智能旋轉餐桌的設計與實現目錄TOC\o"1-3"\h\u192811.引言 472701.1研究背景及意義 411951.2國內外發展狀況 5194541.3研究內容 5321452.智能旋轉餐桌的方案設計 6313302.1需求分析 658222.2方案設計 6294242.3單片機選型 7198373.硬件設計 9101393.1STC80C51單片機 9303083.2步進電機 11254183.3時鐘及復位電路設計 11324483.4音樂電路的設計選擇 12317673.5電機換相控制設計 13292733.6電機轉速控制設計 13277603.7電機驅動部分設計 13124193.8按鍵電路設計 14129154.軟件設計 16211454.1主程序設計 1638345.實驗分析及改進方法 175962參考文獻 181.引言1.1研究背景及意義在人們的日常生活中餐桌是很重要的飲食組成部分，在以前，由于餐桌的設計等種種限制問題，不方便人們的日常進食。人們目前使用的最為廣泛的餐桌是旋轉式的，這種旋轉式的餐桌基本上解決了以前餐桌的不方便夾菜的問題。如今出現在人們日常生活中的旋轉式的餐桌主要可以分成三種形式：第一種只是對以前的餐桌進行簡單的改良，在其上附加了一個可以手動轉動的轉盤，當人們使用時可以用手來推動轉盤來夾取所需要的飯菜，但是這種餐桌有著弊端，就是容易出現卡死的情況，而且在人們使用轉盤時比較費力氣，還是有點不方便；第二種是在以前的餐桌的結構上進行了較為復雜的改良，就是在餐桌上放置一個電動驅動的轉盤，節省了人力且使用起來更為的方便，但這種餐桌十分依賴于電力的驅動，一旦缺少了電力的驅動則無法使用；第三種是使用的最廣泛的，也是最先進的餐桌，這種餐桌成為自動旋轉餐桌，這種餐桌雖然在使用上方便，結構叫第二種相對來說簡單一點，但依然存在著使用的局限性。1.2國內外發展狀況無論是在人們日常的餐飲中還是在各個商業化的營銷檔口下，旋轉餐桌作為一個餐飲文化的逐浪者逐漸開始為大家所熟知，旋轉餐桌有著其獨特的地方，加上旋轉餐桌的不同的樣式通過對其外部的型制的不斷地修改打磨讓旋轉餐桌可以迎合大眾的審美觀點，逐步讓大眾接受并喜愛[3]。在當今的社會形勢下，旋轉餐桌是人們必須的一種進餐的形式，旋轉餐桌以其獨特的外形特點改變著人們的用餐理念，豐富了人們的日常飲食生活。旋轉餐桌英文叫LazySusan，他的中文翻譯稱呼顯然與他原本的意思不一致，而根據翻譯的特點，應該根據他的意思來轉譯成桌子上的可以旋轉的大轉盤。在以前由于大家吃飯的桌子普遍都比較的大，大家在吃飯時夾菜非常的不方便，基于此，一種放在大餐桌上可以轉動的盤子就應運而生，人們把要食用的菜品都放在這個大盤子上。在十八世紀之前LazySusan通常被人們叫做dumbwaiter。等到LazySusan出現的時候已經是二十世紀了。在此之前LazySusan這個稱呼常被用來嘲諷不勤奮的人們。1.3研究內容人們在日常生活中使用的餐桌上的轉盤直徑與重量基本上成正比，兩米左右就對應大概100斤左右,此時想要靠人力去轉動就十分的麻煩，而另一種餐桌，也就是電動旋轉餐桌是靠電路板和微電腦來實現對餐桌轉盤的轉速和方向進行控制的。利用電力拖動知識、單片機控制電路技術、計算機編程軟件protues做出了一個基于實際情況考量的仿真設計,我所設計的“智能旋轉餐桌”符合了消費者大眾基于此的最廣泛的認知,在設計和制作的整個過程中,我們不追求作品的檔次和奢華,以最低的成本,來達到設計和制作的最佳效果,運用“實用”和“經濟”的眼光來定位我們的作品。2.智能旋轉餐桌的方案設計2.1需求分析現在在飯店就餐，一般是由服務員將菜單給到顧客進行點餐，然后將菜品寫到單子上后移交后臺進行下單。由于后廚飯菜出品時間不固定，一般都是一道一道上，在多人聚餐的情況下，用餐開始時如果菜品固定位置的話，就不能每個客人都吃到。