孫雪非，張 濤,2

（1.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；2.湖南省長沙市礦山研究院，長沙 410083）

0 引言

電飯煲、豆?jié){機(jī)、榨汁機(jī)等自動化廚房設(shè)備的相繼面世以來，極大的便利了人們的生活。自動炒菜機(jī)也成為人們越來越期望的自動化設(shè)備?？偨Y(jié)市面上現(xiàn)有的自動炒菜機(jī)和研究學(xué)者提出的理想方案，主要分為以下三種：第一種是以九陽J7全自動智能炒菜機(jī)為例的小型炒菜機(jī)，帶有一個(gè)普通炒鍋，使用手機(jī)APP或電腦控制點(diǎn)菜，加入食材自動燜煮、最后手工調(diào)味。第二種是以德國寶ISF-622多功能智能炒菜機(jī)為例的帶滾筒的較大型炒菜機(jī)，帶有控制面板，加入食材之后，可模擬人工翻炒，最后手工調(diào)味。第三種是Morishita等人提出的包含多個(gè)監(jiān)控烹飪動作的傳感器、完成廚房烹飪流水線廚房控制系統(tǒng)[1]。

第一種方案操作靈活，但由于炊具的限制，只能實(shí)現(xiàn)燜煮的操作，可以烹飪的菜肴有限；第二種方案可以實(shí)現(xiàn)食材的充分混合，烹飪方式有所增加，但與第一種方案均需要人工加入調(diào)料、端菜和洗鍋；第三種方案基本可以滿足要求，但目前還停留在概念階段。本文旨在設(shè)計(jì)出能代替人的大部分甚至是全部的工作，設(shè)計(jì)出能夠烹飪多種復(fù)雜的菜式且口味有一定的保證；能夠端出烹飪完成的菜肴并實(shí)現(xiàn)傳菜功能；能夠循環(huán)烹飪、自動洗鍋刷鍋的智能炒菜機(jī)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本文在設(shè)計(jì)時(shí)希望可以省去人工添加調(diào)料，端菜和洗鍋的工作，人工只需要在已經(jīng)分好類（肉類1、肉類2、蔬菜1、蔬菜2、蔬菜3、主食、鹽、醋、糖、醬油和料酒等）的盒子中加入相應(yīng)原料，等待菜肴烹制完成出鍋即可。因此將該智能炒菜機(jī)設(shè)計(jì)成為一個(gè)流水系統(tǒng)，又參考了小型自動炒菜機(jī)的手機(jī)和PC終端點(diǎn)菜控制功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)由一臺上位機(jī)下發(fā)控制指令，多臺下位機(jī)接收指令并執(zhí)行的系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，上位機(jī)人機(jī)交互界面由QT編寫[2]，具有點(diǎn)菜、預(yù)約和取消等功能，與數(shù)據(jù)庫相連，可從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取廚師的經(jīng)典菜單。下位機(jī)包含檢測模塊和執(zhí)行模塊兩個(gè)主要部分，執(zhí)行部分包括電源模塊、炒菜過程中需要使用的炒鍋、電磁爐模塊及洗鍋、投放物料和端菜傳菜過程需使用的直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器模塊。檢測部分包括檢測炒鍋和電磁爐內(nèi)液面高度的液位浮球開關(guān)、檢測炒鍋和電磁爐內(nèi)物料溫度的PT100測溫元件和檢測電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的接近開關(guān)等模塊。本文的主要研究對象是智能炒菜機(jī)的下位機(jī)部分。

圖1 智能炒菜機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1 硬件原理圖的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)需要下位機(jī)實(shí)現(xiàn)以下功能：對6臺步進(jìn)電機(jī)、8臺直流電機(jī)、1臺變頻電機(jī)的控制；對炒鍋和電磁爐的溫度控制；對16個(gè)接近開關(guān)和8個(gè)浮球液位開關(guān)的狀態(tài)的檢測；對溫度和電流的檢測?？紤]到可以使用輪詢訪問方式減少接近開關(guān)及浮球液位開關(guān)所使用的IO口總數(shù)，增加IO口的利用率，在設(shè)計(jì)因此在設(shè)計(jì)硬件原題圖時(shí)，引入了片選芯片74HC4051、7CHC4067，整個(gè)系統(tǒng)共計(jì)需要40余個(gè)開關(guān)量和模擬量的輸入輸出，系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理框圖

其中主控制器為Microchip公司生產(chǎn)的PIC18F87K22芯片[3]，PIC18F87K22有RA至RG共7組IO口，每一組IO口有八個(gè)子IO口，共計(jì)56個(gè)IO口，該芯片還帶有12位AD轉(zhuǎn)換器、1MB增強(qiáng)型閃存器、具有80引腳的高性能單片機(jī)，可以提供3路PWM輸出，可滿足本次設(shè)計(jì)的所有要求[4]。

2.2 直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及變頻電機(jī)的控制電路設(shè)計(jì)

