烹飪機(jī)器人液態(tài)調(diào)料添加系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張貴元 李葉龍 黃賢靜 王瓊

摘要：以Arduino Uon為控制器，綜合運(yùn)用PWM調(diào)速器﹑直流驅(qū)動(dòng)齒輪泵﹑霍爾流量傳感器﹑開(kāi)關(guān)電源﹑電磁繼電器等設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于烹飪機(jī)器人的液態(tài)調(diào)料自動(dòng)添加系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了閉環(huán)設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)液態(tài)調(diào)料的快速精確添加，并可在需要時(shí)接入物聯(lián)網(wǎng)。

關(guān)鍵詞：烹飪機(jī)器人;Arduino Uon;PWM;液態(tài)調(diào)料

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）25-0107-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

烹飪機(jī)器人通常指具有一定特殊烹飪功能的機(jī)器，與工業(yè)機(jī)器人的命名類似，“烹飪機(jī)器人”一詞的含義多指功能與人類似而非外形類似[1]。烹飪機(jī)器人的研究起步較晚，至今各項(xiàng)技術(shù)仍處于不斷發(fā)展完善中。國(guó)外烹飪機(jī)器人的研究早于國(guó)內(nèi)，以美國(guó)和日本較為突出，但多是針對(duì)西餐烹飪而設(shè)計(jì)[2]。中餐因其菜品種類繁多﹑烹制工藝復(fù)雜且極具個(gè)性化，為此至今未有真正可廣泛推廣的中餐烹飪機(jī)器人出現(xiàn)[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)該方面的技術(shù)多以專利形式出現(xiàn)，缺乏技術(shù)細(xì)節(jié)的報(bào)道，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上較為成熟機(jī)型均為半自動(dòng)式炒菜機(jī)（遠(yuǎn)未達(dá)到烹飪機(jī)器人的技術(shù)范疇） ，即人工加入主輔料及各種調(diào)料，機(jī)器按照程序自動(dòng)翻炒，然后人工自鍋內(nèi)取出菜品[5]。烹飪機(jī)器人的典型特征是全自動(dòng)化與智能化。針對(duì)此，本研究的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一套液態(tài)調(diào)料（料水﹑醬油﹑食物油等） 自動(dòng)定量添加系統(tǒng)，進(jìn)而為中餐烹飪機(jī)器人的研發(fā)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

1 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要由Arduino Uon開(kāi)發(fā)板、SRD-05VDC-SL-C型繼電器（線圈電壓5V，AC250） 、PWM直流電機(jī)調(diào)速器（DC6-90V，調(diào)速范圍0% ～100%，頻率16KHz，額定電流10A，外接電位器） 、SW-90W型開(kāi)關(guān)電源（0 ～24V可調(diào)） 、DHE540齒輪泵（24V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)） 、HZ41W霍爾流量傳感器（0.25～2.5L/min，24V） 、噴頭、液體容器、食品級(jí)材料所制軟管等組成。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。開(kāi)關(guān)電源通過(guò)繼電器為PWM調(diào)速器供電，開(kāi)關(guān)電源同時(shí)為霍爾流量傳感器供電，通過(guò)Arduino Uon開(kāi)發(fā)板數(shù)字口（采用7口） 對(duì)繼電器進(jìn)行關(guān)斷，霍爾流量傳感器反饋脈沖接入Arduino Uon開(kāi)發(fā)板數(shù)字口（采用2口） ，Arduino Uon開(kāi)發(fā)板數(shù)字口（采用4口） 為控制系統(tǒng)的啟動(dòng)端。

具體工作過(guò)程如下：當(dāng)需要添加液體調(diào)料時(shí)，通過(guò)Arduino Uon開(kāi)發(fā)板 4口發(fā)出指令，7口收到指令繼電器工作（為PWM調(diào)速器供電） ，PWM調(diào)速器根據(jù)指令需要為齒輪泵供其所需的電壓（控制流量） ，齒輪泵工作開(kāi)始添加液體調(diào)料，同時(shí)霍爾流量傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)所添加液態(tài)調(diào)料達(dá)到設(shè)定值后，霍爾流量傳感器反饋信號(hào)給Arduino Uon開(kāi)發(fā)板 2口，2口接收信號(hào)后發(fā)出繼電器斷電指令，進(jìn)而完成液態(tài)調(diào)料的定量添加，本系統(tǒng)為烹飪機(jī)器人的子系統(tǒng)，可隨時(shí)依據(jù)需要進(jìn)行調(diào)用。