為了滿足多個座位的大桌子的就餐方便，我們設計制作了一種可旋轉的桌面。在設計中，我們采用單片機控制系統，使每個餐桌可以根據個人需要隨時停止。如果客人想吃桌上的菜，客人按下旁邊的按鈕后（利用中斷功能，誰先按誰就停在相應的位置，即優先功能），電機立即停止，客人夾菜，并能通過按鍵功能恢復旋轉功能。定時時間可調（默認為30秒，可從10秒調整到60秒。如果需要較長的時間，可以通過改變程序來實現。大約30秒后，桌面會自動恢復旋轉功能，無需按任何其他按鈕。如果停電，我們可以手動斷開尼龍螺母并使用手動旋轉。根據表的實際使用情況，我們選擇步進電機。客人吃飯時，可以通過調節電機調速旋鈕來改變電機的轉速。默認情況下，每轉3分鐘。用步進電機的ULN2003作為繼電器驅動，可實現電機正反轉功能，即實現臺面正反轉，在電機旋轉的時候伴隨按鍵按下會播放一段音頻提示也是本設計的一個亮點。2.2方案設計根據要求，本設計需要實現的功能要求為：（1）可調速（默認3分鐘轉動一圈）（2）可以進行正轉和反轉控制；（3）當按下按鈕正傳旋轉，按下餐位上的停止按鍵時餐桌停止旋轉，定時時間到后餐桌恢復旋轉；（4）按下開始按鈕時會有音頻播放；智能旋轉餐桌示意圖如圖1所示。圖1.智能旋轉餐桌示意圖本文設計的智能旋轉餐桌利用單片機控制系統，可以按照設定參數進行自行旋轉，當按下停止按鈕后可以停止旋轉方便夾菜，按下旋轉按鈕后后自行恢復旋轉，系統由單片機電路、電機驅動電路、步進電機、聲音模塊、伺服系統、轉速控制模塊等組成，智能旋轉餐桌要在一定范圍內要實現轉角和速度的精準控制，并將定位的結果反饋給單片機進行調整。圖2.控制系統流程圖本設計選用單片機作為主控制器是利用單片機的多I/O端口、空間利用率高等優點，當轉速設定好后，桌面開始持續旋轉當檢測到有按鍵按下時，餐桌停止旋轉，定時時間到且無停止信號時，餐桌開始旋轉直至所設定的轉速。2.3單片機選型本文所用控制芯片主要實現控制電動機的啟停、正反轉和調速功能。用戶可以通過編程的方式將需要設置的參數輸入到單片機中，并根據設定動作進行調整從而滿足用戶需求，在常見的控制芯片中最常用的是51系列單片機：51系列單片機是工業控制中常用的一款單片機，可以使用多種語言進行編程控制，而且相關程序庫種類較多，51系列單片機有一套完整的操作系統，稱作位處理器，這個51系列單片機是以位為主要對象的來進行處理的。可以處理51單片機內部的一些特殊的部分，如傳送、置位等。考慮到本系統所需要的主要功能，51系列單片機的性能就可以滿足要求，同時可以具有較低的成本，所以本文選用STC80C51單片機作為主控制器。3.硬件設計3.1STC80C51單片機根據需要實現的功能，選用80C51單片機。其內核為MCS-51，80C51單片機的結構是從8048單片機的結構和功能延申而來的，并且相較于8048，80C51單片機因增加了很多的功能，如加減乘除和比較等的基本運算、16位數據指針、布爾代數運算等指令，并且80C51單片機還擁有串行通信的拓展能力能力和\t"/item/80c51/_blank"中斷源。采用雙列直插式DIP，內有一百二十八比特的RAM單元及4K的ROM。STC80C51主要參數有：控制線共有4根:ALE/PROG,PSEN,RST/VPD,EA/Vpp.4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳,除此之外P3口還額外賦予了很重要的功能，也就是P3口可以作為控制總線來使用，有著處理特殊信號的功能。另外，STC89C52有兩種節電模式：空閑模式時，處理器停止運算，但其余器件繼續工作;掉電保護模式時，數據進行保存等待下一個中斷或復位。圖3.STC80C51引腳示意圖P0口~P3口：標準8位I/O端口。RST口：復位輸入。ALE/PROG口：地址鎖存允許。PSEN口：允許程序存儲。