智能炒菜機(jī)在炒菜、端菜、傳菜和洗鍋過程中需要使用到直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和變頻電機(jī)。對于直流電機(jī)的控制，本文利用繼電器的開關(guān)特性既可以實(shí)現(xiàn)無驅(qū)動器控制的直流電機(jī)控制方式，同時(shí)也支持有驅(qū)動器環(huán)境下的直流電機(jī)的控制。圖3為一組直流電機(jī)控制的電路原理圖。無驅(qū)動器控制時(shí)，利用繼電器使直流電機(jī)兩端電壓分別為+12V和AGND，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；當(dāng)直流電機(jī)兩端電壓相同時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。有驅(qū)動器控制時(shí)，可通過控制“使能端”和“方向端”的電壓值為+12V或AGND，與直流電機(jī)驅(qū)動器相連，控制同理。

圖3 直流電機(jī)控制電路

對于步進(jìn)電機(jī)的控制，本系統(tǒng)采用了MOONS'公司的SR2驅(qū)動器，共陰極接法。PIC單片機(jī)輸出兩路開關(guān)量“EN”和“DIR”分別控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)停和轉(zhuǎn)向，輸出一路脈沖“STEP”控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動示意圖如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動示意圖

對于變頻電機(jī)的控制，PIC18F87K22單片機(jī)具有PWM輸出功能，為了保證這一路輸出經(jīng)過光電耦合器只被隔離而不影響原有的占空比，本文采用輸入輸出成線性關(guān)系的HCNR200線性光耦，調(diào)整電路參數(shù)[5]，使輸入輸出保持線性關(guān)系。

PIC單片機(jī)輸出的PWM脈沖，即為HCNR的輸入端，其電壓為Vin；連接變頻器的端口為HCNR的輸出端，電壓為Vout，HCNR的輸入端和輸出端存在如下線性關(guān)系：

圖5 PT100測溫前置放大電路

其中，K為比例系數(shù)，R1和R2分別如輸入端和輸出端的電阻。因此，可以驅(qū)動PIC單片機(jī)輸出占空比不同的PWM方波，再通過HCNR200線性光耦驅(qū)動變頻電機(jī)以不同速率工作。

2.3 PT100測溫電路設(shè)計(jì)

智能炒菜機(jī)系統(tǒng)在制作菜肴時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控鍋內(nèi)物料的溫度，因此選取合適的溫度傳感器及設(shè)計(jì)相應(yīng)放大電路來獲取準(zhǔn)確的溫度值是本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。本文使用的溫度傳感器是PT100，是一種穩(wěn)定性和線性都比較好的鉑絲熱電阻傳感器，工作范圍為-200℃至 650℃[6]?？紤]到炒菜環(huán)境中的物料溫度，本系統(tǒng)中選擇其工作在0℃～500℃范圍。PT100測溫電路分為兩部分：傳感器前置放大電路和單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換電路。前置放大部分原理圖如圖5所示。從圖中可以看出傳感器的兩端接入一個(gè)二級放大電路，放大倍數(shù)分別為。按照PT100的參數(shù)，其在0℃～500℃的區(qū)間內(nèi)，電阻值為100～280.9Ω，根據(jù)放大電路的工作原理，PT100放大電路的輸出端電壓Up與PT100阻值有如下關(guān)系：

其中，Vcc為參考電壓，RPT100為PT100傳感器的實(shí)時(shí)電阻，根據(jù)式(2)可求得RPT100，又因?yàn)樵?200℃～650℃范圍內(nèi)，溫度T與阻值RPT100間存在較好的線性關(guān)系，則有：

其中RPT100為PT100在環(huán)境溫度為0℃時(shí)的阻值。連列式(2)和式(3)可以計(jì)算出不同輸出電壓對應(yīng)的檢測溫度[6]。

3 智能炒菜機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

圖6 PIC單片機(jī)主程序流程框圖

完成了系統(tǒng)的硬件部分的實(shí)物設(shè)計(jì)后，需要根據(jù)本次設(shè)計(jì)需要，在PIC單片機(jī)機(jī)中燒錄相應(yīng)程序。下位機(jī)的程序決定了與上位機(jī)之間的通信方式，及收到上位機(jī)指令后將如何動作，程序主要分為主程序和中斷兩個(gè)部分，主程序的流程框圖如圖6所示。由圖中可以看出，主程序中為一個(gè)大循環(huán)，在每一次循環(huán)中下位機(jī)判斷上位機(jī)是否有發(fā)給該下位機(jī)節(jié)點(diǎn)的指令，若有，則存儲指令，更新相應(yīng)的標(biāo)志位和時(shí)間點(diǎn)，并根據(jù)已經(jīng)獲得的接近開關(guān)和浮球液位開關(guān)的實(shí)時(shí)檢測結(jié)果Flagi（i=1，2，…，24）來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行相應(yīng)的動作；若沒有上位機(jī)的新指令，根據(jù)原有的標(biāo)志位和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)時(shí)檢測結(jié)果Flagi（i=1，2，…，24）執(zhí)行相應(yīng)動作。

