周姝穎，林凡強，周璟瑜

(成都理工大學信息科學與技術學院，四川成都 610059)

嵌入式系統(tǒng)越來越多的出現(xiàn)在智能消費系統(tǒng)和工業(yè)化產品當中，它是提高生產效率，減少人力資源的重要途徑。多口味自動售賣豆?jié){機系統(tǒng)正是基于搭載ARM的嵌入式平臺，涉及到電路設計，硬件編程及自動化研究。此豆?jié){機利用新鮮豆子進行現(xiàn)場打磨，健康營養(yǎng)，提供了人們每日所需的蛋白質和膦脂，對提高人體素質具有積極作用，同時也方便了人們的日常生活。除此之外，該自動化豆?jié){機也創(chuàng)造了一個商業(yè)投資的機會。

1 豆?jié){機的基本構成

豆?jié){機箱體高2 m，長和寬約為60 cm，內部核心的功能實現(xiàn)都在這個長方體當中。由于STM32嵌入式單片機的強大功能，通過外圍電路設計和模塊功能，完成了豆?jié){機自動出豆、研磨、攪拌、加熱、清洗的過程，定量打磨出漿;同時用戶通過觸摸式液晶顯示屏可以了解豆?jié){的價格，選擇豆?jié){的口味，由于有自動售賣功能，在外部設計中還加入了投幣口，以方便交易。

(1)客戶點擊液晶顯示中的口味選項(包括大豆、紅豆、綠豆、黑豆等)，系統(tǒng)給出價格，客戶投幣。

圖1 系統(tǒng)總設計圖

(2)系統(tǒng)的MCU在220 V正常電壓下控制原料的加入(客戶選擇的原料)，并且加熱冷水，通過流量傳感器將定量熱水加入打磨機，磨出的漿液導入一個小水箱，MCU通過傳感器的感應會自動進行攪拌，這樣豆?jié){的口味更加細膩。

(3)存儲豆?jié){，同時這也是一個沉淀過程，濾去大顆粒豆渣，最后出漿的才是成品豆?jié){。

(4)清洗各個部位，由MCU控制從另一個入水口導入熱水多次清洗攪拌箱和存儲箱，留下的廢水從廢水口排出。

2 系統(tǒng)硬件及功能設計

2.1 搭載STM32F103ZET6的電路板

主電路板框架結構，如圖2所示。

圖2 主電路板框架結構圖

實驗系統(tǒng)的核心是STM32F103ZET6的MCU，其內核和存儲器小，降低了實驗成本;高效的電源管理機制，實現(xiàn)低功耗;較強的處理性能，滿足工業(yè)級產品的開發(fā);中斷處理時間極短，滿足高速與臨界控制的應用場合［1－6］。

(1)電源可以為 STM32內部供電，設計采用SOT－223封裝的穩(wěn)壓芯片LM1117－3.3，選擇其常用的典型固定輸出電路，輸出高精度基準電壓3.3 V，為內部的數(shù)字電路供電。

(2)LCD采用ATK－7'_TFTLCD模塊，帶有800×480電容觸摸屏。FSMC連接方式。用戶在使用LCD屏時，首先觸摸的信號會激活LCD的選擇界面，然后用戶關于豆?jié){原料的選擇會通過觸摸選項的信號傳遞回MCU。這個觸摸信號是通過觸摸屏的驅動ICGT811傳遞的。觸摸時的信號為一個100μs的低電平脈沖，MCU通過GT811上的CT_INT可以獲取。

(3)STM32有SDIO接口規(guī)范。主要用于為帶有SD卡槽的設備進行外設功能擴展。每交易一次，交易時間及交易內容都會以數(shù)據(jù)流的方式寫入SD卡，數(shù)據(jù)可以將用戶的交易數(shù)據(jù)存入SD卡，以便日后結算交易額和盈利時查詢。寫入交易記錄的數(shù)據(jù)有時間、選擇口味、交易額、交易是否成功。

(4)繼電器。是控制磨盤、攪拌和流量的開關。當大豆原料進入磨盤的入口時，MCU通過信號線控制繼電器將電磁閥打開，電磁閥的線圈會產生磁力，磁力使得機械開關閉合，將磨盤和流量開關打開，此時一邊打磨一邊進水。待到打磨過程結束，MCU繼續(xù)通過繼電器控制電磁閥打開攪拌器開關攪拌內容物。

2.2 人機交互設計

當LCD界面閑置時，液晶屏會滾動播放廣告，當用戶隨意點擊屏幕，屏幕顯示豆?jié){選擇界面。初期設定了4種口味可供選擇，直接點擊所需的口味，界面跳轉至付款界面。等待用戶投幣，MCU會判斷用戶選擇和投幣信息是否一致，若用戶少投幣，界面會在5 s后給出“請繼續(xù)投幣”的提示。如果MUC檢測信息不一致的1 min內沒有完成交易，則系統(tǒng)會吐出已投硬幣，界面顯示“交易失敗”，并返回初始界面。如果MCU檢測信息一致，則豆?jié){機啟動，根據(jù)配方完成豆?jié){的制作，此時界面會顯示“交易成功”，為了不使MCU收到其他交易指令而破壞已成功的交易，界面的觸摸功能會關閉，并一直會持續(xù)到豆?jié){出漿。之后，界面在5 s后跳回廣告播放，LCD 打開觸摸功能［7－12］。

圖3 界面設計流程圖

2.3 出豆系統(tǒng)

