蔣錦開 魏浩森 徐夢(mèng)凡 孫韶婷

摘 要：本設(shè)計(jì)是一款基于STM32單片機(jī)控制的小型家用自動(dòng)包餃子機(jī)。其結(jié)構(gòu)分為壓合部分、注餡部分以及面皮壓制部分。電路部分由STM32單片機(jī)、傳感器控制電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。本設(shè)計(jì)利用傳感器檢測(cè)技術(shù)使餃子制作過程更加智能化，此外還使用了防夾手檢測(cè)，使操作更加安全。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)精巧，占用空間較小，而且拆裝簡(jiǎn)單清洗便捷。大大縮短并降低了餃子的制作時(shí)間和制作難度。節(jié)約人工成本，同時(shí)兼?zhèn)淙藱C(jī)交互性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。而且可為餃子這一中華傳統(tǒng)美食文化的傳承及對(duì)外傳播起到一定的助推效果。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);家用包餃子;傳感器;智能化

0 引言

餃子作為一種中華傳統(tǒng)美食，起源于東漢時(shí)期?，F(xiàn)如今早已名揚(yáng)海外，深受國(guó)內(nèi)外人士青睞。然而餃子的制作過程難度較大，且較為繁瑣。如果自動(dòng)包餃子機(jī)得以推廣，能降低并縮短了餃子的制作難度和制作時(shí)間。使用者只需將餡料及和好的面團(tuán)，照說明放入指定的容器中。不久就可以制出數(shù)目可觀的餃子。這樣一來，自制餃子將會(huì)被端上更多家庭的餐桌。在一定程度上促進(jìn)了中華傳統(tǒng)美食文化的傳播。

1.總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)包餃子機(jī)裝置具有工作區(qū)、電路區(qū)、人機(jī)交互區(qū)。

1）工作區(qū)將和好的面團(tuán)先行壓制成長(zhǎng)條狀餃子皮，并送至傳送帶，傳送帶中途設(shè)置餡料擠出機(jī)。擠出機(jī)將餡料加注至餃子皮上。

2）后送至旋轉(zhuǎn)壓合機(jī)構(gòu)，由壓合機(jī)構(gòu)按壓成型。制出餃子。

3）電路區(qū)主要由STM32F103C8T6微處理器控制4臺(tái)由TB6600芯片驅(qū)動(dòng)的57步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。兩臺(tái)電機(jī)分管餃子皮的壓制，另外兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)餃子機(jī)的壓合機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。此外還設(shè)有GP2Y0A21紅外測(cè)距模塊，該模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)防止出現(xiàn)餃子皮在移動(dòng)過程中造成意外堆疊。

4）人機(jī)交互區(qū)設(shè)置了2.42寸OLED顯示屏實(shí)時(shí)匯報(bào)餃子的產(chǎn)出速度、餡料余量，以及電池剩余電量。操作者可使用四位獨(dú)立按鍵對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行控制。

上述三個(gè)職能分區(qū)，做到了三區(qū)分離，每個(gè)職能分區(qū)均相互獨(dú)立。這樣的設(shè)計(jì)可以更好的做到安全衛(wèi)生，清洗、拆卸方便，電路元件使用壽命更長(zhǎng)，也為使用者提供了干凈整潔的操作環(huán)境。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）處理器選型

本產(chǎn)品處理器選擇的型號(hào)為意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6，該處理器采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72 MHz。同時(shí)它還具有高達(dá)64KB的Flash， 20KB的RAM。此芯片還具有豐富的通用I/O端口，外設(shè)資源豐富，能完全滿足產(chǎn)品的功能需要。在整體上，其性能相對(duì)于其他產(chǎn)品較為優(yōu)越。

（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6的單個(gè)IO口的最大輸出電流是25mA;必然無法驅(qū)動(dòng)額定電流為4A的57步進(jìn)電機(jī)。TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片一款大功率，高細(xì)分，兩項(xiàng)混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。他采用雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)通電阻只0.4歐，其耐壓高達(dá)50V，最高可以輸出4.5A的電流，同時(shí)它還內(nèi)置了溫度保護(hù)和過流保護(hù)。能完美的實(shí)現(xiàn)我們的外設(shè)需求。將STM32F103C8T6的IO口連接到TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的控制信號(hào)接口上，就可以通過發(fā)送脈沖，來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）顯示模塊的選取

該產(chǎn)品選取2.42寸的OLED屏來做為顯示模塊，首先，OLED屏幕尺寸小，顯示尺寸為0.96寸，而模塊的尺寸僅為27mm*26mm大小，其次，OLED由于同時(shí)具備自發(fā)光，不需背光源而且對(duì)比度高。同時(shí)，2.42寸的OLED屏還具有128*64的高分辨率。因?yàn)镺LED顯示技術(shù)的自發(fā)光特性，使其功耗較低，能極大節(jié)省電能。

（4）人體感應(yīng)模塊的選取

由于本產(chǎn)品是家用式產(chǎn)品，需要一套完善的安全保護(hù)系統(tǒng)，所以人體感應(yīng)模塊的靈敏度和準(zhǔn)確性就顯的極其重要。HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用德國(guó)原裝進(jìn)口LHI778探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式。所以我們選取HC-SR501作為人體感應(yīng)模塊。