3.2 中斷程序設(shè)計(jì)

中斷程序分為三個(gè)部分，T0中斷用于檢測接近開關(guān)和浮球液位開關(guān)的動作變換及獲得對應(yīng)序號，T2中斷用于指令動作時(shí)間的定時(shí)，AD中斷用于檢測外部的輸入，流程框圖如圖7所示。

圖7 PIC單片機(jī)中斷程序流程框圖

T0中斷設(shè)為50ms，即每50ms進(jìn)入一次T0中斷，在該中斷中，T0定時(shí)器重新賦初值，控制片選芯片，一次訪問片選芯片的各個(gè)輸出端的端口電壓，則可獲得各個(gè)接近開關(guān)和浮球液位開關(guān)的狀態(tài)，刷新實(shí)時(shí)檢測結(jié)果Flagi（i=1，2，…，24）。

T2中斷設(shè)為100ms，通過累加獲得系統(tǒng)時(shí)間的秒、分和時(shí)，用于下位機(jī)的定時(shí)，與指令中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開始動作時(shí)間和結(jié)束動作時(shí)間結(jié)合判斷，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。系統(tǒng)進(jìn)入AD中斷后，開始將外部系統(tǒng)輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再由PIC單片機(jī)做后續(xù)處理。

3.3 QT界面下基于Modbus和MySOL數(shù)據(jù)庫的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)PC端的人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)點(diǎn)菜、預(yù)約等功能，本文在設(shè)計(jì)界面時(shí)選擇了QT作為開發(fā)平臺，C++作為編程語言，利用QT自帶的串口庫程序，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通訊。本文設(shè)計(jì)的指令發(fā)送界面如圖8所示，此界面分為三個(gè)區(qū)域，串口設(shè)置區(qū)域、發(fā)送區(qū)域和接收區(qū)域。接收區(qū)域可以選擇通訊端口及傳輸速率，發(fā)送區(qū)域?yàn)橹噶盍斜?，接收區(qū)域?yàn)橄挛粰C(jī)發(fā)送來的各外圍設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測數(shù)據(jù)[5]。

圖8 上位機(jī)指令發(fā)送界面

由于菜譜數(shù)據(jù)復(fù)雜多變，且需要在云端更新，我們引入了MySQL數(shù)據(jù)庫，將菜譜中的每一道菜存為一組長為28個(gè)字節(jié)的指令數(shù)據(jù)，存儲于數(shù)據(jù)庫中的一個(gè)表中，接收到的檢測數(shù)據(jù)存儲了數(shù)據(jù)庫的另一個(gè)表中，需要時(shí)我們可以直接查閱并調(diào)用數(shù)據(jù)庫。

由于在使用過程中，主控制器需要不斷地將檢測模塊的實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)和當(dāng)前執(zhí)行模塊的運(yùn)行狀態(tài)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)通過計(jì)算判斷需要不斷給主控制器發(fā)送指令，因此上位機(jī)與下位機(jī)的通訊需要高速且穩(wěn)定，由于智能炒菜機(jī)系統(tǒng)需要多個(gè)主控器及其外圍設(shè)備配合，因此通訊時(shí)還需要考慮多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的干擾和對總線的占用問題。本文針對上述要求，選擇工業(yè)級別的Modbus總線協(xié)議，使用RS485通訊接口，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與多個(gè)下位機(jī)之間的通訊。為了精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)的通訊靈活性，本系統(tǒng)沒有使用Modbus芯片，而采用了軟件編寫代碼的方式實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議[6]，上位機(jī)Modubus模塊的流程框圖如圖9所示。

圖9 Modbus協(xié)議代碼實(shí)現(xiàn)流程圖

4 結(jié)論

本文基于PIC18F87K22單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了AD轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了PWM輸出，實(shí)現(xiàn)了對多節(jié)點(diǎn)、多路輸出的控制，實(shí)現(xiàn)了對多路接近開關(guān)和浮球液位開關(guān)的輪詢訪問，設(shè)計(jì)完成了一個(gè)集點(diǎn)菜、烹飪、傳菜和刷鍋功能于一體的智能炒菜機(jī)系統(tǒng)。在整個(gè)烹飪過程中，人工只需從菜譜中選擇烹飪的菜肴并投入相應(yīng)物料即可，極大的解放了繁雜的烹飪工作，在智能廚房等項(xiàng)目中有良好的應(yīng)用前景。

此外，本系統(tǒng)也存在一些可以改進(jìn)的地方，在人機(jī)交互方面，可以考慮與手機(jī)app結(jié)合，實(shí)現(xiàn)移動化控制；在產(chǎn)品功能方面，可以增加物料的分類洗滌，如對肉類原料和蔬菜類原料進(jìn)行不同程度的清洗等。