基于語音識(shí)別的智能調(diào)味裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用*

鄭曉峰，葉子一，周純江，方 超

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，浙江 杭州 310053)

0 引 言

智能廚房是智慧生活的重要組成部分，隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)更加健康、更加便利的生活追求也越來越高[1]。適量合理的烹飪調(diào)味是美味與健康的前提，如何精準(zhǔn)定量地輸出各種形態(tài)的調(diào)味料，以及提升裝置操作的智能化是目前行業(yè)研究的熱點(diǎn)[2]。李乾等為了提升調(diào)料輸出的精度與效率，設(shè)計(jì)了一種基于螺旋桿和稱重雙重計(jì)量的調(diào)味料輸出裝置，用于輸出顆粒與粉末態(tài)調(diào)料[3]。高宇等設(shè)計(jì)了一種智能菜譜調(diào)料機(jī)，包括固態(tài)調(diào)料儲(chǔ)釋模塊、液態(tài)調(diào)料儲(chǔ)釋模塊、定量按壓模塊、形態(tài)組合轉(zhuǎn)換模塊以及控制模塊，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制出料量[4]。佟世繼等設(shè)計(jì)了一種基于ARM的智能調(diào)料助手，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)配和稱重[5]。盡管目前很多研究人員對(duì)調(diào)味裝置進(jìn)行了許多有益的探索實(shí)踐，但對(duì)于多態(tài)調(diào)味料輸出的適應(yīng)性以及裝置操作的智能化研究仍存在不少問題[6]。為此，筆者結(jié)合實(shí)際需求通過功能模塊化設(shè)計(jì)，研制一種基于C51的智能語音定量調(diào)味裝置，包括多形態(tài)調(diào)味料機(jī)械出料模塊、電氣控制模塊、語音識(shí)別模塊等，實(shí)現(xiàn)裝置可通過語音自動(dòng)定量輸出調(diào)味料。語音識(shí)別功能方便了調(diào)味料的使用，機(jī)械定量出料不僅能保證菜肴的口味，而且使生活也更加健康。

1 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能調(diào)味裝置的機(jī)構(gòu)組成如圖1所示，調(diào)味裝置設(shè)置有食用油輸出模塊、液態(tài)調(diào)味料控流模塊、粘稠態(tài)調(diào)味料按壓模塊、姜蒜切碎模塊、顆粒調(diào)味料擠出模塊。灶臺(tái)內(nèi)側(cè)安裝有絲桿滑臺(tái)，在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，可將調(diào)味裝置整體移動(dòng)至相應(yīng)炒鍋的上方。

圖1 智能調(diào)味系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖1.調(diào)味裝置 2.灶臺(tái) 3.1號(hào)鍋 4.絲杠導(dǎo)軌 5.電機(jī) 6.2號(hào)鍋

1.1 食用油輸出模塊

食用油輸出模塊包括絲杠滑臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、推板、活塞桿、儲(chǔ)油罐等，如圖2所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠滑塊帶動(dòng)推板向下運(yùn)動(dòng)，推板推動(dòng)活塞下行，從而使食用油從出油口被擠出，步進(jìn)電機(jī)可精確控制活塞下行距離，從而實(shí)現(xiàn)食用油的定量輸出。

圖2 食用油輸出模塊1.活塞桿 2.活塞桿 3.出油口 4.步進(jìn)電機(jī) 5.絲杠滑臺(tái) 6.推板

1.2 液態(tài)調(diào)味料控流模塊

液態(tài)調(diào)味料控流模塊由儲(chǔ)料罐、電磁水閥、導(dǎo)管等組成，儲(chǔ)料罐出料孔與電磁水閥進(jìn)料口相連，如圖3所示。該模塊適用于各種液態(tài)調(diào)味料，例如料酒、老抽、生抽等。根據(jù)語音提示內(nèi)容，通過單片機(jī)控制電磁水閥的通斷時(shí)間，可定量輸出液態(tài)調(diào)味料。

圖3 液態(tài)調(diào)味料控流模塊

1.3 粘稠態(tài)調(diào)味料按壓模塊

粘稠態(tài)調(diào)味料按壓模塊包括直線電機(jī)、杠桿機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)料罐、真空壓泵等，如圖4所示。

