組合型家用廚房自動剁刀

天津職業(yè)技術師范大學工程實訓中心 田增印 劉 鵬 馬棟財 叢歡亭 李光澤 李 娜

1.機械結(jié)構(gòu)

該設備采用stm32單片機以及機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)智能自動化多功能調(diào)控系統(tǒng)綜合控制，雙刀頭由一個直流減速電機通過可調(diào)行程雙曲柄機構(gòu)傳動達到刀頭上下移動的剁削目的，支撐刀頭懸架由光軸與絲杠配合滑動以達到刀頭左右移動的目的。

刀頭采用金屬不銹鋼材質(zhì)配制，刀的安裝采用一鍵式鎖緊軌道固定刀頭，以實現(xiàn)刀的方便拆卸與清洗。

食物托盤采用方形實心竹制菜板，底部與雙滑軌連接，實現(xiàn)菜板的移動與清洗。

設備外形包裹設計采用復合民用白色塑料材質(zhì)，設計精巧美觀實用。

設備操控面板分為：肉類精切、肉類切片、蔬菜切片、蔬菜切碎、快切、慢切、抬刀?？赏ㄟ^切換選項控制刀的切削力度與快慢實現(xiàn)刀自動調(diào)控。

2.電路設計

（1）復位電路

復位就是程序跑到了一半，按了一下復位鍵，程序就會從頭開始重新跑。當按鍵按下時，會給NRST引腳一個低電平，STM32檢測到這個低電平，就會復位重新跑程序。

（2）程序下載電路

STM32下載電路設計有兩種，一種是JTAG下載，一種是SW下載。通過此電路把程序下載到STM32中。當沒有低電平輸入時，上拉電阻可保證輸入端是穩(wěn)定的高電平狀態(tài)。如果沒有上拉電阻，外界的低電平干擾很容易加到輸入端上，使出現(xiàn)錯誤動作。而有的是下拉電阻，將輸入端進行下拉接地，將輸入處于低電平狀態(tài)，輸入端懸空時為高阻抗，外加高電平干擾很容易加到輸入端上。

3.BTN7971電路及H橋原理

BTN7971是應用于大電流、半橋、高集成的驅(qū)動電動機芯片，它分別帶有一個P、N溝道的高低邊MOSFET，以及一個驅(qū)動IC。P溝道高邊開關省去了電荷泵的需求，因而減少了周邊環(huán)境對它的干擾。集成的驅(qū)動IC具有斜率調(diào)節(jié)、電流診斷、死去時間產(chǎn)生和過溫、過流及短路保護、過壓、邏輯電平輸入的功能。BTN7971可輸入電壓4.5—25V,驅(qū)動電流可達到70A.。完全可以滿足我們的需要。

BTN7971使用簡單，不需要和分立元件搭建的H橋一樣復雜，每片BTN7971就是一個半橋，兩片BTN7971即可組成一個H全橋驅(qū)動電路。BTN7971的2管腳接輸入的脈寬調(diào)制信號，4、8管腳分別接電動機的兩級，1和7管腳之間接一個電解電容，并將1管腳接地，通過改變兩路脈寬調(diào)制信號的占空比，使得輸出兩端產(chǎn)生電壓差，電動機就會轉(zhuǎn)動。

H橋驅(qū)動電路圖

H橋驅(qū)動原理圖

4.STM32CubeMX

程序編譯器采用MDK5，該編譯器源于德國的keil公司，是目前嵌入式設計的開發(fā)工具。STM32CubeMX是用圖形配置向?qū)蒀語言初始化代碼，目的是為了減少開發(fā)人員的時間和成本。

在安裝STM32CubeMX軟件之前應先有Java運行環(huán)境，然后進入st官網(wǎng)即可下載。下載界面如圖所示。點擊獲取軟件即可。

下載STM32Cube軟件包，使用在線下載方式即可，離線下載方式容易出現(xiàn)版本不匹配的現(xiàn)象。在下載軟件軟件包之前，還要設置安裝的位置，運行軟件，選擇Help菜單的Updater Settings子菜單項，打開下載窗口點擊下載即可，下載之后就可運行HAL標準庫的函數(shù)。

5.顯示模塊

液晶顯示器（LCD）的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面并配合背部燈管構(gòu)成畫面。各種型號的液晶通常是按照顯示字符的行數(shù)或液晶點陣的行、列數(shù)來命名的。本次使用的是12864液晶，由128列、64行組成。

示例代碼：

6.PID 控制電機調(diào)速

PID的常用微分公式如下：

其中：

Kp ——控制器的比例系數(shù)

Ti ——控制器的積分時間，也稱積分系數(shù)

Td ——控制器的微分時間，也稱微分系數(shù)

PID控制系統(tǒng)原理圖

（1）比例部分

比例調(diào)節(jié)作用是按照比例分析系統(tǒng)出現(xiàn)的偏差，當系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時，比例部分用來減少偏差。在模擬PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間作出反應。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。比例作用大，可以加快電機的調(diào)節(jié)，減少誤差性，但是過大的比例會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。

（2）積分部分

實際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調(diào)節(jié)過程。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對偏差量做出立即響應，而且要根據(jù)偏差的變化趨勢預先給出適當?shù)募m正。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應速度，以及增加系統(tǒng)的超調(diào)量。為了實現(xiàn)這一作用，可在PI控制器的基礎上加入微分環(huán)節(jié)，形成PID控制器。

（3）微分部分

微分調(diào)節(jié)作用是反應系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此可以改變系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對髙階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感，對那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對輸入信號進行濾波。

Pid算法流程圖

示例代碼：

[1]康華光,陳大欽,張林.電子技術基礎[M].高等教育出版社,2005.

[2]李慧.機械結(jié)構(gòu)設計與工藝分析[M].機械工業(yè)出版社,2012.

[3]隋金雪,楊莉,張巖.“飛思卡爾”杯智能汽車設計與實例教程[M].電子工業(yè)出版社,2014.