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廚房電器

料理機方案開發設計

2020-03-21

料理機是在榨汁機的基礎上發展而來的,除了具備榨汁、打豆漿等基本功能外,還可以打肉餡,制作刨冰和果醬等。目前,市場上的料理機種類繁多,每臺機器的功能使用范圍也參差不齊。在料理機使用過程中,也存在諸多問題,如電機發熱、攪拌刀片故障和難于清洗等。料理機是家用小電器,使用快捷方便,深受消費者的喜愛,故家用果蔬料理機的設計和研究是目前榨汁機和料理機等家用小電器中的研究熱點。

一、料理機功能特點

1、料理機的實用性

家庭成員由于年齡段的不同,對營養的需求也各不一樣,同時個人的口味喜好也不盡相同。家用果蔬料理機要面向這些群體對果蔬進行處理,需要具有較為全面的實用性。

2、料理機的安全性

家用果蔬料理機的安全性包括使用的操作安全和環保健康的食品安全。操作安全主要是使用時機器的安全性和操作者的安全性,如使用時是否漏電,高速旋轉時是否過熱,對使用的操作者是否具有傷害等。食品安全則是食品接觸性安全,由于果蔬料理機榨出汁液后消費者要直接食用,食材在被加工時與料理機內壁和刀具直接接觸,所以料理機的材質要能夠滿足一定的食品安全要求,如材質可與食品直接接觸,不會引起人體有害成分的化學變化或析出有害物質,對食物的味道也不會產生任何影響,這樣才能保證食物的安全性。

3、綠色健康的料理機

綠色設計(Green Design),其內涵為在產品的整個生命周期內,充分考慮所生產的產品對資源和環境的影響,將產品的可回收性、可重復利用性、可拆卸性和可維護性等環境屬性設定為設計的目標加以重視的基礎上,確保產品的質量、功能、開發周期和使用壽命符合有關要求,對產品進行設計,做到對環境的污染降低到最低、對能源的消耗降到最小,零部件和產品能夠實現重新利用和再生循環。在果蔬榨汁機中的綠色設計體現在以下3個方面。

(1)動力系統。傳統食品機械依據液壓系統進行動力提供,存在噪聲污染和漏油污染等問題,甚至還會影響食品的品質。在綠色設計的引領下,用電力代替石油作為動力,開發新型能源如植物油、太陽能和天然氣等作動力。

(2)機器選材方面。在綠色設計的倡導下,選取低耗能、低污染、低成本、易于加工、易處理和易回收的耐腐蝕無毒便于拆卸清洗的材料,因為果蔬榨汁機生產的食物是讓消費者直接來食用的,食品質量關系到消費者的健康,所以選材要綠色。

(3)結構設計方面。要堅持綠色的理念做到易于裝配、制造和拆卸,在保證質量的前提下,盡可能地減少零件的使用數量,在裝配和制造過程中盡可能地做到清潔生產、減少環境污染,延長設備壽命等。

4、料理機提高營養成分

細胞破壁技術,就是利用酶解法、化學方法、物理方法或幾種方法配合使用使細菌細胞壁破裂的方法。以植物細胞為例,細胞壁分為3層,即胞間層(中層)、初生壁和次生壁。這樣一層層的厚壁使水分和營養物不能透過。細胞破壁技術就是通過打破植物細胞壁,使水分及營養更好地被吸收和保持活性成分的技術,釋放植物生化素,最大限度地融合其中的膳食纖維、維生素及其他營養元素。

以食物料理機為例,“破壁技術”料理機通過合理定制的超高轉速,在短短數十秒內徹底將食物攪碎至極細致,對食物細胞壁的擊碎率較高,可以打破果蔬細胞壁,釋放植物生化素,最大限度地融合果蔬中的膳食纖維、維生素及其他營養元素,擁有破壁技術的料理機所加工出的食材,營養成分可提高3~4倍,更易吸收。

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二、家用果蔬料理機設計方案

家用果蔬料理機以鮮榨時令果蔬為目標,主要對果蔬進行榨汁和破壁。果蔬榨汁機分為3大部分:動力來源的電機為原動機部分,提供不同速度的傳動部分和執行榨汁操作的切削攪拌部分。其工作原理為電機轉化帶來動力,變速裝置滿足不同速度的榨汁要求,利用不同的切削刀具或者混合攪拌裝置帶來不同的果蔬料理效果。根據使用情況的不同設置調速擋位,滿足不同果蔬的榨汁需求。以綠色設計為貫穿,以使用方便便捷、安全可靠為目標,結合果蔬破壁的營養技術,設計家用果蔬榨汁機的主體結構。

