烹饪机器人液态调料添加系统设计

张贵元 李叶龙 黄贤静 王琼

摘要：以Arduino Uon为控制器，综合运用PWM调速器﹑直流驱动齿轮泵﹑霍尔流量传感器﹑开关电源﹑电磁继电器等设计了一种应用于烹饪机器人的液态调料自动添加系统。该系统采用了闭环设计方案，可实现液态调料的快速精确添加，并可在需要时接入物联网。

关键词：烹饪机器人;Arduino Uon;PWM;液态调料

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）25-0107-03

开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

烹饪机器人通常指具有一定特殊烹饪功能的机器，与工业机器人的命名类似，“烹饪机器人”一词的含义多指功能与人类似而非外形类似[1]。烹饪机器人的研究起步较晚，至今各项技术仍处于不断发展完善中。国外烹饪机器人的研究早于国内，以美国和日本较为突出，但多是针对西餐烹饪而设计[2]。中餐因其菜品种类繁多﹑烹制工艺复杂且极具个性化，为此至今未有真正可广泛推广的中餐烹饪机器人出现[3-4]。目前，国内该方面的技术多以专利形式出现，缺乏技术细节的报道，国内市场上较为成熟机型均为半自动式炒菜机（远未达到烹饪机器人的技术范畴） ，即人工加入主辅料及各种调料，机器按照程序自動翻炒，然后人工自锅内取出菜品[5]。烹饪机器人的典型特征是全自动化与智能化。针对此，本研究的主要目标是设计一套液态调料（料水﹑酱油﹑食物油等） 自动定量添加系统，进而为中餐烹饪机器人的研发提供技术储备。

1 总体设计方案

系统主要由Arduino Uon开发板、SRD-05VDC-SL-C型继电器（线圈电压5V，AC250） 、PWM直流电机调速器（DC6-90V，调速范围0% ～100%，频率16KHz，额定电流10A，外接电位器） 、SW-90W型开关电源（0 ～24V可调） 、DHE540齿轮泵（24V直流电机驱动） 、HZ41W霍尔流量传感器（0.25～2.5L/min，24V） 、喷头、液体容器、食品级材料所制软管等组成。

系统硬件结构如图1所示。开关电源通过继电器为PWM调速器供电，开关电源同时为霍尔流量传感器供电，通过Arduino Uon开发板数字口（采用7口） 对继电器进行关断，霍尔流量传感器反馈脉冲接入Arduino Uon开发板数字口（采用2口） ，Arduino Uon开发板数字口（采用4口） 为控制系统的启动端。

具体工作过程如下：当需要添加液体调料时，通过Arduino Uon开发板 4口发出指令，7口收到指令继电器工作（为PWM调速器供电） ，PWM调速器根据指令需要为齿轮泵供其所需的电压（控制流量） ，齿轮泵工作开始添加液体调料，同时霍尔流量传感器进行计数，当所添加液态调料达到设定值后，霍尔流量传感器反馈信号给Arduino Uon开发板 2口，2口接收信号后发出继电器断电指令，进而完成液态调料的定量添加，本系统为烹饪机器人的子系统，可随时依据需要进行调用。

2 主要硬件及控制原理

2.1Arduino控制器

Arduino是由一个基于单片机且开放源代码的硬件平台和一套为Arduino板编写程序的开发环境组成。其最初目标是服务非电子专业学生，故具有简单﹑廉价和易于理解等特点。目前 Arduino家族有Arduino Uon、Arduino Due、Arduino Ter、Arduino Nano、Arduino YUN等多种类型和系列，其中Arduino Uon为基本型也是最常用型。如图2所示（进口原装版） ，Arduino Uon有两排端口，按功能主要分为数字I/O口﹑模拟输入口和电源口。0～13为数字I/O口，其中0（RX） 和1（TX） 作为通信使用，其中 ～3﹑～5﹑～6﹑～9﹑～10﹑～11提供PWM模拟输出（～ 表示可作模拟输出） ;3个GND作为电源负极使用;A0～A5为模拟输入口;Vin一方面支持12V的电源输入（为板子供电） ，另一方面可作为5V电源输出口，1个5V输出电源和1个3.3V输出电源。

