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厨房电器

料理机方案开发设计

2020-03-21

料理机是在榨汁机的基础上发展而来的,除了具备榨汁、打豆浆等基本功能外,还可以打肉馅,制作刨冰和果酱等。目前,市场上的料理机种类繁多,每台机器的功能使用范围也参差不齐。在料理机使用过程中,也存在诸多问题,如电机发热、搅拌刀片故障和难于清洗等。料理机是家用小电器,使用快捷方便,深受消费者的喜爱,故家用果蔬料理机的设计和研究是目前榨汁机和料理机等家用小电器中的研究热点。

一、料理机功能特点

1、料理机的实用性

家庭成员由于年龄段的不同,对营养的需求也各不一样,同时个人的口味喜好也不尽相同。家用果蔬料理机要面向这些群体对果蔬进行处理,需要具有较为全面的实用性。

2、料理机的安全性

家用果蔬料理机的安全性包括使用的操作安全和环保健康的食品安全。操作安全主要是使用时机器的安全性和操作者的安全性,如使用时是否漏电,高速旋转时是否过热,对使用的操作者是否具有伤害等。食品安全则是食品接触性安全,由于果蔬料理机榨出汁液后消费者要直接食用,食材在被加工时与料理机内壁和刀具直接接触,所以料理机的材质要能够满足一定的食品安全要求,如材质可与食品直接接触,不会引起人体有害成分的化学变化或析出有害物质,对食物的味道也不会产生任何影响,这样才能保证食物的安全性。

3、绿色健康的料理机

绿色设计(Green Design),其内涵为在产品的整个生命周期内,充分考虑所生产的产品对资源和环境的影响,将产品的可回收性、可重复利用性、可拆卸性和可维护性等环境属性设定为设计的目标加以重视的基础上,确保产品的质量、功能、开发周期和使用寿命符合有关要求,对产品进行设计,做到对环境的污染降低到最低、对能源的消耗降到最小,零部件和产品能够实现重新利用和再生循环。在果蔬榨汁机中的绿色设计体现在以下3个方面。

(1)动力系统。传统食品机械依据液压系统进行动力提供,存在噪声污染和漏油污染等问题,甚至还会影响食品的品质。在绿色设计的引领下,用电力代替石油作为动力,开发新型能源如植物油、太阳能和天然气等作动力。

(2)机器选材方面。在绿色设计的倡导下,选取低耗能、低污染、低成本、易于加工、易处理和易回收的耐腐蚀无毒便于拆卸清洗的材料,因为果蔬榨汁机生产的食物是让消费者直接来食用的,食品质量关系到消费者的健康,所以选材要绿色。

(3)结构设计方面。要坚持绿色的理念做到易于装配、制造和拆卸,在保证质量的前提下,尽可能地减少零件的使用数量,在装配和制造过程中尽可能地做到清洁生产、减少环境污染,延长设备寿命等。

4、料理机提高营养成分

细胞破壁技术,就是利用酶解法、化学方法、物理方法或几种方法配合使用使细菌细胞壁破裂的方法。以植物细胞为例,细胞壁分为3层,即胞间层(中层)、初生壁和次生壁。这样一层层的厚壁使水分和营养物不能透过。细胞破壁技术就是通过打破植物细胞壁,使水分及营养更好地被吸收和保持活性成分的技术,释放植物生化素,最大限度地融合其中的膳食纤维、维生素及其他营养元素。

以食物料理机为例,“破壁技术”料理机通过合理定制的超高转速,在短短数十秒内彻底将食物搅碎至极细致,对食物细胞壁的击碎率较高,可以打破果蔬细胞壁,释放植物生化素,最大限度地融合果蔬中的膳食纤维、维生素及其他营养元素,拥有破壁技术的料理机所加工出的食材,营养成分可提高3~4倍,更易吸收。

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二、家用果蔬料理机设计方案

家用果蔬料理机以鲜榨时令果蔬为目标,主要对果蔬进行榨汁和破壁。果蔬榨汁机分为3大部分:动力来源的电机为原动机部分,提供不同速度的传动部分和执行榨汁操作的切削搅拌部分。其工作原理为电机转化带来动力,变速装置满足不同速度的榨汁要求,利用不同的切削刀具或者混合搅拌装置带来不同的果蔬料理效果。根据使用情况的不同设置调速挡位,满足不同果蔬的榨汁需求。以绿色设计为贯穿,以使用方便便捷、安全可靠为目标,结合果蔬破壁的营养技术,设计家用果蔬榨汁机的主体结构。

