【智能旋转餐桌的设计与实现6500字（论文）】

智能旋转餐桌的设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u192811.引言 472701.1研究背景及意义 411951.2国内外发展状况 5194541.3研究内容 5321452.智能旋转餐桌的方案设计 6313302.1需求分析 658222.2方案设计 6294242.3单片机选型 7198373.硬件设计 9101393.1STC80C51单片机 9303083.2步进电机 11254183.3时钟及复位电路设计 11324483.4音乐电路的设计选择 12317673.5电机换相控制设计 13292733.6电机转速控制设计 13277603.7电机驱动部分设计 13124193.8按键电路设计 14129154.软件设计 16211454.1主程序设计 1638345.实验分析及改进方法 175962参考文献 181.引言1.1研究背景及意义在人们的日常生活中餐桌是很重要的饮食组成部分，在以前，由于餐桌的设计等种种限制问题，不方便人们的日常进食。人们目前使用的最为广泛的餐桌是旋转式的，这种旋转式的餐桌基本上解决了以前餐桌的不方便夹菜的问题。如今出现在人们日常生活中的旋转式的餐桌主要可以分成三种形式：第一种只是对以前的餐桌进行简单的改良，在其上附加了一个可以手动转动的转盘，当人们使用时可以用手来推动转盘来夹取所需要的饭菜，但是这种餐桌有着弊端，就是容易出现卡死的情况，而且在人们使用转盘时比较费力气，还是有点不方便；第二种是在以前的餐桌的结构上进行了较为复杂的改良，就是在餐桌上放置一个电动驱动的转盘，节省了人力且使用起来更为的方便，但这种餐桌十分依赖于电力的驱动，一旦缺少了电力的驱动则无法使用；第三种是使用的最广泛的，也是最先进的餐桌，这种餐桌成为自动旋转餐桌，这种餐桌虽然在使用上方便，结构叫第二种相对来说简单一点，但依然存在着使用的局限性。1.2国内外发展状况无论是在人们日常的餐饮中还是在各个商业化的营销档口下，旋转餐桌作为一个餐饮文化的逐浪者逐渐开始为大家所熟知，旋转餐桌有着其独特的地方，加上旋转餐桌的不同的样式通过对其外部的型制的不断地修改打磨让旋转餐桌可以迎合大众的审美观点，逐步让大众接受并喜爱[3]。在当今的社会形势下，旋转餐桌是人们必须的一种进餐的形式，旋转餐桌以其独特的外形特点改变着人们的用餐理念，丰富了人们的日常饮食生活。旋转餐桌英文叫LazySusan，他的中文翻译称呼显然与他原本的意思不一致，而根据翻译的特点，应该根据他的意思来转译成桌子上的可以旋转的大转盘。在以前由于大家吃饭的桌子普遍都比较的大，大家在吃饭时夹菜非常的不方便，基于此，一种放在大餐桌上可以转动的盘子就应运而生，人们把要食用的菜品都放在这个大盘子上。在十八世纪之前LazySusan通常被人们叫做dumbwaiter。等到LazySusan出现的时候已经是二十世纪了。在此之前LazySusan这个称呼常被用来嘲讽不勤奋的人们。1.3研究内容人们在日常生活中使用的餐桌上的转盘直径与重量基本上成正比，两米左右就对应大概100斤左右,此时想要靠人力去转动就十分的麻烦，而另一种餐桌，也就是电动旋转餐桌是靠电路板和微电脑来实现对餐桌转盘的转速和方向进行控制的。利用电力拖动知识、单片机控制电路技术、计算机编程软件protues做出了一个基于实际情况考量的仿真设计,我所设计的“智能旋转餐桌”符合了消费者大众基于此的最广泛的认知,在设计和制作的整个过程中,我们不追求作品的档次和奢华,以最低的成本,来达到设计和制作的最佳效果,运用“实用”和“经济”的眼光来定位我们的作品。2.智能旋转餐桌的方案设计2.1需求分析现在在饭店就餐，一般是由服务员将菜单给到顾客进行点餐，然后将菜品写到单子上后移交后台进行下单。