張穎潔 張涵 張桂藝 李貝貝 趙鴻博

摘要：針對目前大部分中小型面館、早餐店等揉面過程存在的問題，設計了一種基于Arduino控制的全自動揉面設備。該設備采用Arduino UNO R3單片機作為主控芯片，USART HMI TJC4827X343_011X串口屏作為人機交互顯示部分，設備包括質(zhì)量采集模塊、水量采集模塊、動力驅(qū)動模塊、原料投放模塊、人性化語音報警模塊以及面粉攪拌模塊。該設備經(jīng)過調(diào)試與測試后，各部分運行可靠，性價比高;設備各功能穩(wěn)定性、集成度以及揉面效果都達到了預期要求。

關(guān)鍵詞：全自動揉面設備;自動化控制系統(tǒng);微控制器;機電一體化

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行面與水的配比，使用人力進行揉面，這是一件耗時耗力的事情，在一些普通面館，往往需要在營業(yè)前準備一定量的面，以應對人流高峰時期的需求，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)常會出現(xiàn)揉面過多或揉面不足的問題。大中型面食品店揉面使用的主流設備仍停留在半自動層面，需要人工加面、加水、配比、搬運，消耗大量的人力資源。面制品是我國最重要的食品之一，日常需求量非常大，為了促進面制品市場的發(fā)展，本文從中小型面制品商家角度出發(fā)，設計了一種基于Arduino控制的全自動揉面設備，其操作簡單，采取模塊化設計方法，便于設備功能的拓展與裁剪，實現(xiàn)人機交互選擇界面、原料自動投放、配比、自動揉面、快速成型、自動提醒等功能需求，為中小型面制品商家的揉面工作提供極大便利。

1 總體設計

本設備以Arduino UNO R3單片機作為主控芯片，STM32系列單片機作為屏幕控制芯片，HMI串口屏作為人機交互動態(tài)顯示屏幕。設備主要分為用戶選擇、原料投放、揉面、語音提醒以及總體控制等部分。設備初始化完成后，各個模塊進入工作狀態(tài)，不間斷地檢測各自的命令信號與傳感參數(shù)的變化，主控芯片開始循環(huán)檢測相應數(shù)據(jù)的傳輸情況，并對傳入的數(shù)據(jù)做出相應處理，然后將相應的指令傳達至相應的模塊，各個模塊依次有序進行各自功能的實現(xiàn)，一次工作完成后設備自動復位，循環(huán)等待下一次工作指令。

Arduino單片機作為設備的集中控制模塊，完成各個模塊工作命令的傳達和處理每個模塊傳入數(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的選項，然后自行輸入需要揉制面粉的質(zhì)量，點擊確定之后HMI串口屏會將相應的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸rduino單片機，單片機根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)進行處理，依據(jù)用戶選擇的類型跳入相應算法處理，計算出揉面時力的大小以及所需的時間，根據(jù)面粉的質(zhì)量，依靠不同公式計算出所需水的質(zhì)量。計算的同時，單片機驅(qū)動42步進電機，帶動旋轉(zhuǎn)下料器運作，使面粉均勻進入攪拌桶，進面粉時，質(zhì)量傳感器實時檢測揉面桶內(nèi)面粉進入的質(zhì)量，并傳輸至主控單片機，當面粉進入量等于用戶需求時，42步進電機停止運作，面粉停止進入，電磁閥開啟，水開始進入攪拌桶，水流量計動態(tài)檢測進水量，當滿足條件時，電磁閥關(guān)閉，進水停止，57步進電機帶動雙軸攪拌桿開始攪拌，運作依據(jù)算法計算所得時間，時間達到后單片機傳輸指令至蜂鳴器，蜂鳴器開始運作，提醒用戶工作完成，蜂鳴器運作完成后設備復位，等待下一次運作。

設備整體電能由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)設備內(nèi)部電源模塊降至36 V直流電，分至兩步進電機使用，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。其中設備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，電源規(guī)劃如圖2所示。

