張穎潔 張涵 張桂藝 李貝貝 趙鴻博

摘要：針對(duì)目前大部分中小型面館、早餐店等揉面過(guò)程存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于Arduino控制的全自動(dòng)揉面設(shè)備。該設(shè)備采用Arduino UNO R3單片機(jī)作為主控芯片，USART HMI TJC4827X343_011X串口屏作為人機(jī)交互顯示部分，設(shè)備包括質(zhì)量采集模塊、水量采集模塊、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊、原料投放模塊、人性化語(yǔ)音報(bào)警模塊以及面粉攪拌模塊。該設(shè)備經(jīng)過(guò)調(diào)試與測(cè)試后，各部分運(yùn)行可靠，性價(jià)比高;設(shè)備各功能穩(wěn)定性、集成度以及揉面效果都達(dá)到了預(yù)期要求。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng)揉面設(shè)備;自動(dòng)化控制系統(tǒng);微控制器;機(jī)電一體化

0 引言

據(jù)調(diào)查，目前大部分面館、早餐店等都是采用人工進(jìn)行面與水的配比，使用人力進(jìn)行揉面，這是一件耗時(shí)耗力的事情，在一些普通面館，往往需要在營(yíng)業(yè)前準(zhǔn)備一定量的面，以應(yīng)對(duì)人流高峰時(shí)期的需求，而面館客流量往往十分不均，在不確定需求量的情況下經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)揉面過(guò)多或揉面不足的問(wèn)題。大中型面食品店揉面使用的主流設(shè)備仍停留在半自動(dòng)層面，需要人工加面、加水、配比、搬運(yùn)，消耗大量的人力資源。面制品是我國(guó)最重要的食品之一，日常需求量非常大，為了促進(jìn)面制品市場(chǎng)的發(fā)展，本文從中小型面制品商家角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于Arduino控制的全自動(dòng)揉面設(shè)備，其操作簡(jiǎn)單，采取模塊化設(shè)計(jì)方法，便于設(shè)備功能的拓展與裁剪，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互選擇界面、原料自動(dòng)投放、配比、自動(dòng)揉面、快速成型、自動(dòng)提醒等功能需求，為中小型面制品商家的揉面工作提供極大便利。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)備以Arduino UNO R3單片機(jī)作為主控芯片，STM32系列單片機(jī)作為屏幕控制芯片，HMI串口屏作為人機(jī)交互動(dòng)態(tài)顯示屏幕。設(shè)備主要分為用戶選擇、原料投放、揉面、語(yǔ)音提醒以及總體控制等部分。設(shè)備初始化完成后，各個(gè)模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，不間斷地檢測(cè)各自的命令信號(hào)與傳感參數(shù)的變化，主控芯片開始循環(huán)檢測(cè)相應(yīng)數(shù)據(jù)的傳輸情況，并對(duì)傳入的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)處理，然后將相應(yīng)的指令傳達(dá)至相應(yīng)的模塊，各個(gè)模塊依次有序進(jìn)行各自功能的實(shí)現(xiàn)，一次工作完成后設(shè)備自動(dòng)復(fù)位，循環(huán)等待下一次工作指令。