由于后厨饭菜出品时间不固定，一般都是一道一道上，在多人聚餐的情况下，用餐开始时如果菜品固定位置的话，就不能每个客人都吃到。为了满足多个座位的大桌子的就餐方便，我们设计制作了一种可旋转的桌面。在设计中，我们采用单片机控制系统，使每个餐桌可以根据个人需要随时停止。如果客人想吃桌上的菜，客人按下旁边的按钮后（利用中断功能，谁先按谁就停在相应的位置，即优先功能），电机立即停止，客人夹菜，并能通过按键功能恢复旋转功能。定时时间可调（默认为30秒，可从10秒调整到60秒。如果需要较长的时间，可以通过改变程序来实现。大约30秒后，桌面会自动恢复旋转功能，无需按任何其他按钮。如果停电，我们可以手动断开尼龙螺母并使用手动旋转。根据表的实际使用情况，我们选择步进电机。客人吃饭时，可以通过调节电机调速旋钮来改变电机的转速。默认情况下，每转3分钟。用步进电机的ULN2003作为继电器驱动，可实现电机正反转功能，即实现台面正反转，在电机旋转的时候伴随按键按下会播放一段音频提示也是本设计的一个亮点。2.2方案设计根据要求，本设计需要实现的功能要求为：（1）可调速（默认3分钟转动一圈）（2）可以进行正转和反转控制；（3）当按下按钮正传旋转，按下餐位上的停止按键时餐桌停止旋转，定时时间到后餐桌恢复旋转；（4）按下开始按钮时会有音频播放；智能旋转餐桌示意图如图1所示。图1.智能旋转餐桌示意图本文设计的智能旋转餐桌利用单片机控制系统，可以按照设定参数进行自行旋转，当按下停止按钮后可以停止旋转方便夹菜，按下旋转按钮后后自行恢复旋转，系统由单片机电路、电机驱动电路、步进电机、声音模块、伺服系统、转速控制模块等组成，智能旋转餐桌要在一定范围内要实现转角和速度的精准控制，并将定位的结果反馈给单片机进行调整。图2.控制系统流程图本设计选用单片机作为主控制器是利用单片机的多I/O端口、空间利用率高等优点，当转速设定好后，桌面开始持续旋转当检测到有按键按下时，餐桌停止旋转，定时时间到且无停止信号时，餐桌开始旋转直至所设定的转速。2.3单片机选型本文所用控制芯片主要实现控制电动机的启停、正反转和调速功能。用户可以通过编程的方式将需要设置的参数输入到单片机中，并根据设定动作进行调整从而满足用户需求，在常见的控制芯片中最常用的是51系列单片机：51系列单片机是工业控制中常用的一款单片机，可以使用多种语言进行编程控制，而且相关程序库种类较多，51系列单片机有一套完整的操作系统，称作位处理器，这个51系列单片机是以位为主要对象的来进行处理的。可以处理51单片机内部的一些特殊的部分，如传送、置位等。考虑到本系统所需要的主要功能，51系列单片机的性能就可以满足要求，同时可以具有较低的成本，所以本文选用STC80C51单片机作为主控制器。3.硬件设计3.1STC80C51单片机根据需要实现的功能，选用80C51单片机。其内核为MCS-51，80C51单片机的结构是从8048单片机的结构和功能延申而来的，并且相较于8048，80C51单片机因增加了很多的功能，如加减乘除和比较等的基本运算、16位数据指针、布尔代数运算等指令，并且80C51单片机还拥有串行通信的拓展能力能力和\t"/item/80c51/_blank"中断源。采用双列直插式DIP，内有一百二十八比特的RAM单元及4K的ROM。STC80C51主要参数有：控制线共有4根:ALE/PROG,PSEN,RST/VPD,EA/Vpp.4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚,除此之外P3口还额外赋予了很重要的功能，也就是P3口可以作为控制总线来使用，有着处理特殊信号的功能。另外，STC89C52有两种节电模式：空闲模式时，处理器停止运算，但其余器件继续工作;掉电保护模式时，数据进行保存等待下一个中断或复位。图3.STC80C51引脚示意图P0口~P3口：标准8位I/O端口。RST口：复位输入。ALE/PROG口：地址锁存允许。