Arduino编程软件主要有两款：Arduino IDE和Mixly_Arduino（米思琪） 。Arduino IDE 是一款专业的Arduino开发工具，主要用于Arduino程序的编写和开发，拥有开放源代码的电路图设计、支持ISP在线烧，同时支持Flash、Max/Msp、PD、C、Processing等多种程序兼容的特点。Mixly_Arduino是一款由北京师范大学教育学部创客教育实验室傅骞教授团队开发的图形化编程软件，该软件使用图形化编程的方式自动生成Arduino代码，并支持编译和烧录到硬件设备中，该软件最大限度地降低了Arduino的学习门槛，非特别复杂性程序均可利用其实现。

2.2 直流电机调速

（1） 直流电机转速控制方案

直流电机转速计算公式[6]如式（1） 所示。由式（1） 可知，改变电机转速可通过三种途径实现，一是改变电枢电压，二是改变电枢总电阻，三是改变每极磁通量（励磁绕组电压） 。实际应用中最常用的是改变电区电压。

[n=U-IRKφ]             （1）

式中：U为电枢电压;I为电枢电流;R为电枢电路总电阻;Φ为每极磁通量;K为电机结构参数。

（2） PWM控制转速

PWM（Pulse Width Modulation） 控制——脉宽调制技术，通过对一系列脉冲宽度进行调制，来等效获取所需要的波形（幅值和形状） 。如图3所示，在方波脉冲周期一定的条件下，通过改变方波占空比来改变输出电压的平均值，当占空比为100%时输出的是电源电压，占空比为50%时输出电压为电源电压的二分之一，等等，由此通过改变占空比实现电枢电压的调节。

为此，将PWM调速器（DC6-90V） 的输出电压接入齿轮泵驱动电机（额定电压为24V的直流电机） ，实现直流电机（齿轮泵） 转速的调节，进而实现液体流速的控制。

2.3 霍尔流量传感器

霍尔流量传感器是利用霍尔效应测量液体流量的传感器件，在霍尔元件的正极串入负载电阻，通上相应直流电压并使电流方向与磁场方向正交，当液体通过叶轮推动磁性转子转动时，产生不同磁极的旋转磁场，切割磁感应线，产生高低脉冲电平，由于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比，转子的转速又与液体流量成正比，由此可通过流量传感器输出的单位时间内脉冲数得出流量。

流量传感器均标有流量范围，当流量低于最低值（称为最小启动流量） 时传感器无法启动，而由于自身结构参数等的限制，待测流量亦不能超出传感器的最大量程。为此，在选择流量传感器时需根据需要选择合适的量程。霍尔流量计按材质可分为铜质﹑不锈钢和POM塑料3种，按接口大小有6mm外径﹑10mm外径等多种型号，其口径越小精度越高，设计时依据自身需求合理选择管路口径并能够和传感器实现匹配。如图4所示，本设计采用HZ41W霍尔流量传感器（0.25～2.5L/min，24V） 。

2.4 继电器

继电器是一种电子控制器件，它由控制系统（输入回路） 和被控制系统（输出回路） 组成，是用较小电流（电压） 控制较大电流（电压） 的一種“自动开关”，按照工作的原理可分为电磁继电器、热敏干簧继电器、光继电器等。

如图5所示，电磁继电器一般由铁芯、线圈（缠绕在磁铁芯上） 、衔铁、弹簧等组成的。由杠杆原理衔铁在弹簧的作用抬起，当线圈接通低压电源后，产生磁效应，衔铁在磁力的作用下吸合，进而带动金属片下移将常开触点接通，从而接通高压回路;断开线圈电源，磁力消失，衔铁（触点） 复位，切断高压回路。