2 主要硬件及控制原理

2.1Arduino控制器

Arduino是由一個(gè)基于單片機(jī)且開(kāi)放源代碼的硬件平臺(tái)和一套為Arduino板編寫(xiě)程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境組成。其最初目標(biāo)是服務(wù)非電子專業(yè)學(xué)生，故具有簡(jiǎn)單﹑廉價(jià)和易于理解等特點(diǎn)。目前 Arduino家族有Arduino Uon、Arduino Due、Arduino Ter、Arduino Nano、Arduino YUN等多種類型和系列，其中Arduino Uon為基本型也是最常用型。如圖2所示（進(jìn)口原裝版） ，Arduino Uon有兩排端口，按功能主要分為數(shù)字I/O口﹑模擬輸入口和電源口。0～13為數(shù)字I/O口，其中0（RX） 和1（TX） 作為通信使用，其中 ～3﹑～5﹑～6﹑～9﹑～10﹑～11提供PWM模擬輸出（～ 表示可作模擬輸出） ;3個(gè)GND作為電源負(fù)極使用;A0～A5為模擬輸入口;Vin一方面支持12V的電源輸入（為板子供電） ，另一方面可作為5V電源輸出口，1個(gè)5V輸出電源和1個(gè)3.3V輸出電源。

Arduino編程軟件主要有兩款：Arduino IDE和Mixly_Arduino（米思琪） 。Arduino IDE 是一款專業(yè)的Arduino開(kāi)發(fā)工具，主要用于Arduino程序的編寫(xiě)和開(kāi)發(fā)，擁有開(kāi)放源代碼的電路圖設(shè)計(jì)、支持ISP在線燒，同時(shí)支持Flash、Max/Msp、PD、C、Processing等多種程序兼容的特點(diǎn)。Mixly_Arduino是一款由北京師范大學(xué)教育學(xué)部創(chuàng)客教育實(shí)驗(yàn)室傅騫教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的圖形化編程軟件，該軟件使用圖形化編程的方式自動(dòng)生成Arduino代碼，并支持編譯和燒錄到硬件設(shè)備中，該軟件最大限度地降低了Arduino的學(xué)習(xí)門(mén)檻，非特別復(fù)雜性程序均可利用其實(shí)現(xiàn)。

2.2 直流電機(jī)調(diào)速

（1） 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方案

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式[6]如式（1） 所示。由式（1） 可知，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速可通過(guò)三種途徑實(shí)現(xiàn)，一是改變電樞電壓，二是改變電樞總電阻，三是改變每極磁通量（勵(lì)磁繞組電壓） 。實(shí)際應(yīng)用中最常用的是改變電區(qū)電壓。

[n=U-IRKφ]? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：U為電樞電壓;I為電樞電流;R為電樞電路總電阻;Φ為每極磁通量;K為電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（2） PWM控制轉(zhuǎn)速

PWM（Pulse Width Modulation） 控制——脈寬調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效獲取所需要的波形（幅值和形狀） 。如圖3所示，在方波脈沖周期一定的條件下，通過(guò)改變方波占空比來(lái)改變輸出電壓的平均值，當(dāng)占空比為100%時(shí)輸出的是電源電壓，占空比為50%時(shí)輸出電壓為電源電壓的二分之一，等等，由此通過(guò)改變占空比實(shí)現(xiàn)電樞電壓的調(diào)節(jié)。

為此，將PWM調(diào)速器（DC6-90V） 的輸出電壓接入齒輪泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)（額定電壓為24V的直流電機(jī)） ，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)（齒輪泵） 轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液體流速的控制。

2.3 霍爾流量傳感器

霍爾流量傳感器是利用霍爾效應(yīng)測(cè)量液體流量的傳感器件，在霍爾元件的正極串入負(fù)載電阻，通上相應(yīng)直流電壓并使電流方向與磁場(chǎng)方向正交，當(dāng)液體通過(guò)葉輪推動(dòng)磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，切割磁感應(yīng)線，產(chǎn)生高低脈沖電平，由于霍爾元件的輸出脈沖信號(hào)頻率與磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又與液體流量成正比，由此可通過(guò)流量傳感器輸出的單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)得出流量。

流量傳感器均標(biāo)有流量范圍，當(dāng)流量低于最低值（稱為最小啟動(dòng)流量） 時(shí)傳感器無(wú)法啟動(dòng)，而由于自身結(jié)構(gòu)參數(shù)等的限制，待測(cè)流量亦不能超出傳感器的最大量程。為此，在選擇流量傳感器時(shí)需根據(jù)需要選擇合適的量程?；魻柫髁坑?jì)按材質(zhì)可分為銅質(zhì)﹑不銹鋼和POM塑料3種，按接口大小有6mm外徑﹑10mm外徑等多種型號(hào)，其口徑越小精度越高，設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)自身需求合理選擇管路口徑并能夠和傳感器實(shí)現(xiàn)匹配。如圖4所示，本設(shè)計(jì)采用HZ41W霍爾流量傳感器（0.25～2.5L/min，24V） 。

2.4 繼電器

繼電器是一種電子控制器件，它由控制系統(tǒng)（輸入回路） 和被控制系統(tǒng)（輸出回路） 組成，是用較小電流（電壓） 控制較大電流（電壓） 的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”，按照工作的原理可分為電磁繼電器、熱敏干簧繼電器、光繼電器等。