圖4 粘稠態(tài)調(diào)味料按壓模塊

杠桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力臂在直線電機(jī)的作用下向上抬升，結(jié)合杠桿支點(diǎn)，阻力臂向下運(yùn)動(dòng)，擠壓真空壓泵，使粘稠態(tài)調(diào)味料從壓泵嘴中被擠出，然后直線電機(jī)下行，杠桿力消失，真空壓泵在內(nèi)部彈簧的作用下恢復(fù)原來狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際調(diào)味料用量，控制直線電機(jī)重復(fù)上述操作即可實(shí)現(xiàn)粘稠態(tài)調(diào)味料輸出。

1.4 姜蒜切碎模塊

姜蒜切碎模塊由支架、導(dǎo)軌滑塊、直線電機(jī)、固定塊、擠壓凹模、擠壓凸模等組成，如圖5所示。在凹模上放置姜蒜，單片機(jī)控制直線電機(jī)下行，帶動(dòng)擠壓凸模下壓，凹模固定不動(dòng)，姜蒜在凸模的擠壓下，從凹?？字斜粩D出，使其成為姜蒜末。

圖5 姜蒜切碎模塊1.支架 2.導(dǎo)軌滑塊 3.固定塊1 4.直線電機(jī) 5.固定塊2 6.擠壓凹模 7.擠壓凸模

1.5 顆粒調(diào)味料擠出模塊

顆粒調(diào)味料擠出模塊由擠出螺桿、儲(chǔ)料罐、電機(jī)等組成，如圖6所示。本模塊應(yīng)用了擠出螺桿來實(shí)現(xiàn)定量給料，適用于鹽、味精、白糖、雞精等顆粒狀調(diào)味料。擠出螺桿在電機(jī)的作用下旋轉(zhuǎn)，顆粒狀調(diào)味料沿著螺紋槽向前運(yùn)動(dòng)被擠出。擠出螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，擠出一個(gè)螺距的調(diào)味料，通過單片機(jī)控制螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，即可輸出相應(yīng)重量的調(diào)味料。

圖6 顆粒調(diào)味料擠出模塊

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置采用單片機(jī)作為主控芯片，控制直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直線電機(jī)、電磁閥，步進(jìn)電機(jī)等電氣控制元件，電氣控制系統(tǒng)如圖7所示。通過單片機(jī)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，帶動(dòng)螺桿定量擠出顆粒態(tài)調(diào)味料；控制直線電機(jī)推動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)擠壓真空壓泵，輸出粘稠態(tài)調(diào)味料；控制直線電機(jī)下行，推動(dòng)擠壓凸模壓切姜蒜調(diào)料；控制電磁閥通斷時(shí)間，定量輸出液態(tài)調(diào)味料；控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，精確推動(dòng)針筒活塞桿行程，定量輸出食用油。

圖7 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 語音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

裝置采用ASR-M09C IDE語音識(shí)別模塊，將該模塊設(shè)置為喚醒模式，喚醒詞為“小智大廚”。只有當(dāng)使用者呼喚“小智大廚”時(shí)，模塊才能進(jìn)入后續(xù)命令，否則模塊處于休眠狀態(tài)，這樣可以有效避免語音干擾，產(chǎn)生誤操作。通過模塊指令將語音內(nèi)容與輸出指令進(jìn)行對(duì)應(yīng)，如設(shè)置“@02,liao jiu 10 ke,002,$”，即將料酒10 g的語音與“2”對(duì)應(yīng)，當(dāng)產(chǎn)生“料酒10 g”的語音時(shí)，模塊會(huì)將“2”發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過switch語句執(zhí)行case2內(nèi)容，控制電磁閥通斷時(shí)間輸出料酒10 g。

4 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

語音識(shí)別模塊識(shí)別語音內(nèi)容，生成對(duì)應(yīng)的指令，通過RS232串口，將指令發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)接收指令，明確哪個(gè)調(diào)味模塊需要輸出，控制相應(yīng)的直線電機(jī)、電磁閥等通斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)調(diào)味料定量輸出。部分控制程序如下：

void serial() interrupt 4

{ ES = 0; //關(guān)閉串行中斷

RI = 0; //清除串行接受標(biāo)志位

buf = SBUF; //串口緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)

switch(buf) //判斷選擇

{case 2: wine=1; //接收到2，下料酒

delay(t1); //電磁水閥延時(shí)時(shí)間

wine=0;break;

case 3: salt=1 ; //接收到3,放鹽

delay(t2); //控制擠出螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)

salt=0;break;

case 4: oil1=1;// //接收到4,放耗油

delay(t3); //步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間

oil2=0;break;