當單片機獲取程序存儲器指令時，PSEN口輸出兩個脈沖[10]。當獲取數據存儲器指令時，PSEN信號將被跳過兩次。EA/VPP口：允許外部訪問。3.2步進電機用數字控制的電機有很多種，但只用數字控制的電機只有步進電機，步進電機有著獨特的處理脈沖信號的能力，當輸入一個脈沖信號時，步進電機就會將這個脈沖信號轉換成我們熟知的量，也就是角位移量，電機隨著轉動。步進電機的組成部分總的來說可以分成兩個主要的部分，一個是定子部分，另一個是轉子部分。定子部分的組成材料通常選用的都是硅鋼片，而從定子的結構上來看，定子有著六個磁極，也就是三對NS磁極。定子的每兩個磁極都伴隨有著一個繞組，這種結構通常被人們成為一相，有數量關系可以得出，每個三相電機有著三個相，四相電機同理，依此類推。同時步進電機還能通過調節脈沖頻率來控制電機的轉速。轉子旋轉的模式是由于磁場的作用，轉子和定子的磁場方向趨于一致。定子的磁場是有矢量性的，矢量性質的磁場轉動時，轉子的磁場也會隨之轉動。轉子由于受到磁場力的作用，也會隨之旋轉。當有電脈沖輸入的時候，步進電機就會自動旋轉一個角度。電機輸出的各個量之間的關系為：角位移與脈沖數成正比，脈沖頻率與轉速成正比。如果想要改變電機的旋轉方向，行之有效的方式之一就是改變繞組通電的順序，因此可用控制上述的各個變量之間的關系來控制電機的轉動。由于步進電機的這種特性，因此選用步進作為本設計中的電機伺服系統模塊，可以很好的實現控制桌面正轉和反轉的功能，并且由于延遲時間較小，可以實現較為精準的旋轉控制，更加方便人們的日常使用。3.3時鐘及復位電路設計脈沖信號是一個單片機運行所不可缺少的重要的條件，觸發的信號也是一種脈沖信號，他往往包含了我們所需要執行的命令信息，也就是時鐘電路。在單片機運行的時候，從rom中逐條的讀取中指令，然后按照讀取指令的先后順序來逐條按順序執行。本設計選用的51單片機每訪問一次存儲器就經歷了一個機器周期。同時本文設計了上拉電阻來為單片機的復位引腳提供復位功能，改變外部中斷的狀態，也就是改變按鍵的狀態，復位電路就自動生效，單片機檢測到低電平后，自動進行復位。下圖給出了本文設計的時鐘和復位電路：圖4.時鐘和復位電路3.4音樂電路的設計選擇為了舒緩人們用餐時的心情，本設計還額外人性化的設計了音樂電路，但按下啟動正轉的按鍵時音樂電路會播放一段音頻，可以起到促進用餐體驗，舒緩心情的作用。因為音樂盒發音需要節拍，這就要我們delay一段時間，這時就會執行音樂盒的delay程序，而步進電機轉動的程序就會被擱置在一旁，所以我們采用的是雙機通訊這種解決方案，讓音樂盒的發聲和步進電機的轉動能夠同步的進行。音樂電路使用另一個80c51單片機實現音樂播放的功能，其原理是一個音符由三個基本的元素構成，分別是響度，音調和音色構成，而我們用單片機可以實現對音符的時值，也就是音符的持續時間，音調的高低來進行控制，由資料可知頻率-半周期數據表可知高八位和低八位每個音符的低音，高音和超高音，由于音符的產生需要有一段一定頻率的脈沖，可以是方波也可以是正弦波，可以設置單片機自帶的定時部分來實現控制TH0及TL0從而產生不同的頻率，從而生成不同的音調，通過書寫延時程序來確定一定的延時，后續每個音符的不同的延時時間可以調用延時程序而形成不同的持續時間，最后根據所需要不同的音符的組合來生成一段特殊的音頻，根據如附件所示的程序可知如一個音符的三個不同的組成部分5，2，1來說，5代表著音符的音色，2代表著高音的音調，1代表著一個半拍，而整段樂譜是由數個這樣的音符組成的。三極管把放大的電流傳輸到蜂鳴器，蜂鳴器可以發出一段音頻，同時結合上拉電阻給整個單片機提供穩定的電流輸出，讓整個單片機系統能夠持續穩定的運行，給電機提供持續穩定的動力。音樂電路如圖8所示圖8.