觸摸屏上每一個選項后面對應不同的豆?jié){原料，不同的選擇會使不同原料桶開關上的電機工作。首先MCU會判斷觸摸屏上信號的坐標位置，這是由于每一個選項的觸摸點都有自己的坐標范圍，當MCU通過CUR_X和CUR_Y寄存器讀取觸摸點的坐標后，會判斷此坐標對應的大豆原料配方，交易成功后打開對應原料的電機開關。料筒的開關是旋轉式的。軟件設置電機旋轉的轉速，控制電機打開的時間，合適的速度會使料筒開關有足夠時間打開角度，使各種大豆原料漏下。

2.4 流量控制

在用戶選擇了豆?jié){口味，在觸摸屏上按確認鍵以后，低脈沖信號會通過CD_INT信號線傳回MCU，MCU控制繼電器與磨盤的電源和流量計相連接，在原料桶電機工作的同時，打磨豆?jié){的磨盤電源被打開，水通過增壓泵進入磨盤，磨盤轉動開始打磨落下的豆子，水和豆子融合形成豆?jié){。

豆?jié){機使用的進水系統(tǒng)是由水位傳感器、增壓泵，以及控制電路組成。具體實現(xiàn)方式如下:水桶放在機器的底層，機器的中層放置了一個儲水罐。在補水程序執(zhí)行時通過自動檢測蓄水罐中的水位，如果水位低于最低水位則啟動增壓泵將水從礦泉水桶中抽入蓄水罐直到蓄水罐的水位達到高水位線，以保證蓄水罐的供水。蓄水罐水位控制電路主要通過LM358雙運放來實現(xiàn)。STM32還會在補水時通過PC0檢測滯遲比較器的輸出若長時間停留在高電平時，STM32會通過PC1關斷為水位控制電路的供電，并通過PB5控制蜂鳴器報警以提示缺水，需要更換水桶。蓄水罐下安放了一個加熱罐，用管道將蓄水罐的水導入熱水罐提供磨豆?jié){用的熱水，冷水則直接從蓄水罐引出。在此冷熱水的加入與停止都由電磁閥的開關來控制。放水的水量通過水流傳感器來檢測以實現(xiàn)水量的精確控制。

3 軟件實現(xiàn)流程圖

系統(tǒng)采用模塊化程序設計，在初始化里實現(xiàn)復位，模式設定，F(xiàn)IFO設定，頻率設定，時鐘設定等。子程序有中斷程序，流量計算程序，補水程序，電機轉速設置程序，繼電器開關程序，LCD程序，出漿程序。

圖4 軟件流程圖

等到觸摸屏的信號CT_INT為低并持續(xù)100μs時，MCU啟動中斷，設置交易參數(shù)，開始檢查交易直到交易額與用戶輸入一致，若一致則打開電機。此后將這些交易信息通過I/O口寫入SD卡。SD卡的讀寫過程大致分為4個步驟:(1)有74個時鐘信號的準備，所有的初始化命令都在這74個時鐘信號后開始工作。(2)MCU發(fā)送命令CMD17或CMD24準備開始讀或寫。(3)SD卡會發(fā)送一個respond作為回應。(4)數(shù)據(jù)開始讀出或寫入SD卡，在數(shù)據(jù)塊的最后加上16位的CRC循環(huán)校驗碼，如有多個數(shù)據(jù)塊可繼續(xù)發(fā)送。原料進入磨盤后，MCU通過I/O口軟件置高，使得繼電器工作，打開磨盤和電磁閥的機械開關。設置感應參數(shù)s1，在豆?jié){進入攪拌桶以后提示MCU將攪拌開關打開，設置定時參數(shù)t1，攪拌半分鐘后靜置半分鐘，然后出漿。出漿后出漿口關閉。感應參數(shù)s2將出漿信息反饋給MCU，打開電磁閥和攪拌開關，清洗裝置，廢水由廢水口排出。

4 測試結果及結論

整機接通220 V電壓，屏幕開始播放廣告，點擊屏幕會出現(xiàn)交易界面。選擇黃豆豆?jié){，投入一個一元硬幣，5 s之后提示繼續(xù)投幣，1 min后沒有繼續(xù)投幣，先投入的一元硬幣被吐出。再次點擊屏幕，投入3個一元硬幣，機器開始運作。首先原料桶開始下料，豆子由管子進入磨盤，此時進水系統(tǒng)和磨盤同時打開，磨出漿液，順著出口管子流入攪拌器，此時攪拌器工作，大約半分鐘后，也是出漿完畢的時間，磨好的新鮮豆?jié){靜止一會由機器的出漿口流出。一杯200 ml的豆?jié){生成完畢。在杯子底部也有豆子殘渣，但磨盤磨出的豆粉很細膩，大顆粒在靜置時以沉淀，不會影響口感。

本次項目設計了一個基于STM32芯片的多口味自動售賣五谷營養(yǎng)豆?jié){機，結合工業(yè)設計，完成了嵌入式平臺的搭載，人機交互以及自動化模式，以及軟硬件的設計和開發(fā)，成功實現(xiàn)了從選豆、磨豆、攪拌、清洗到出漿的過程。此豆?jié){機完全無需人員監(jiān)管，解放了人力。并且在機器內部使用的空氣加壓出豆?jié){的裝置，解決了機器內部結構優(yōu)化問題，使其體積減小，內部空間利用率增加，可以放入更多原料。

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