}

ES = 1; //允許串口中斷}

程序中單片機(jī)開中斷，接收語音模塊指令，當(dāng)語音模塊生成指令并發(fā)送后，單片機(jī)進(jìn)入中斷程序，將指令內(nèi)容讀入buf中。通過switch語句判斷選擇需要執(zhí)行case內(nèi)容，例如當(dāng)buf=2時(shí)，執(zhí)行case2段程序，即該指令需要下料酒，料酒量根據(jù)語音內(nèi)容由delay(t1)中t1值確定。

5 模塊功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模塊的有效性，通過實(shí)物加工與裝配，制作了上述姜蒜切碎、顆粒調(diào)味料擠出、食用油輸出、粘稠態(tài)調(diào)味料按壓等模塊，并與電氣控制系統(tǒng)集成調(diào)試，完成功能驗(yàn)證模塊，如圖8所示。

圖8 裝置實(shí)物模塊1.電氣控制系統(tǒng)模塊 2.姜蒜切碎模塊 3.顆粒調(diào)味料擠出模塊 4.食用油輸出模塊 5.粘稠態(tài)調(diào)味料按壓模塊 6.液態(tài)調(diào)味料控流模塊

(1) 語音喚醒模式驗(yàn)證 呼喚“小智大廚”后，語音系統(tǒng)指示燈亮，此時(shí)模塊被喚醒，系統(tǒng)處于執(zhí)行等待狀態(tài)，等待時(shí)間為10 s(等待時(shí)長(zhǎng)可通過程序修改)。

(2) 食用油輸出模塊驗(yàn)證 語音呼喚“食用油20 g”，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，模塊輸出食用油至已知質(zhì)量的燒杯中，天平稱量顯示其值為20.6 g。

(3) 液態(tài)調(diào)味料控流模塊驗(yàn)證 語音呼喚“料酒10 g”，此時(shí)電磁閥開啟，將料酒輸出至已知質(zhì)量的燒杯中，天平稱量顯示其值為9.2 g。

(4) 粘稠態(tài)調(diào)味料按壓模塊驗(yàn)證 語音呼喚“耗油15 g”，此時(shí)直線電機(jī)工作，按壓擠出耗油至已知質(zhì)量的燒杯中，天平稱量顯示其值為11.5 g。

(5) 姜蒜切碎模塊驗(yàn)證 將剝好的大蒜放置于凹模處，語音呼喚“切點(diǎn)蒜末”，此時(shí)凸模下壓擠出蒜末，蒜末形狀為長(zhǎng)條顆粒狀。

(6) 顆粒調(diào)味料擠出模塊驗(yàn)證 語音呼喚“食鹽5 g”，此時(shí)直流電機(jī)工作，螺旋擠出食鹽至濾紙上，天平稱量結(jié)果顯示為5.5 g。

模塊功能驗(yàn)證結(jié)果顯示：食用油輸出模塊、液態(tài)調(diào)味料控流模塊、姜蒜切碎模塊、顆粒調(diào)味料擠出模塊工作性能良好，能實(shí)現(xiàn)接近定量輸出；粘稠態(tài)調(diào)味料按壓模塊輸出量不確定性較大。

6 結(jié) 語

在機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，針對(duì)不同形狀，不同狀態(tài)的調(diào)味料，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了不同的出料機(jī)構(gòu)。使用電磁水閥控制料酒、醬油、醋等液態(tài)調(diào)味料；使用壓力泵和杠桿機(jī)構(gòu)控制耗油、雞汁等粘稠態(tài)調(diào)味料；使用螺旋擠出機(jī)構(gòu)控制鹽、糖、雞精、味精等顆粒狀調(diào)味料；使用絲杠機(jī)構(gòu)推動(dòng)針筒活塞定量控制食用油用量；使用擠壓凸模沖擊蜂窩狀凹模實(shí)現(xiàn)姜蒜切末；在裝置控制方面，設(shè)計(jì)基于C51的單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定量控制調(diào)味料輸出；在裝置操作方面，利用語音識(shí)別模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，在炒菜時(shí)，不需要用手去控制設(shè)備，從而解放了雙手，使裝置的操作變得簡(jiǎn)單易行。

下一步將繼續(xù)改進(jìn)粘稠態(tài)調(diào)味料輸出方式，同時(shí)對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行產(chǎn)品化設(shè)計(jì)，使其更符合實(shí)際使用要求。