Arduino單片機(jī)作為設(shè)備的集中控制模塊，完成各個(gè)模塊工作命令的傳達(dá)和處理每個(gè)模塊傳入數(shù)據(jù)，HMI串口屏內(nèi)嵌STM32芯片，作為屏幕信息的處理器。本設(shè)備在屏幕部分寫入可視化用戶選擇界面，供用戶操作，用戶可根據(jù)不同的揉面需求選擇相應(yīng)的選項(xiàng)，然后自行輸入需要揉制面粉的質(zhì)量，點(diǎn)擊確定之后HMI串口屏?xí)⑾鄳?yīng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸rduino單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，依據(jù)用戶選擇的類型跳入相應(yīng)算法處理，計(jì)算出揉面時(shí)力的大小以及所需的時(shí)間，根據(jù)面粉的質(zhì)量，依靠不同公式計(jì)算出所需水的質(zhì)量。計(jì)算的同時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)42步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)下料器運(yùn)作，使面粉均勻進(jìn)入攪拌桶，進(jìn)面粉時(shí)，質(zhì)量傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)揉面桶內(nèi)面粉進(jìn)入的質(zhì)量，并傳輸至主控單片機(jī)，當(dāng)面粉進(jìn)入量等于用戶需求時(shí)，42步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)作，面粉停止進(jìn)入，電磁閥開啟，水開始進(jìn)入攪拌桶，水流量計(jì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)進(jìn)水量，當(dāng)滿足條件時(shí)，電磁閥關(guān)閉，進(jìn)水停止，57步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)雙軸攪拌桿開始攪拌，運(yùn)作依據(jù)算法計(jì)算所得時(shí)間，時(shí)間達(dá)到后單片機(jī)傳輸指令至蜂鳴器，蜂鳴器開始運(yùn)作，提醒用戶工作完成，蜂鳴器運(yùn)作完成后設(shè)備復(fù)位，等待下一次運(yùn)作。

設(shè)備整體電能由220 V交流電提供，日常條件即可滿足用電需求，即插即用。220 V交流電經(jīng)設(shè)備內(nèi)部電源模塊降至36 V直流電，分至兩步進(jìn)電機(jī)使用，其中部分利用降壓模塊降至12 V供電磁閥使用，最后通過(guò)5 V降壓模塊和穩(wěn)壓模塊，提供5 V穩(wěn)定直流電，供主控芯片以及串口屏使用。其中設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，電源規(guī)劃如圖2所示。

2 設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

主控板是一款基于ATmega328P的微控制器板，采用C++語(yǔ)言控制，含有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳，6個(gè)可作PWM輸出，6個(gè)模擬輸入，采用16 MHz晶振時(shí)鐘，USB連接，電源插孔，使用ICSP接頭和復(fù)位按鈕，方便簡(jiǎn)單，能夠較好滿足設(shè)計(jì)硬件要求。電機(jī)采用的是42與57步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)不僅運(yùn)作平穩(wěn)、噪聲小而且扭矩大，適合為下料器以及面粉攪拌桿提供平穩(wěn)動(dòng)力。USART HMI串口屏底層已經(jīng)封裝好，通過(guò)串口（USART 232）與用戶MCU進(jìn)行交互，可隨時(shí)通過(guò)USART發(fā)送指令通知設(shè)備，結(jié)合主控單片機(jī)出色完成設(shè)備要求。設(shè)備采用的HX711質(zhì)量傳感器價(jià)格低廉，質(zhì)量誤差在1 g內(nèi)較精確，耗能十分少?？刂七M(jìn)水量采用空氣電磁閥與水流量計(jì)結(jié)合，水流量計(jì)可以將流過(guò)水量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳遞給主控芯片，主控芯片通過(guò)控制繼電器的高低電平實(shí)現(xiàn)對(duì)12 V電磁閥通斷的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)水的控制，以實(shí)現(xiàn)面水的精確配比，保證面團(tuán)品質(zhì)。語(yǔ)音提醒部分為減少設(shè)備成本，采用普通高電平觸發(fā)有緣蜂鳴器，價(jià)格廉價(jià)，使用簡(jiǎn)潔。設(shè)備整體框架架構(gòu)采用鋁合金材料制作，使得設(shè)備整體輕便、牢固，雙軸攪拌桿分為主桿與副桿，主桿實(shí)現(xiàn)對(duì)面粉的攪拌、揉制成型，副桿主要將面粉向攪拌桶中部劃掃，便于主桿攪拌的目的。攪拌桶采用雙桶套疊，即一桶直徑稍大，作為外桶，底部與設(shè)備為抽拉可固定式，便于拿取面團(tuán)和清洗，質(zhì)量傳感器至于外桶之中固定，內(nèi)桶直徑稍小，放置于外筒質(zhì)量傳感器上，桶內(nèi)作為攪拌場(chǎng)地，內(nèi)外桶之間相對(duì)位置連有通孔，用于固定，當(dāng)質(zhì)量稱取完成時(shí)，通過(guò)舵機(jī)將螺柱插入通孔之間，固定揉面桶，防止揉面過(guò)程產(chǎn)生位移。