音樂電路3.5電機換相控制設計本次設計的電機換向控制的部分，需要用到80c51單片機的P1口，由于本設計使用的是步進電機，步進電機可以通軟件控制來實現他的功能，步進電機有著獨特的處理脈沖信號的能力，當輸入一個脈沖信號時，步進電機就會將這個脈沖信號轉換成我們熟知的量，也就是角位移量，電機隨著轉動。所以可以利用這個特性定義一個Direction轉向標志位，通過對按鍵的提前設定，通過按鍵來控制電機的狀態。3.6電機轉速控制設計電機轉速控制可以通過定義一個speed延時函數的方式來控制電機的通電電流，從而實現轉速的控制，本設計通過STC80C51的P1口，控制3個與門ULN2003A的S輸入端。當P1口輸出低電平時．使與門ULN2003A輸出低電平，開關電路的MOSFET管V4、V6、V2被封鎖；當P1口輸出高電平時，與門ULN2003A的輸出狀態取決于單片機的控制字，MOSFET管V4、V6、V2的導通與截止按正常換相狀態進行．較大減輕了單片機的負擔。通過定義按鍵，改變按鍵的狀態來控制電機的減速或者減速的狀態。3.7電機驅動部分設計由于本設計中的步進電機的結構需要提供穩定的電壓才能持續的運作，因此本設計選擇ULN2003A作為電機主要驅動組成部分，本次實驗所使用的80c51單片機的引腳所輸出的電流比較偏小，吸納電池的容量也比較的小，與之對應的，輸出電壓也不會太高，一般不會超過5v，這是單片機很少使用直接的外接驅動設備的主要原因之一。ULN2003的主要作用之一就是放大信號，可以滿足本實驗所使用的步進電機運轉所需要的電流和電壓條件，因此ULN2003可以用來在本次的設計仿真中的驅動部分。ULN2003A作為繼電器可以為步進電機提供持續穩定的電壓輸出，讓步進電機能夠持續穩定的運行。單片機控制步進電機的流程如圖5所示圖5.單片機控制步進電機原理圖3.8按鍵電路設計本系統設計有按鍵電路，主要用來采用戶的輸入指令，控制職能旋轉餐桌的啟動和停止。本設計為矩陣按鍵，預先將多個按鍵行進行排列，同一行中的VCC引腳進行串聯，同一列的GND引腳進行串聯，并將行列線連接至單片機的I/O引腳，單片機通過對行列線的檢測來定位被按下的按鍵。圖6按鍵電路其采用了共陰極的接法，當按鍵未被按下時，與單片機連接的IO引腳上的電平與VCC連接，電平為高，當按鍵被按下時，VCC被接地，IO引腳上的電平為低，單片機通過配置下降沿捕獲的方式即可感知到按鍵被觸發。

4.軟件設計4.1主程序設計系統的主程序主要實現對旋轉餐桌進行旋轉控制，按下正轉的按鍵，觸發外部中斷，餐桌便會在電機的驅動下開始旋轉。當再次檢測到有中斷信號的觸發時，電機的驅動便會停止，餐桌也會隨著電機的轉動停止而停止轉動狀態。當接收到加速或者減速信號觸發時，電機的旋轉速度會隨之增加和減少，餐盤旋轉的速度也隨著增加和減少，可以滿足不同的人對于用餐狀態的不同的要求。下圖給出了系統的主程序流程：圖7.主程序流程圖根據設計需求，軟件設計部分主要以自動狀態為主，也就是外部中斷的觸發來激活電機伺服系統。在自動狀態出現一定程度的故障，或者不能實現自動旋轉的功能時我們可以手動來給桌面轉盤一個驅動力讓桌面實現手動轉動的狀態，主要包括：各個用餐位置之間的位置轉換；轉盤手動歸零。由于實際需求可能要求每個餐位之間的旋轉角度不同，以滿足不同餐飲人員的就餐需求。自動狀態就是自動循環狀態的一種簡稱，自動循環是指在符合預先設定的各種條件的前提下，按照系統預先設定的具體步驟自動執行的一種狀態，極大接受了人力成本。軟件的核心是根據按鍵的位置來控制餐桌轉動的方向。由于成本、控制方式和機械設計結構的限制，餐桌只能在一定的角度范圍內旋轉和定位。在軟件設計過程中，考慮到是手動還是自動狀態控制表位，需要判斷相對零點的位置，然后進行正向或反向動作，否則會引起系統限位報警。5.實驗分析及改進方法在程序實驗過程中發現，影響旋轉餐桌按鍵反饋及時性的因素不僅是機械傳動引起的間隙，還有以下幾個因素：（1）旋轉餐桌的轉動慣量和繼電器動作的延時，要求餐桌末端有一定的延時時間；（2）由于在程序運