基于STM32的自動包餃子機(jī)設(shè)計(jì)

蔣錦開 魏浩森 徐夢凡 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)動器組成。本設(shè)計(jì)利用傳感器檢測技術(shù)使餃子制作過程更加智能化，此外還使用了防夾手檢測，使操作更加安全。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)精巧，占用空間較小，而且拆裝簡單清洗便捷。大大縮短并降低了餃子的制作時間和制作難度。節(jié)約人工成本，同時兼?zhèn)淙藱C(jī)交互性強(qiáng)、操作簡單可控性強(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外傳播起到一定的助推效果。

關(guān)鍵詞：單片機(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，起源于東漢時期?，F(xiàn)如今早已名揚(yáng)海外，深受國內(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臺由TB6600芯片驅(qū)動的57步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。兩臺電機(jī)分管餃子皮的壓制，另外兩臺步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)餃子機(jī)的壓合機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動。此外還設(shè)有GP2Y0A21紅外測距模塊，該模塊負(fù)責(zé)實(shí)時監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)防止出現(xiàn)餃子皮在移動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)立按鍵對產(chǎn)品進(jìn)行控制。

上述三個職能分區(qū)，做到了三區(qū)分離，每個職能分區(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，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，其性能相對于其他產(chǎn)品較為優(yōu)越。

（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6的單個IO口的最大輸出電流是25mA;必然無法驅(qū)動額定電流為4A的57步進(jìn)電機(jī)。TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片一款大功率，高細(xì)分，兩項(xiàng)混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片。他采用雙全橋MOSFET驅(qū)動，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)動模塊的控制信號接口上，就可以通過發(fā)送脈沖，來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。

（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由于同時具備自發(fā)光，不需背光源而且對比度高。同時，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)的自動控制模塊，采用德國原裝進(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）測距模塊的選取

為預(yù)防餃子皮在運(yùn)作的時候出現(xiàn)堆疊等意外情況，本產(chǎn)品需要一個在較短距離內(nèi)能精準(zhǔn)的測距模塊。所以本產(chǎn)品選用了GP2Y0A21YK0F距離測量傳感器，它采用三角測量的方式，被測物體的材質(zhì)、環(huán)境溫度以及測量時間都不會影響測量精度。傳感器輸出電壓值對應(yīng)探測距離，在10cm到20cm范圍內(nèi)線性度較高。同時價(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)動采用TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器來控制。TB6600是一款完整的微步電機(jī)驅(qū)動器，內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，包括一個固定的關(guān)斷時間電流調(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)通過脈沖信號對步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時步距角的精確控制。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動脈沖采用STM32的定時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。

夾手檢測功能實(shí)現(xiàn)借助紅外感應(yīng)實(shí)現(xiàn)對人體的感知，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)檢測此模塊的輸出信號來判斷是否感應(yīng)到人體做出相應(yīng)的反應(yīng)。

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

本設(shè)計(jì)還具有餡料和面團(tuán)檢測的功能，在這里采用壓力檢測的方式，當(dāng)檢測到的壓力小于容器本體重量時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)的檢測放在單片機(jī)的定時器中斷中執(zhí)行，執(zhí)行周期為5ms，以便快速做出應(yīng)急反應(yīng)。在進(jìn)行各個模塊初始化之后每隔5ms檢測一次將檢測到的數(shù)據(jù)放在全局變量中，對數(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。

兩臺大功率57步進(jìn)電機(jī)為壓制餃子皮的壓面機(jī)提供動力來源，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。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)操作簡單，人機(jī)交互功能完善，方便清洗，結(jié)構(gòu)可靠耐用。同時裝置測試時表現(xiàn)的低噪音很適合家庭使用。出口至國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）