(1)多样化料理功能。针对果蔬的不同特点,依据营养和便捷的料理方式,果蔬料理机提供了多样化的果蔬料理挡位。有普通搅拌挡位、多汁液类果蔬挡位、一般果蔬挡位、破壁果蔬挡位和预留其他榨汁挡位。其中普通搅拌挡位,可以提供汁液的混合。破壁果蔬则是结合果蔬破壁技术的物理方法,使果蔬破壁,释放更好的营养成分。

(2)方便清洗的可拆设计。在果蔬料理机的使用中,需要对机器进行全面的清洗。果蔬料理机的清洗是否完善,影响它的使用效果。针对料理机使用后难于清洗的特点,首先在料理机选材上要选择使用食品级易清洗的材质,另外就是在结构设计上,采用可拆结构,易于冲洗和清洗。

(3)刀具的多样化。针对果蔬处理品种的多样性,增加配置不同的刀具,使料理机可以满足常用果蔬的混合搅拌、榨汁和破壁等多种功能。另外,不同果蔬处理采用不同的刀具,也从根本上延长了刀具的使用寿命。

三、料理机方案设计思路

料理机以单片机为控制核心,结合防溢及防干烧溢出检查电路,温度检测模块、电源电路,加热驱动电路模块、报警模块、电机驱动模块,可完成各种鲜榨饮品的制作。

在该系统中,稳压电路为整个系统中的不同外设提供系统需要的电压,单片机需要检测按键电路、温度检测电路、防溢和防干烧电路的输入,同时要控制加热电路、报警电路、步进电机电路和显示电路这几个模块。加热电路用来产生热量对水和各种杂粮或干果的混合物进行加热;温度检测电路用来检测饮品的温度,该温度数据用于MCU对整个系统的决策;防溢和防干烧电路用来检测系统的水位,以保证系统安全可靠的工作;按键电路作为用户的输入,报警电路用作系统异常时报警和提示;步进电机作为打浆的动力设备,实现粉碎材料的功能;显示电路做人机交互使用,显示工作模式,液位状态及液体温度,及其它相关研磨浆状态。

1、防溢及防干烧模块电路设计

由于料理机在工作的过程中有可能会发生溢出、干烧等情况,在这种情况下,如果机器还继续工作,就会存在很大的安全隐患,严重时可能发生火灾。因此需要对料理机的水位进行监测。水位监测及溢出电路的作用是以传感器作为信息采集系统来控制料理机缺水时干烧及沸腾溢出等问题。

水位及温度检测电路采用探针模拟传感器来检测水位及沸腾溢出的情况,然后通过比较器输出高低电平,这样就可以通过单片机检测比较器输出电平的高低来检测水位及沸腾时的溢出状态;S1闭合时,给单片机一个高电平信号,表示豆浆溢出,开关打开时表示正常没有溢出。同理,S2闭合时,输入高电平表示干烧,开关打开时表示正常。当其中任意按钮闭合,都会引起蜂鸣器报警,提示可以关闭电源了。

2、加热模块和磨浆模块设计

加热电路的作用是通过加热管把磨成粉末的食材煮熟,本设计使用的加热器功率为800w磨浆电路的作用是通过电机把食材拌成粉末。由于电机转速很高,为了避免其连续工作容易造成损坏,本设计采用的是间歇性打浆的方式。加热电路的工作原理是单片机发出信号,通过三极管Q2进行放大信号,然后启动继电器RL1,继电器RL1获得电流后吸附贴片,从而形成加热电流回路,使加热电路开始工作。打浆电路的工作原理是单片机发出信号通过三极管Q3对信号进行放大,然后启动继电器RL2,继电器RL2获得电流后吸附铁片,从而形成打浆电流回路,使打浆电路开始工作。

3、电源模块设计

电源模块由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。其中,电源变压器TR1是将电网提供的220V交流电压转换成为各种电路设备所需的交流电压;整流电路对次级输出的交流电进行桥式整流,经过滤波电容的滤波输入到7812稳压芯片中去,从7812上出来的电压经过滤波电容后就为12V直流电,该电压供给步进电机和加热电路,同时该电压被输入到三端稳压器7805上,再滤波后就得到5V的直流电源,该电压供给MCU和防干烧电路等外设使用。