(1)多樣化料理功能。針對果蔬的不同特點,依據營養和便捷的料理方式,果蔬料理機提供了多樣化的果蔬料理擋位。有普通攪拌擋位、多汁液類果蔬擋位、一般果蔬擋位、破壁果蔬擋位和預留其他榨汁擋位。其中普通攪拌擋位,可以提供汁液的混合。破壁果蔬則是結合果蔬破壁技術的物理方法,使果蔬破壁,釋放更好的營養成分。

(2)方便清洗的可拆設計。在果蔬料理機的使用中,需要對機器進行全面的清洗。果蔬料理機的清洗是否完善,影響它的使用效果。針對料理機使用后難于清洗的特點,首先在料理機選材上要選擇使用食品級易清洗的材質,另外就是在結構設計上,采用可拆結構,易于沖洗和清洗。

(3)刀具的多樣化。針對果蔬處理品種的多樣性,增加配置不同的刀具,使料理機可以滿足常用果蔬的混合攪拌、榨汁和破壁等多種功能。另外,不同果蔬處理采用不同的刀具,也從根本上延長了刀具的使用壽命。

三、料理機方案設計思路

料理機以單片機為控制核心,結合防溢及防干燒溢出檢查電路,溫度檢測模塊、電源電路,加熱驅動電路模塊、報警模塊、電機驅動模塊,可完成各種鮮榨飲品的制作。

在該系統中,穩壓電路為整個系統中的不同外設提供系統需要的電壓,單片機需要檢測按鍵電路、溫度檢測電路、防溢和防干燒電路的輸入,同時要控制加熱電路、報警電路、步進電機電路和顯示電路這幾個模塊。加熱電路用來產生熱量對水和各種雜糧或干果的混合物進行加熱;溫度檢測電路用來檢測飲品的溫度,該溫度數據用于MCU對整個系統的決策;防溢和防干燒電路用來檢測系統的水位,以保證系統安全可靠的工作;按鍵電路作為用戶的輸入,報警電路用作系統異常時報警和提示;步進電機作為打漿的動力設備,實現粉碎材料的功能;顯示電路做人機交互使用,顯示工作模式,液位狀態及液體溫度,及其它相關研磨漿狀態。

1、防溢及防干燒模塊電路設計

由于料理機在工作的過程中有可能會發生溢出、干燒等情況,在這種情況下,如果機器還繼續工作,就會存在很大的安全隱患,嚴重時可能發生火災。因此需要對料理機的水位進行監測。水位監測及溢出電路的作用是以傳感器作為信息采集系統來控制料理機缺水時干燒及沸騰溢出等問題。

水位及溫度檢測電路采用探針模擬傳感器來檢測水位及沸騰溢出的情況,然后通過比較器輸出高低電平,這樣就可以通過單片機檢測比較器輸出電平的高低來檢測水位及沸騰時的溢出狀態;S1閉合時,給單片機一個高電平信號,表示豆漿溢出,開關打開時表示正常沒有溢出。同理,S2閉合時,輸入高電平表示干燒,開關打開時表示正常。當其中任意按鈕閉合,都會引起蜂鳴器報警,提示可以關閉電源了。

2、加熱模塊和磨漿模塊設計

加熱電路的作用是通過加熱管把磨成粉末的食材煮熟,本設計使用的加熱器功率為800w磨漿電路的作用是通過電機把食材拌成粉末。由于電機轉速很高,為了避免其連續工作容易造成損壞,本設計采用的是間歇性打漿的方式。加熱電路的工作原理是單片機發出信號,通過三極管Q2進行放大信號,然后啟動繼電器RL1,繼電器RL1獲得電流后吸附貼片,從而形成加熱電流回路,使加熱電路開始工作。打漿電路的工作原理是單片機發出信號通過三極管Q3對信號進行放大,然后啟動繼電器RL2,繼電器RL2獲得電流后吸附鐵片,從而形成打漿電流回路,使打漿電路開始工作。

3、電源模塊設計

電源模塊由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路組成。其中,電源變壓器TR1是將電網提供的220V交流電壓轉換成為各種電路設備所需的交流電壓;整流電路對次級輸出的交流電進行橋式整流,經過濾波電容的濾波輸入到7812穩壓芯片中去,從7812上出來的電壓經過濾波電容后就為12V直流電,該電壓供給步進電機和加熱電路,同時該電壓被輸入到三端穩壓器7805上,再濾波后就得到5V的直流電源,該電壓供給MCU和防干燒電路等外設使用。