如圖5所示，電磁繼電器一般由鐵芯、線圈（纏繞在磁鐵芯上） 、銜鐵、彈簧等組成的。由杠桿原理銜鐵在彈簧的作用抬起，當(dāng)線圈接通低壓電源后，產(chǎn)生磁效應(yīng)，銜鐵在磁力的作用下吸合，進(jìn)而帶動(dòng)金屬片下移將常開(kāi)觸點(diǎn)接通，從而接通高壓回路;斷開(kāi)線圈電源，磁力消失，銜鐵（觸點(diǎn)） 復(fù)位，切斷高壓回路。

1.負(fù)載;2觸點(diǎn);3.金屬片;4.線圈;5.銜鐵;6.彈簧

2.5 開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式。在實(shí)際應(yīng)用中調(diào)寬式應(yīng)用較多，在目前開(kāi)發(fā)和使用的開(kāi)關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)為脈寬調(diào)制型。調(diào)寬式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源原理如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)電源輸出電壓（周期內(nèi)平均電壓） 滿足式（2） 。

[UO=UmT1T]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中Um為矩形脈沖最大值;T為矩形脈沖周期;T1為矩形脈沖寬度;UO為輸出電壓。

由式（2） 可知，當(dāng)脈沖周期T和脈沖幅值Um一定時(shí)，UO與T1成正比。為此，當(dāng)設(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄或隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的降低而變寬，即可達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

開(kāi)關(guān)電源的基本原理如圖7所示。交流電壓經(jīng)過(guò)整流濾波電路后，變成含有一定脈動(dòng)成分的直流電壓（高壓） ，該電壓進(jìn)入高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，之后再將這個(gè)方波整流濾波為所需的直流電壓?？刂齐娐繁举|(zhì)是一種脈寬調(diào)制器，輸出電壓被取樣并通過(guò)比較器與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，從而完成脈寬調(diào)制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻開(kāi)關(guān)元件開(kāi)關(guān)時(shí)間比例的調(diào)節(jié)，最終達(dá)成穩(wěn)定輸出電壓的目的。

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 流量與脈沖數(shù)標(biāo)定

本設(shè)計(jì)所選取的HZ41W型霍爾流量傳感器在流量范圍0.25L/min～2.5L/min，額定電壓24V條件下，累積流量與脈沖關(guān)系滿足式（3） 。設(shè)需添加X(jué) mL液體調(diào)料（按水進(jìn)行計(jì)算） ，其所需脈沖數(shù)為n，則脈沖數(shù)n與累積流量的關(guān)系滿足式（4） 。

[1000ml=5295Hz±5%]? ? ? ? （3）

[n=5295（1±5%）X1000]? ? ? ?（4）

本設(shè)計(jì)取PWM調(diào)速為40%﹑60%﹑100%三個(gè)檔位（見(jiàn)表1） ，即驅(qū)動(dòng)電壓分別為9.6V、14.4V和24V，首先通過(guò)試驗(yàn)對(duì)前兩種電壓條件下的累積流量與脈沖關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，之后利用式（4） 即可得出在三種檔位下添加X(jué)mL液體調(diào)料所需脈沖數(shù)。當(dāng)需要改變液體調(diào)料量及調(diào)速值（電壓值） 時(shí)可按照此方法進(jìn)行標(biāo)定及計(jì)算，進(jìn)而得出不同擋位及調(diào)料量時(shí)的脈沖數(shù)。

3.2 系統(tǒng)算法

本設(shè)計(jì)作為自動(dòng)炒菜機(jī)的子系統(tǒng)，可通過(guò)手動(dòng)控制及主程序調(diào)用來(lái)啟動(dòng)，其算法如圖8所示。當(dāng)系統(tǒng)被調(diào)用時(shí)接口4置1，進(jìn)而輸出口7置高電平繼電器動(dòng)作PWM調(diào)速模塊輸出電壓（具體值可以事先手動(dòng)設(shè)置） ，液體調(diào)料開(kāi)始添加霍爾流量計(jì)開(kāi)始產(chǎn)生脈沖，脈沖被反饋到接口2，并對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到所需脈沖數(shù)時(shí)，發(fā)出信號(hào)將接口7置低電平0，電源被切斷，液體調(diào)料停止添加。當(dāng)再次需要添加液體調(diào)料時(shí)，再次調(diào)用此系統(tǒng)即可。

4 小結(jié)

全自動(dòng)化中餐烹飪機(jī)器人的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，一般包括（但不限于） 液態(tài)調(diào)料控制系統(tǒng)﹑固態(tài)調(diào)料控制系統(tǒng)﹑火力控制系統(tǒng)﹑主輔料添加系統(tǒng)等，通過(guò)各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作完成中式菜品的全自動(dòng)化烹飪過(guò)程。本文以Arduino Uon為主控板﹑綜合運(yùn)用霍爾流量計(jì)﹑PWM調(diào)速器等電子器件，設(shè)計(jì)了用于烹飪機(jī)器人的液態(tài)調(diào)料自動(dòng)添加系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)液態(tài)調(diào)料的快速精確添加，并且通過(guò)接入Wi-Fi模塊或?qū)⒖刂瓢迳?jí)為Arduino Yun的方式快速接入物聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】