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家庭自動炒菜機設計
隨著科技的發(fā)展，人類的勞動力不斷被解放，取而代之的是一些自動化、智能化的機器。如洗衣機，讓人們不在手工洗滌衣物，減輕了人力負擔。因此，我們可以預知：未來將會有更多的智能機械走進我們的生活，提高我們的生活質(zhì)量。因此，我研發(fā)了一臺自動炒菜機，減輕人們在廚房的勞動。
1本課題來源及研究的目的和意義
1.1本課題的意義
在CAM中，我們只要將編程代碼輸入數(shù)控機床、加工中心，裝載上毛坯，便可自動的完成零件的加工。所以：將食譜編成相應的代碼，輸入自動炒菜機，加上相應的菜，便可自動炒出可口的佳肴。自動炒菜，無人值守，省時省力。可以很方便的做一些自己不會做的菜肴，更適合不會做飯的人群?？蛇B接計算機、手機、短信等，實現(xiàn)遠程控制，縮短就餐準備時間提高人們的生活效率。代碼采用宏錄制，方便儲存、交流。
1.2本課題所涉及的問題在國內(nèi)（外）研究現(xiàn)狀及分析
經(jīng)過在網(wǎng)上搜集關于自動炒菜機信息，發(fā)現(xiàn)最多的就是一款已經(jīng)商品化的自動炒菜鍋。其信息如下：全自動炒菜機，是現(xiàn)在科技產(chǎn)品，由農(nóng)業(yè)科學研究院多位教授和國外多名專家歷時五年時間，經(jīng)過數(shù)千次實驗，成功研制出新一代微電腦操控智能烹飪設備，設備主要是方便，簡單的操作，無油煙。
全自動炒菜機是一臺采用專業(yè)烹飪程序模擬技術，無需人工看管，將準好的主料、配料、佐料全部一次性投入，設定程序后，自動熱油、自動翻炒，自動控制火候，無需經(jīng)驗即可自動烹飪的一臺智能化設備
此類自動炒菜機的原理差不多，都是先將食材調(diào)料一次性放入封閉的鍋體內(nèi)，然后加熱直至炒熟。與我們平常人工炒菜的過程有很大的差異。
此次研究設計的炒菜機是烹炒的中國菜系。由于飲食習慣的原因，其他國家很少做中國菜，所以自動炒菜機在其他國家的研究很少。因此基于全程模仿人工炒菜的自動炒菜機，屬于科研的處女地，一次研究意義極大。
1.3對課題所涉及的任務要求及實現(xiàn)預期目標的可行性分析
首先要完成產(chǎn)品的功能設計，產(chǎn)品能夠炒什么樣的菜：預計可炒普通家常菜，如酸辣土豆絲，蘑菇炒肉，木須肉，魚香肉絲，等等
能炒多少菜：本設計應用于家庭，因此設計大小為五口之家的菜量。鍋體直徑約為40cm，深10cm容量約為5升左右。
炒菜的自動化程度：全過程采用單片機控制，開始需把食材放到指定的菜盒，保證所需的調(diào)料盒里有充足的調(diào)料，輸入指定的代碼，插上電源便可開始自動翻炒，全過程無人值守。
炒出菜的味道：由于炒菜機經(jīng)過標準化，而且電源電壓，調(diào)料，食材等均能保持一致，所以自動炒菜的工程能完全模擬代碼錄制時的場景，條件，因此理論上會炒出很完美可口的菜肴。但是由于各個條件有些細微的差別，如食材的老嫩，調(diào)料的細微差別，會有一些不足之處。由于代碼可以根據(jù)個人口味修正，甚至在炒菜的過程中人工控制一些參數(shù)。所以，可以在很大程度上得到修正。
1.4本課題需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路
加熱：采用市場成熟化的電磁加熱，只需內(nèi)置電磁加熱盤即可。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡便，調(diào)溫幅度大且調(diào)節(jié)簡單，只需改變電壓便能調(diào)節(jié)溫度。
鍋體：采用不銹鋼可分離式。優(yōu)點：方便清洗，便于湯類菜肴的盛放。
加料體：調(diào)料的種類很多，可分為液體類，如食用油，香油，麻油，水，醬油，醋等。粉末類，如食鹽，味精，勾芡粉，雞精等。顆粒類，如花椒，八角等。但這三類都可以用同一裝置來實現(xiàn)加料。加料體原理類似于播種機的下種機構(gòu)，利用帶有盲孔的旋轉(zhuǎn)體的不斷旋轉(zhuǎn)，控制加料的量。三種狀態(tài)的調(diào)料可以通過盲孔直徑的大小來實現(xiàn)加料。通過回轉(zhuǎn)的圈數(shù)來實現(xiàn)加料的多少。旋轉(zhuǎn)采用小型步進電動機控制。