2 設備的硬件設計

主控板是一款基于ATmega328P的微控制器板，采用C++語言控制，含有14個數(shù)字輸入/輸出引腳，6個可作PWM輸出，6個模擬輸入，采用16 MHz晶振時鐘，USB連接，電源插孔，使用ICSP接頭和復位按鈕，方便簡單，能夠較好滿足設計硬件要求。電機采用的是42與57步進電機，步進電機不僅運作平穩(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)動力。USART HMI串口屏底層已經(jīng)封裝好，通過串口（USART 232）與用戶MCU進行交互，可隨時通過USART發(fā)送指令通知設備，結(jié)合主控單片機出色完成設備要求。設備采用的HX711質(zhì)量傳感器價格低廉，質(zhì)量誤差在1 g內(nèi)較精確，耗能十分少?？刂七M水量采用空氣電磁閥與水流量計結(jié)合，水流量計可以將流過水量轉(zhuǎn)化為電信號，傳遞給主控芯片，主控芯片通過控制繼電器的高低電平實現(xiàn)對12 V電磁閥通斷的控制，進而實現(xiàn)對水的控制，以實現(xiàn)面水的精確配比，保證面團品質(zhì)。語音提醒部分為減少設備成本，采用普通高電平觸發(fā)有緣蜂鳴器，價格廉價，使用簡潔。設備整體框架架構(gòu)采用鋁合金材料制作，使得設備整體輕便、牢固，雙軸攪拌桿分為主桿與副桿，主桿實現(xiàn)對面粉的攪拌、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，底部與設備為抽拉可固定式，便于拿取面團和清洗，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)作為攪拌場地，內(nèi)外桶之間相對位置連有通孔，用于固定，當質(zhì)量稱取完成時，通過舵機將螺柱插入通孔之間，固定揉面桶，防止揉面過程產(chǎn)生位移。

3 設備的軟件設計

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單片機用來進行數(shù)據(jù)的采集處理與實時控制，主要完成設備的初始化，實現(xiàn)與HMI串口屏之間的通信，掃描來自屏幕、質(zhì)量傳感器、水流量計返回的數(shù)據(jù)并實時做出判斷執(zhí)行相應命令，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理的算法，提高各模塊的穩(wěn)定性。

對于屏幕與主控芯片之間的通信，考慮到當用戶選擇完揉面選項后可能會存在修改以及質(zhì)量輸入時輸入錯誤需更改輸入質(zhì)量的行為，導致主控芯片要處理額外的數(shù)據(jù)的問題，本設備對屏幕與主控芯片通信進行優(yōu)化處理，只有確認指令被選中時信息才會傳遞至主控芯片。

對于原料投放模塊，由于面粉具有板結(jié)特性，為此設備采用旋轉(zhuǎn)下料器和步進電機，以使面粉可以均勻下落至攪拌桶中，此外，由于面粉下落會存在重力加速度，使得質(zhì)量傳感器讀取數(shù)據(jù)存在細微差異，本設備依據(jù)大量實驗測得數(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。

通過對揉面選項以及面粉數(shù)據(jù)的計算可得揉面桿的工作力度以及工作時間，實現(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;語音提醒模塊采用蜂鳴器實現(xiàn)，當設備一次揉面完成時，蜂鳴器高電平觸發(fā)，工作特定時間，設備初始化，語音提醒程序流程如圖6所示。

4 結(jié)語

本文設計了一種基于Arduino控制的全自動揉面設備，控制部分通過主控芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時檢測和處理，采用HMI串口屏作為人機交互動態(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。動力部分采用步進電機為揉面桿與旋轉(zhuǎn)下料器提供動力，使用舵機為揉面桶固定提供動力，電磁閥與水流量計的結(jié)合實現(xiàn)了進水量的精確控制，旋轉(zhuǎn)下料器和質(zhì)量傳感器的配合實現(xiàn)了面粉的精確投入，通過相應的程序算法完成原料間的精確配比，滿足面團對水面配比的精確要求。HMI串口屏的使用，使用戶能夠及時了解設備的整體情況，并對設備信息進行實時處理，為用戶提供更加智能的服務。

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收稿日期：2020-02-06

作者簡介：張穎潔（1999—），男，山東煙臺人，研究方向：機械設計制造及其自動化。