PSEN口：允许程序存储。当单片机获取程序存储器指令时，PSEN口输出两个脉冲[10]。当获取数据存储器指令时，PSEN信号将被跳过两次。EA/VPP口：允许外部访问。3.2步进电机用数字控制的电机有很多种，但只用数字控制的电机只有步进电机，步进电机有着独特的处理脉冲信号的能力，当输入一个脉冲信号时，步进电机就会将这个脉冲信号转换成我们熟知的量，也就是角位移量，电机随着转动。步进电机的组成部分总的来说可以分成两个主要的部分，一个是定子部分，另一个是转子部分。定子部分的组成材料通常选用的都是硅钢片，而从定子的结构上来看，定子有着六个磁极，也就是三对NS磁极。定子的每两个磁极都伴随有着一个绕组，这种结构通常被人们成为一相，有数量关系可以得出，每个三相电机有着三个相，四相电机同理，依此类推。同时步进电机还能通过调节脉冲频率来控制电机的转速。转子旋转的模式是由于磁场的作用，转子和定子的磁场方向趋于一致。定子的磁场是有矢量性的，矢量性质的磁场转动时，转子的磁场也会随之转动。转子由于受到磁场力的作用，也会随之旋转。当有电脉冲输入的时候，步进电机就会自动旋转一个角度。电机输出的各个量之间的关系为：角位移与脉冲数成正比，脉冲频率与转速成正比。如果想要改变电机的旋转方向，行之有效的方式之一就是改变绕组通电的顺序，因此可用控制上述的各个变量之间的关系来控制电机的转动。由于步进电机的这种特性，因此选用步进作为本设计中的电机伺服系统模块，可以很好的实现控制桌面正转和反转的功能，并且由于延迟时间较小，可以实现较为精准的旋转控制，更加方便人们的日常使用。3.3时钟及复位电路设计脉冲信号是一个单片机运行所不可缺少的重要的条件，触发的信号也是一种脉冲信号，他往往包含了我们所需要执行的命令信息，也就是时钟电路。在单片机运行的时候，从rom中逐条的读取中指令，然后按照读取指令的先后顺序来逐条按顺序执行。本设计选用的51单片机每访问一次存储器就经历了一个机器周期。同时本文设计了上拉电阻来为单片机的复位引脚提供复位功能，改变外部中断的状态，也就是改变按键的状态，复位电路就自动生效，单片机检测到低电平后，自动进行复位。下图给出了本文设计的时钟和复位电路：图4.时钟和复位电路3.4音乐电路的设计选择为了舒缓人们用餐时的心情，本设计还额外人性化的设计了音乐电路，但按下启动正转的按键时音乐电路会播放一段音频，可以起到促进用餐体验，舒缓心情的作用。因为音乐盒发音需要节拍，这就要我们delay一段时间，这时就会执行音乐盒的delay程序，而步进电机转动的程序就会被搁置在一旁，所以我们采用的是双机通讯这种解决方案，让音乐盒的发声和步进电机的转动能够同步的进行。音乐电路使用另一个80c51单片机实现音乐播放的功能，其原理是一个音符由三个基本的元素构成，分别是响度，音调和音色构成，而我们用单片机可以实现对音符的时值，也就是音符的持续时间，音调的高低来进行控制，由资料可知频率-半周期数据表可知高八位和低八位每个音符的低音，高音和超高音，由于音符的产生需要有一段一定频率的脉冲，可以是方波也可以是正弦波，可以设置单片机自带的定时部分来实现控制TH0及TL0从而产生不同的频率，从而生成不同的音调，通过书写延时程序来确定一定的延时，后续每个音符的不同的延时时间可以调用延时程序而形成不同的持续时间，最后根据所需要不同的音符的组合来生成一段特殊的音频，根据如附件所示的程序可知如一个音符的三个不同的组成部分5，2，1来说，5代表着音符的音色，2代表着高音的音调，1代表着一个半拍，而整段乐谱是由数个这样的音符组成的。三极管把放大的电流传输到蜂鸣器，蜂鸣器可以发出一段音频，同时结合上拉电阻给整个单片机提供稳定的电流输出，让整个单片机系统能够持续稳定的运行，给电机提供持续稳定的动力。音乐电路如图8所示图8.