加菜：一般的菜肴需要若干種食材做成。如西紅柿炒雞蛋，需要雞蛋，西紅柿，蔥花三種。因此本設計有三個加菜的菜盒。一個為主菜盒，另外兩個為副菜盒。菜盒采用翻轉(zhuǎn)方式放菜，結(jié)構(gòu)簡單、可靠。旋轉(zhuǎn)同樣采用小型步進電動機。
翻炒：通過一個可旋轉(zhuǎn)的攪拌體代替人工的翻炒。攪拌體可升降，也可做旋轉(zhuǎn)運動。均由小型步進電動機控制。其中上下升降采用齒輪齒條副來實現(xiàn)。
部件安排：把鍋和加熱體至于產(chǎn)品的中下方，類似于普通電炒鍋。將加料裝置，加菜盒整合在一個結(jié)構(gòu)上，通過控制改變各個部件與鍋口的位置，實現(xiàn)放料。
炒菜過程控制：本設計采用單片機控制整個炒菜流程，將整個流程整合成一種標準的文件，該文件可被個人pc識別閱讀，修改。亦能被機器所帶的單片機所識別，控制整個炒菜的流程。
控制代碼的生成：采用宏錄制的方式。在各個部件如加調(diào)料，加食材、加調(diào)料、翻炒等均設有手動按鈕。錄制時，按下控制面板上的宏錄制按鈕。由炒菜豐富的廚師通過各個控制按鈕，完成加食用油、加熱、加調(diào)料、加食材、翻炒等整個炒菜過程，類似于普通的炒菜。此時單片機會自動記錄下炒菜整個過程以及各個參數(shù)，并生成對應的代碼文件，以供使用。此代碼由于標準化，因此有很強的互換性，可以發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上。論壇里分享，代替普通的文字食譜，因此菜譜來源廣泛。
1.5完成本課題所必須的工作條件及解決的辦法
加調(diào)料條件：保證加料準確，不加錯料。每個加料器必須有固定的位置，不能裝錯，并由標簽供人識別。然后需要加料量保證準確，需要使得加料機構(gòu)工作狀態(tài)良好，可靠性高。
人際交換條件：盡可能的使得操作簡單化、方便化、傻瓜化。加入獨創(chuàng)的宏錄制方式，使得整個過程十分簡單易懂。
2家庭自動炒菜總體結(jié)構(gòu)
自動炒菜機主要組成部分：加菜部分、加調(diào)料料部分、鍋體、攪拌裝置等部分組成。
整體組成如圖2-1所示：
圖2-1 炒菜機結(jié)構(gòu)圖
2.1加菜部分
由兩個小菜盒負責裝輔助菜，或者是量比較少的菜蔬，和一個大得菜盒負責放主菜蔬。
通過小型步進電動機，控制菜盒的反翻轉(zhuǎn)，從而讓菜蔬落入鍋內(nèi)，完成加食材的步驟。
2.2加調(diào)料部分
由一個帶有盲孔的轉(zhuǎn)體把儲料盒和下方加料口分開，當旋體旋轉(zhuǎn)至儲料口時，調(diào)料由于重力作用落入盲孔，旋體繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至出料口時，由于重力作用，調(diào)料從盲孔進入出料口，繼而落入鍋內(nèi)，完成加調(diào)料。
2.3鍋體
鍋體采用不銹鋼制成，屬于沖壓件。鍋體鑲嵌于炒菜機上殼，可拿下方便清洗。底下與加熱盤相接處，加熱盤采用市場常見的電磁加熱盤，利用渦流加熱，效率高。
2.4攪拌裝置
攪拌裝置分上下兩部分，上部分通過齒輪齒條副控制攪拌器的上下。下部分通過小型步進電動機控制攪拌片的旋轉(zhuǎn)。
3自動炒菜機的設計
由于本設計屬于機電一體化產(chǎn)品，且應用范圍屬于家用，所以對輕便性，靈活性都有較高的要求，故內(nèi)置電機選用小型步進電動機。具有控制精確、方便、成本低廉、輕巧等特點?？刂茣r僅需要驅(qū)動電路即可完成復雜的運動。電機共5處需要。分別是：加調(diào)料器需要、主軸旋轉(zhuǎn)需要、攪拌器升降需要、攪拌器旋轉(zhuǎn)需要、菜盒翻轉(zhuǎn)需要。
3.1加調(diào)料器電機選擇
加料器組成如圖3-1所示：