报警模块是由一个三极管Q1、一个电阻R5及一个蜂鸣器LS1所构成。报警模块电路的工作流程就是当料理机工作完成时或是水位检测不符标准时,单片机会根据P1口发来的高电平信号继而向P1.5接口发出信号,并通过三极管Q1使得信号的功率被放大,最终使蜂鸣器报警发出通知。

当料理机煮浆过程中,由于温度大,会使饮品中的酸性物质产生大量的泡沫,影响正常煮浆工作,为了不停止工作,节省大量时间,所以需要一个主动的消泡装置。在电动机的主轴上按挂两个金属棒,金属棒采用铜制的金属材料,其导电性能优,并且在多次试验下的数据表明,金属棒装设在防溢电极下面2.5厘米处,它的消泡效果最好,这样就完成了主动消泡装置的设计。

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四、料理机控制程序设计

1、料理机主程序设计

料理机的主程序是整个系统工作流程的控制和决策者,主要通过检测水位传感器、温度传感器的输入,来控制步进电机、加热器、显示屏和蜂鸣器的输出,从而达到使整个系统有条不紊运行的目的。主程序的流程图如图6所示,以豆浆为例。

从流程图中可以看出,系统上电之后首先初始化相关外设,这些外设包括蜂鸣器、LCD显示、加热器、温度传感器等。在初始化外设完毕后,需要打开外部中断0和外部中断1,这是检测饮品溢出和干烧的必要条件。之后系统会检测水位异常情况,如果系统检测到的水位过高或者过低,LCD上会提示用户加水或者减水让水位达到正常水平;若水位正常,系统会检测用户是否按下开始键,这样做的目的是为了让用户对往豆浆机中加的水进行确认,在用户按下了开始键之后,系统会检测用户是否通过按键选择好了要制作饮品的浓度;浓度选择完毕后,系统会根据用户选择的饮品浓度来给定一个打浆次数并把该次数写入变量中去,之后开始加热水到80度;在水温达到80度后,系统会关闭加热,开始控制步进电机正反转动来带动刀片打浆,打浆指定圈数后,系统再次将水温加热到80度,之后打浆次数变量减1,然后又关闭加热,继续打浆、加热,变量减1……,这样反复进行直到打浆次数变量减到0,说明豆浆制作完毕了,之后系统关闭打浆和加热,然后LCD显示打浆完成,蜂鸣器发出提示音。

料理机程序设计流程

2、料理机按键驱动设计

在本设计中,按键用来获得用户的输入,主要表现为用户水位的确认和豆浆制作模式的选择。本设计使用的是独立按键,其编程比较简单,程序流程图如图7示。

从图中可以看出,按键检测函数最重要的一个部分就是去抖,这是因为假如有按键按下,理想的情况是直接从高电平跳跃到低电平,但是因为人手在按按键的过程中会存在抖动,或者说由于按键本身的特性,在人按它的过程中,或多或少的都会存在抖动现象,使得在按键按下的过程中,整个电平中会有很多抖动,所以如果不去抖,就会使得检测到的按键状态不正确,产生误操作。一般情况下,按键在开始按到稳定大概需要5~10ms才能稳定,本系统加入的去抖延时为5ms。

总结

本文结合果蔬料理机的市场需求和使用功能,充分分析了家用果蔬料理机的使用市场需求目标。融合各种设计方法和设计思路,以实用、安全、绿色和营养为目标,设计出了一种能方便快捷地获取果汁、清洗方便和使用安全的家用小型果蔬料理机。在果蔬料理机的主体结构中,增加多样化料理功能的挡位设计,为方便清洗采用了局部可拆的结构设计,又对料理果蔬所用的刀具进行了多样化处理,达到了家用果蔬料理机使用的目的。

介绍了一种基于单片机的全自动料理机的原理及系统软硬件设计,该系统采用单片机作为核心控制器,运用电加热原理和声光报警等系统,可实现水温加热,饮品打磨,自动报警等功能以及良好的人机交互界面,具有使用简单,稳定性好,功耗低等特点。

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