報警模塊是由一個三極管Q1、一個電阻R5及一個蜂鳴器LS1所構成。報警模塊電路的工作流程就是當料理機工作完成時或是水位檢測不符標準時,單片機會根據P1口發來的高電平信號繼而向P1.5接口發出信號,并通過三極管Q1使得信號的功率被放大,最終使蜂鳴器報警發出通知。

當料理機煮漿過程中,由于溫度大,會使飲品中的酸性物質產生大量的泡沫,影響正常煮漿工作,為了不停止工作,節省大量時間,所以需要一個主動的消泡裝置。在電動機的主軸上按掛兩個金屬棒,金屬棒采用銅制的金屬材料,其導電性能優,并且在多次試驗下的數據表明,金屬棒裝設在防溢電極下面2.5厘米處,它的消泡效果最好,這樣就完成了主動消泡裝置的設計。

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四、料理機控制程序設計

1、料理機主程序設計

料理機的主程序是整個系統工作流程的控制和決策者,主要通過檢測水位傳感器、溫度傳感器的輸入,來控制步進電機、加熱器、顯示屏和蜂鳴器的輸出,從而達到使整個系統有條不紊運行的目的。主程序的流程圖如圖6所示,以豆漿為例。

從流程圖中可以看出,系統上電之后首先初始化相關外設,這些外設包括蜂鳴器、LCD顯示、加熱器、溫度傳感器等。在初始化外設完畢后,需要打開外部中斷0和外部中斷1,這是檢測飲品溢出和干燒的必要條件。之后系統會檢測水位異常情況,如果系統檢測到的水位過高或者過低,LCD上會提示用戶加水或者減水讓水位達到正常水平;若水位正常,系統會檢測用戶是否按下開始鍵,這樣做的目的是為了讓用戶對往豆漿機中加的水進行確認,在用戶按下了開始鍵之后,系統會檢測用戶是否通過按鍵選擇好了要制作飲品的濃度;濃度選擇完畢后,系統會根據用戶選擇的飲品濃度來給定一個打漿次數并把該次數寫入變量中去,之后開始加熱水到80度;在水溫達到80度后,系統會關閉加熱,開始控制步進電機正反轉動來帶動刀片打漿,打漿指定圈數后,系統再次將水溫加熱到80度,之后打漿次數變量減1,然后又關閉加熱,繼續打漿、加熱,變量減1……,這樣反復進行直到打漿次數變量減到0,說明豆漿制作完畢了,之后系統關閉打漿和加熱,然后LCD顯示打漿完成,蜂鳴器發出提示音。

料理機程序設計流程

2、料理機按鍵驅動設計

在本設計中,按鍵用來獲得用戶的輸入,主要表現為用戶水位的確認和豆漿制作模式的選擇。本設計使用的是獨立按鍵,其編程比較簡單,程序流程圖如圖7示。

從圖中可以看出,按鍵檢測函數最重要的一個部分就是去抖,這是因為假如有按鍵按下,理想的情況是直接從高電平跳躍到低電平,但是因為人手在按按鍵的過程中會存在抖動,或者說由于按鍵本身的特性,在人按它的過程中,或多或少的都會存在抖動現象,使得在按鍵按下的過程中,整個電平中會有很多抖動,所以如果不去抖,就會使得檢測到的按鍵狀態不正確,產生誤操作。一般情況下,按鍵在開始按到穩定大概需要5~10ms才能穩定,本系統加入的去抖延時為5ms。

總結

本文結合果蔬料理機的市場需求和使用功能,充分分析了家用果蔬料理機的使用市場需求目標。融合各種設計方法和設計思路,以實用、安全、綠色和營養為目標,設計出了一種能方便快捷地獲取果汁、清洗方便和使用安全的家用小型果蔬料理機。在果蔬料理機的主體結構中,增加多樣化料理功能的擋位設計,為方便清洗采用了局部可拆的結構設計,又對料理果蔬所用的刀具進行了多樣化處理,達到了家用果蔬料理機使用的目的。

介紹了一種基于單片機的全自動料理機的原理及系統軟硬件設計,該系統采用單片機作為核心控制器,運用電加熱原理和聲光報警等系統,可實現水溫加熱,飲品打磨,自動報警等功能以及良好的人機交互界面,具有使用簡單,穩定性好,功耗低等特點。

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