1.负载;2触点;3.金属片;4.线圈;5.衔铁;6.弹簧

2.5 开关电源

开关式稳压电源控制方式分为调宽式和调频式。在实际应用中调宽式应用较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数为脉宽调制型。调宽式开关稳压电源原理如图6所示。由图6可见，开关电源输出电压（周期内平均电压） 满足式（2） 。

[UO=UmT1T]                         （2）

式中Um为矩形脉冲最大值;T为矩形脉冲周期;T1为矩形脉冲宽度;UO为输出电压。

由式（2） 可知，当脉冲周期T和脉冲幅值Um一定时，UO与T1成正比。为此，当设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄或随稳压电源输出电压的降低而变宽，即可达到稳压的目的。

开关电源的基本原理如图7所示。交流电压经过整流滤波电路后，变成含有一定脉动成分的直流电压（高压） ，该电压进入高频变换器被转换成所需电压值的方波，之后再将这个方波整流滤波为所需的直流电压。控制电路本质是一种脉宽调制器，输出电压被取样并通过比较器与基准电压进行比较，从而完成脉宽调制，最终实现对高频开关元件开关时间比例的调节，最终达成稳定输出电压的目的。

3 算法实现

3.1 流量与脉冲数标定

本设计所选取的HZ41W型霍尔流量传感器在流量范围0.25L/min～2.5L/min，额定电压24V条件下，累积流量与脉冲关系满足式（3） 。设需添加X mL液体调料（按水进行计算） ，其所需脉冲数为n，则脉冲数n与累积流量的关系满足式（4） 。

[1000ml=5295Hz±5%]        （3）

[n=5295（1±5%）X1000]       （4）

本设计取PWM调速为40%﹑60%﹑100%三个档位（见表1） ，即驱动电压分别为9.6V、14.4V和24V，首先通过试验对前两种电压条件下的累积流量与脉冲关系进行标定，之后利用式（4） 即可得出在三种档位下添加XmL液体调料所需脉冲数。当需要改变液体调料量及调速值（电压值） 时可按照此方法进行标定及计算，进而得出不同挡位及调料量时的脉冲数。

3.2 系统算法

本设计作为自动炒菜机的子系统，可通过手动控制及主程序调用来启动，其算法如图8所示。当系统被调用时接口4置1，进而输出口7置高电平继电器动作PWM调速模块输出电压（具体值可以事先手动设置） ，液体调料开始添加霍尔流量计开始产生脉冲，脉冲被反馈到接口2，并对脉冲进行计数，当达到所需脉冲数时，发出信号将接口7置低电平0，电源被切断，液体调料停止添加。当再次需要添加液体调料时，再次调用此系统即可。

4 小结

全自动化中餐烹饪机器人的控制系统较为复杂，一般包括（但不限于） 液态调料控制系统﹑固态调料控制系统﹑火力控制系统﹑主辅料添加系统等，通过各系统的协调运作完成中式菜品的全自动化烹饪过程。本文以Arduino Uon为主控板﹑综合运用霍尔流量计﹑PWM调速器等电子器件，设计了用于烹饪机器人的液态调料自动添加系统，该系统可实现液态调料的快速精确添加，并且通过接入Wi-Fi模块或将控制板升级为Arduino Yun的方式快速接入物联网，进而实现远程控制。

参考文献：

[1] 唐建华，周晓燕.机器人技术在中餐菜肴生产中的发展和应用研究[J].食品科技，2009，34（12）：125-129.

[2] 唐建华，周晓燕，刘小勇.中国菜肴自动烹饪机器人的研究现状与展望[J].扬州大学烹饪学报，2007，24（2）：24-26，51.

[3] 朱文政，李辉，鞠美玲，等.基于自动烹饪机器人的中式快餐发展模式[J].扬州大学烹饪学报，2011，28（3）：30-33.

[4] 刘长发.烹饪机器人研究报告[J].机器人技术与应用，2011（6）：13-15.

[5] 任娜.电气自动化控制系统中人工智能技术的应用[J].南方农机，2017，48（22）：89，136.

[6] 秦增煌.电工学（上册） [M].北京：高等教育出版社，2008.

【通联编辑：唐一东】