音乐电路3.5电机换相控制设计本次设计的电机换向控制的部分，需要用到80c51单片机的P1口，由于本设计使用的是步进电机，步进电机可以通软件控制来实现他的功能，步进电机有着独特的处理脉冲信号的能力，当输入一个脉冲信号时，步进电机就会将这个脉冲信号转换成我们熟知的量，也就是角位移量，电机随着转动。所以可以利用这个特性定义一个Direction转向标志位，通过对按键的提前设定，通过按键来控制电机的状态。3.6电机转速控制设计电机转速控制可以通过定义一个speed延时函数的方式来控制电机的通电电流，从而实现转速的控制，本设计通过STC80C51的P1口，控制3个与门ULN2003A的S输入端。当P1口输出低电平时．使与门ULN2003A输出低电平，开关电路的MOSFET管V4、V6、V2被封锁；当P1口输出高电平时，与门ULN2003A的输出状态取决于单片机的控制字，MOSFET管V4、V6、V2的导通与截止按正常换相状态进行．较大减轻了单片机的负担。通过定义按键，改变按键的状态来控制电机的减速或者减速的状态。3.7电机驱动部分设计由于本设计中的步进电机的结构需要提供稳定的电压才能持续的运作，因此本设计选择ULN2003A作为电机主要驱动组成部分，本次实验所使用的80c51单片机的引脚所输出的电流比较偏小，吸纳电池的容量也比较的小，与之对应的，输出电压也不会太高，一般不会超过5v，这是单片机很少使用直接的外接驱动设备的主要原因之一。ULN2003的主要作用之一就是放大信号，可以满足本实验所使用的步进电机运转所需要的电流和电压条件，因此ULN2003可以用来在本次的设计仿真中的驱动部分。ULN2003A作为继电器可以为步进电机提供持续稳定的电压输出，让步进电机能够持续稳定的运行。单片机控制步进电机的流程如图5所示图5.单片机控制步进电机原理图3.8按键电路设计本系统设计有按键电路，主要用来采用户的输入指令，控制职能旋转餐桌的启动和停止。本设计为矩阵按键，预先将多个按键行进行排列，同一行中的VCC引脚进行串联，同一列的GND引脚进行串联，并将行列线连接至单片机的I/O引脚，单片机通过对行列线的检测来定位被按下的按键。图6按键电路其采用了共阴极的接法，当按键未被按下时，与单片机连接的IO引脚上的电平与VCC连接，电平为高，当按键被按下时，VCC被接地，IO引脚上的电平为低，单片机通过配置下降沿捕获的方式即可感知到按键被触发。

4.软件设计4.1主程序设计系统的主程序主要实现对旋转餐桌进行旋转控制，按下正转的按键，触发外部中断，餐桌便会在电机的驱动下开始旋转。当再次检测到有中断信号的触发时，电机的驱动便会停止，餐桌也会随着电机的转动停止而停止转动状态。当接收到加速或者减速信号触发时，电机的旋转速度会随之增加和减少，餐盘旋转的速度也随着增加和减少，可以满足不同的人对于用餐状态的不同的要求。下图给出了系统的主程序流程：图7.主程序流程图根据设计需求，软件设计部分主要以自动状态为主，也就是外部中断的触发来激活电机伺服系统。在自动状态出现一定程度的故障，或者不能实现自动旋转的功能时我们可以手动来给桌面转盘一个驱动力让桌面实现手动转动的状态，主要包括：各个用餐位置之间的位置转换；转盘手动归零。由于实际需求可能要求每个餐位之间的旋转角度不同，以满足不同餐饮人员的就餐需求。自动状态就是自动循环状态的一种简称，自动循环是指在符合预先设定的各种条件的前提下，按照系统预先设定的具体步骤自动执行的一种状态，极大接受了人力成本。软件的核心是根据按键的位置来控制餐桌转动的方向。由于成本、控制方式和机械设计结构的限制，餐桌只能在一定的角度范围内旋转和定位。在软件设计过程中，考虑到是手动还是自动状态控制表位，需要判断相对零点的位置，然后进行正向或反向动作，否则会引起系统限位报警。5.实验分析及改进方法在程序实验过程中发现，影响旋转餐桌按键反馈及时性的因素不仅是机械传动引起的间隙，还有以下几个因素：（1）旋转餐桌的转动惯量和继电器动作的延时，要求餐桌末端有一定的延时时间；（2）由于在程序运