（5）測(cè)距模塊的選取

為預(yù)防餃子皮在運(yùn)作的時(shí)候出現(xiàn)堆疊等意外情況，本產(chǎn)品需要一個(gè)在較短距離內(nèi)能精準(zhǔn)的測(cè)距模塊。所以本產(chǎn)品選用了GP2Y0A21YK0F距離測(cè)量傳感器，它采用三角測(cè)量的方式，被測(cè)物體的材質(zhì)、環(huán)境溫度以及測(cè)量時(shí)間都不會(huì)影響測(cè)量精度。傳感器輸出電壓值對(duì)應(yīng)探測(cè)距離，在10cm到20cm范圍內(nèi)線性度較高。同時(shí)價(jià)格較低，可降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)由高精度的步進(jìn)電機(jī)來提供，步進(jìn)電機(jī)具有高精度的開環(huán)定位功能，在負(fù)載容許范圍內(nèi)步進(jìn)角度與控制脈沖存在嚴(yán)格的比例關(guān)系，符合本設(shè)計(jì)的要求。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來控制。TB6600是一款完整的微步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，包括一個(gè)固定的關(guān)斷時(shí)間電流調(diào)節(jié)器，能夠在慢速或者混合衰減模式下工作，提高步進(jìn)精度并降低功耗，在使用時(shí)只需要主控芯片給出方波脈沖，即可實(shí)現(xiàn)通過脈沖信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)步距角的精確控制。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖采用STM32的定時(shí)器輸出比較模式來產(chǎn)生占空比為百分之五十的方波脈沖，通過控制脈沖發(fā)生頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

夾手檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)借助紅外感應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的感知，這里采用的是人體感應(yīng)模塊HC-SR501來實(shí)現(xiàn)，由單片機(jī)檢測(cè)此模塊的輸出信號(hào)來判斷是否感應(yīng)到人體做出相應(yīng)的反應(yīng)。

為預(yù)防餃子皮在運(yùn)作的時(shí)候出現(xiàn)堆疊等意外情況，本設(shè)計(jì)增加了測(cè)距模塊GP2Y0A21YK0F用于測(cè)量餃子皮的厚度來判斷是否堆疊，當(dāng)所探測(cè)物體的距離不同時(shí)，模塊輸出的電壓值也不盡相同，單片機(jī)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換檢測(cè)電壓即可得到測(cè)量的距離。

本設(shè)計(jì)還具有餡料和面團(tuán)檢測(cè)的功能，在這里采用壓力檢測(cè)的方式，當(dāng)檢測(cè)到的壓力小于容器本體重量時(shí)視為餡料不足可通過顯示器向用戶反饋提示加料。

上述各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)放在單片機(jī)的定時(shí)器中斷中執(zhí)行，執(zhí)行周期為5ms，以便快速做出應(yīng)急反應(yīng)。在進(jìn)行各個(gè)模塊初始化之后每隔5ms檢測(cè)一次將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)放在全局變量中，對(duì)數(shù)據(jù)的比較和處理放在主程序中，整體流程如圖1所示

4 系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)

自動(dòng)包餃子機(jī)的所有金屬材質(zhì)均采用達(dá)到可食用接觸標(biāo)準(zhǔn)的304不銹鋼。嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采購，其與食品接觸的表面使用光滑、無吸收性、易于清潔保養(yǎng)和消毒，在正常生產(chǎn)條件下不會(huì)與食品、清潔劑和消毒劑發(fā)生反應(yīng)，使用過程中能保證完好無損。

主體框架結(jié)構(gòu)由2mm厚的一體化切割折彎而成，邊緣處采用倒角工藝加工，美觀且能有效防止劃傷。內(nèi)部則采用歐標(biāo)2020鋁型材支撐，保持其結(jié)構(gòu)剛性。壓合裝置由不銹鋼材質(zhì)CNC加工制成，清洗方便不易出現(xiàn)銹跡。

兩臺(tái)大功率57步進(jìn)電機(jī)為壓制餃子皮的壓面機(jī)提供動(dòng)力來源，使用過程只需將面粉和水以10：3的比例混合揉勻，放入壓面機(jī)即可壓出厚度合適且均勻的餃子皮。壓制出的餃子皮，將自然貼合V型傳送槽帶向前移動(dòng)。緊接著進(jìn)入餡料擠出環(huán)節(jié)，餡料擠出機(jī)將事先準(zhǔn)備好的餡料按預(yù)設(shè)的頻率，壓入V子開口的餃子皮上。一起送入壓合裝置中，兩壓合模具對(duì)象旋轉(zhuǎn)，將餃子皮沿餡料的輪廓向內(nèi)擠壓成制成餃子。

5 總結(jié)

本文闡述的全自動(dòng)包餃子機(jī)，可幫助較低烹飪基礎(chǔ)人群，便捷快速的進(jìn)行餃子的制作。因該設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單，人機(jī)交互功能完善，方便清洗，結(jié)構(gòu)可靠耐用。同時(shí)裝置測(cè)試時(shí)表現(xiàn)的低噪音很適合家庭使用。出口至國(guó)外還能剛好的為餃子這一傳統(tǒng)美食的普及做出一定的貢獻(xiàn)。

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（河南科技大學(xué) ?河南 ?洛陽 ?471023）