3 設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)

3.1 ? ?HMI串口屏部分

HMI串口屏由STM32芯片控制，用于接收單片機(jī)串口發(fā)送的指令，并完成在LCD上繪圖的操作。屏幕程序主要完成四個(gè)不同揉面用途的界面選擇、用戶自行輸入面粉質(zhì)量界面的繪制以及將用戶輸入數(shù)據(jù)返回主控芯片的功能。主控板串口掃描程序如圖3所示。

3.2 ? ?Arduino主控部分

Arduino單片機(jī)用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集處理與實(shí)時(shí)控制，主要完成設(shè)備的初始化，實(shí)現(xiàn)與HMI串口屏之間的通信，掃描來(lái)自屏幕、質(zhì)量傳感器、水流量計(jì)返回的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)做出判斷執(zhí)行相應(yīng)命令，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理的算法，提高各模塊的穩(wěn)定性。

對(duì)于屏幕與主控芯片之間的通信，考慮到當(dāng)用戶選擇完揉面選項(xiàng)后可能會(huì)存在修改以及質(zhì)量輸入時(shí)輸入錯(cuò)誤需更改輸入質(zhì)量的行為，導(dǎo)致主控芯片要處理額外的數(shù)據(jù)的問(wèn)題，本設(shè)備對(duì)屏幕與主控芯片通信進(jìn)行優(yōu)化處理，只有確認(rèn)指令被選中時(shí)信息才會(huì)傳遞至主控芯片。

對(duì)于原料投放模塊，由于面粉具有板結(jié)特性，為此設(shè)備采用旋轉(zhuǎn)下料器和步進(jìn)電機(jī)，以使面粉可以均勻下落至攪拌桶中，此外，由于面粉下落會(huì)存在重力加速度，使得質(zhì)量傳感器讀取數(shù)據(jù)存在細(xì)微差異，本設(shè)備依據(jù)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)，加入數(shù)據(jù)緩沖算法，緩解面粉重力加速度對(duì)質(zhì)量傳感器讀取數(shù)據(jù)的影響，原料投放流程如圖4所示。

通過(guò)對(duì)揉面選項(xiàng)以及面粉數(shù)據(jù)的計(jì)算可得揉面桿的工作力度以及工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)不同用途與不同質(zhì)量面粉的特定揉制，面粉揉制程序流程如圖5所示;語(yǔ)音提醒模塊采用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)備一次揉面完成時(shí)，蜂鳴器高電平觸發(fā)，工作特定時(shí)間，設(shè)備初始化，語(yǔ)音提醒程序流程如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于Arduino控制的全自動(dòng)揉面設(shè)備，控制部分通過(guò)主控芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)和處理，采用HMI串口屏作為人機(jī)交互動(dòng)態(tài)顯示界面，易于用戶選擇與調(diào)試，成本低廉，性能穩(wěn)定，使用方便。動(dòng)力部分采用步進(jìn)電機(jī)為揉面桿與旋轉(zhuǎn)下料器提供動(dòng)力，使用舵機(jī)為揉面桶固定提供動(dòng)力，電磁閥與水流量計(jì)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了進(jìn)水量的精確控制，旋轉(zhuǎn)下料器和質(zhì)量傳感器的配合實(shí)現(xiàn)了面粉的精確投入，通過(guò)相應(yīng)的程序算法完成原料間的精確配比，滿足面團(tuán)對(duì)水面配比的精確要求。HMI串口屏的使用，使用戶能夠及時(shí)了解設(shè)備的整體情況，并對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，為用戶提供更加智能的服務(wù)。

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收稿日期：2020-02-06

作者簡(jiǎn)介：張穎潔（1999—），男，山東煙臺(tái)人，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。