一直对气压缓存室中的气体压强进行实时监测,当监测到的气压数据低于某阈值时,气泵将向内部传输空气,以保证空气压强的平衡,而当气压达到某阈值时,气泵停止工作,处于歇工状态。高压水汽喷淋装置设计不但能够达到一个较好的清洁效果,而且能够大幅度的减少水资源的浪费。

经测算,本文中的洗碗机的蒸汽功率为1756w;气泵功率为110w-193w;平均一次喷气功耗为0.0011Kwh,平均一次喷气耗水为1.5mL。

总结

本文通过阐述了洗碗机的意义和当前洗碗机的类型,国内外应用情况,进而对所设计的基于STM32开发板的集水汽冲刷为一体的洗碗机进行了较为详细的阐述。STM32单片机性能卓越,能够满足设计需要,所设计的洗碗机高效节能,倘若进一步包装完善及量产,能够为广大的需求者更多的解放双手。

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