圖3-1 加料器結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)資料得主軸的轉(zhuǎn)速在 120轉(zhuǎn)/分，扭矩由摩擦力構(gòu)成，由于加料器旋體較小，因此扭矩需要6~8N·cm。綜上，符合條件的步進電動機有三個如表3-1：
表3-1 電動機的型號和技術參數(shù)及傳動比
方案
電動機型號
額定
功率P/mW
堵轉(zhuǎn)扭矩
N·cm
最高轉(zhuǎn)速
r/min
效率（%）
電動機重量（g）
功率因數(shù)
1
28BYJ48
50
80
150
84
45
0.85
2
39BYGH361
300
150
260
82
180
0.86
3
39BYGH362
80
120
500
79
150
0.79
綜上，28BYJ48在功率因數(shù)和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩等方面符合我們的要求。
3.1主軸旋轉(zhuǎn)需要電機選擇
主軸旋轉(zhuǎn)部分如圖2-2所示：
圖3-2 主軸旋轉(zhuǎn)部分
主軸上方物料最重為3kg、即30N。查《機械課程設計手冊》表1-7得滾珠球軸承效率為0.99。
故摩擦損耗為0.01，故摩擦力F=0.01x10N=0.3N。由于平均半徑為25cm。
故要求電機轉(zhuǎn)矩為T=25cmx0.1N=2.5N·cm。由于要求旋轉(zhuǎn)要有足夠的加速度。把上方需要轉(zhuǎn)動的抽象成圓柱體，故由公式G·D·D=j·ω·ω得出T`=13.8N·cm。為了防止轉(zhuǎn)速過快導致菜盒中食材灑出，故轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速約為70r/min即可。
綜合電動機的質(zhì)量，效率選用39BYGH361步進電機電機即可。
3.2攪拌器升降電機選擇
攪拌器升降裝置組成如圖2-3所示：
如圖3-3 攪拌器上下調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)
通過計算得出攪拌器下方總重約為0.4kg。通過查閱《機械設計課程手冊》表10-4得在一般非經(jīng)密機械的齒輪傳動時，齒數(shù)應大于等于10。限于尺寸原因，我們暫定齒數(shù)為12、模數(shù)為1。則齒輪半徑為r=6mm。則所需扭矩為T=0.6cm·4=2.4N·cm。綜上，我們選擇28BYJ48型步進電動機。運動速度要求10s內(nèi)完成15cm的往復路程。當步進電動機最高速轉(zhuǎn)動時，v=2ωrx=2.2cm/s，故滿足條件。
3.2攪拌器旋轉(zhuǎn)電機選擇
攪拌器旋轉(zhuǎn)裝置組成如圖2-4所示：
圖3-4 攪拌器旋轉(zhuǎn)裝置
由于所翻炒的食材用量、品種不同。所以我們選用最難翻炒的塊狀食品做為所需力矩最大的情況，預計約T=D·F=60cmX2N=120N·cm。轉(zhuǎn)速為50r/min即可。
綜合上述原因，故選用39BYGH361型步進電動機。
3.2菜盒翻轉(zhuǎn)電機選擇
菜盒翻轉(zhuǎn)裝置組成如圖2-5所示：
圖3-5 菜盒翻轉(zhuǎn)裝置
當菜盒裝滿液體時，質(zhì)量最大，約為0.8kg。由于翻轉(zhuǎn)時始終處于平衡狀態(tài)，故所需力矩并不很大，因此選擇28BYJ48型步進電動機。
4各部分功能的實現(xiàn)和分析
4.1加調(diào)料部分
通過小型步進電動機控制帶有盲孔的轉(zhuǎn)體，通過盲孔在儲料箱和出料口的不斷交換，達到加料的目的。加料數(shù)等于旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和盲孔體積的乘積。通過控制步進電動機的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，可以控制調(diào)料的量。如圖4-1所示：
圖4-1 加料器
其中調(diào)料分三種：液體類（花生油、香油、水醬油、醋）、粉末類（白砂糖、花椒粉、鹽）、塊狀類（花椒、八角）。但這三種調(diào)料都可以通過盲孔的交換位置達到加料的目的。因此統(tǒng)一采用同樣的加料器加放調(diào)料。每個調(diào)料的位置都是固定的，不可交換位置。
4.2加菜部分
由于一種菜肴需要一種或多種食材，因此，自動炒菜機配備了一個主菜盒，和兩個輔菜盒。如圖4-2所示：
圖4-2 菜盒
菜盒通過步進電動機的旋轉(zhuǎn)，帶動飯盒的翻轉(zhuǎn)，將食材翻下至鍋里。菜盒采用不銹鋼沖壓成型，通過U型口直接和步進電動機相連。特點就是簡單可靠、穩(wěn)定性好、易于控制。
4.3翻炒部分
加入菜之后需要不斷翻炒使得食材受熱均勻并防止粘鍋。翻炒采用與鍋體貼合的不銹鋼片不斷的旋轉(zhuǎn)。翻炒的旋轉(zhuǎn)部件和步進電動機直接通過定位螺釘相連，使得結(jié)構(gòu)簡便。同時步進電動機的易控制性使得在翻炒時可以采用多種方案。如圖4-3所示：
圖4-3 攪拌器
由于翻炒時翻炒器是在鍋體內(nèi)，當需要加調(diào)料時、或者是需要把鍋拿出清洗時，翻炒器需要離開鍋體。因此，采用齒輪齒條副來實現(xiàn)翻炒器的上升和下降。
4.4鍋體加熱部分
由于不同的菜肴需要的火候不同，因此熱源采用電磁加熱。通過電磁原理在不銹鋼鍋體內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而使得鍋發(fā)熱.如圖4-4所示：
圖4-4 加熱源
由于采用電能加熱，因此溫度可控性好、且升溫較快、效率較高。
4.5各功能串聯(lián)結(jié)點
通過一個可旋轉(zhuǎn)的支架，把加料器、飯盒、攪拌器連接在一起。如圖4-5所示：
圖4-5 支架
通過步進電動機控制，使得每個部件能夠在適當?shù)臅r候到達相應的位置。
5控制部分
5.1步進電動機驅(qū)動
自動炒菜機使用兩種小型步進電動機28BYJ48和39BYGH362。這兩種需要的驅(qū)動芯片為：
ULN2003電機驅(qū)動模塊：如圖5-1所示：
圖5-1 驅(qū)動模塊
ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅 NPN 達林頓管組成。
ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個 2.7K 的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與 TTL 和CMOS 電路
直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。
ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA ，并且能夠在關態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。
ULN2003采用DIP—16或SOP —16 塑料封裝。
5.2驅(qū)動控制子程序
接線方式:
IN1 ---- P00
IN2 ---- P01
IN3 ---- P02
IN4 ---- P03
+ ---- +5V
- ---- GND
*********************/
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define MotorData P0 //步進電機控制接口定義
uchar phasecw[4] ={0x08,0x04,0x02,0x01};//正轉(zhuǎn) 電機導通相序 D-C-B-A
uchar phaseccw[4]={0x01,0x02,0x04,0x08};//反轉(zhuǎn) 電機導通相序 A-B-C-D
//ms延時函數(shù)
void Delay_xms(uint x)
{
uint i,j;
for(i=0;i
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