基于Arduino控制的全自動揉面設備設計

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，設備包括質量采集模塊、水量采集模塊、動力驅動模塊、原料投放模塊、人性化語音報警模塊以及面粉攪拌模塊。該設備經過調試與測試后，各部分運行可靠，性價比高;設備各功能穩定性、集成度以及揉面效果都達到了預期要求。

關鍵詞：全自動揉面設備;自動化控制系統;微控制器;機電一體化

0 引言

據調查，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常會出現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展，本文從中小型面制品商家角度出發，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，不間斷地檢測各自的命令信號與傳感參數的變化，主控芯片開始循環檢測相應數據的傳輸情況，并對傳入的數據做出相應處理，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，一次工作完成后設備自動復位，循環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據，HMI串口屏內嵌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量，點擊確定之后HMI串口屏會將相應的數據傳輸到Arduino單片機，單片機根據接受到的數據進行處理，依據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，根據面粉的質量，依靠不同公式計算出所需水的質量。計算的同時，單片機驅動42步進電機，帶動旋轉下料器運作，使面粉均勻進入攪拌桶，進面粉時，質量傳感器實時檢測揉面桶內面粉進入的質量，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，水流量計動態檢測進水量，當滿足條件時，電磁閥關閉，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交流電經設備內部電源模塊降至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降壓模塊和穩壓模塊，提供5 V穩定直流電，供主控芯片以及串口屏使用。其中設備總體結構如圖1所示，電源規劃如圖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、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動力。USART HMI串口屏底層已經封裝好，通過串口（USART 232）與用戶MCU進行交互，可隨時通過USART發送指令通知設備，結合主控單片機出色完成設備要求。設備采用的HX711質量傳感器價格低廉，質量誤差在1 g內較精確，耗能十分少。控制進水量采用空氣電磁閥與水流量計結合，水流量計可以將流過水量轉化為電信號，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對12 V電磁閥通斷的控制，進而實現對水的控制，以實現面水的精確配比，保證面團品質。語音提醒部分為減少設備成本，采用普通高電平觸發有緣蜂鳴器，價格廉價，使用簡潔。設備整體框架架構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，質量傳感器至于外桶之中固定，內桶直徑稍小，放置于外筒質量傳感器上，桶內作為攪拌場地，內外桶之間相對位置連有通孔，用于固定，當質量稱取完成時，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量界面的繪制以及將用戶輸入數據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單片機用來進行數據的采集處理與實時控制，主要完成設備的初始化，實現與HMI串口屏之間的通信，掃描來自屏幕、質量傳感器、水流量計返回的數據并實時做出判斷執行相應命令，優化數據處理的算法，提高各模塊的穩定性。

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量輸入時輸入錯誤需更改輸入質量的行為，導致主控芯片要處理額外的數據的問題，本設備對屏幕與主控芯片通信進行優化處理，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，由于面粉具有板結特性，為此設備采用旋轉下料器和步進電機，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，使得質量傳感器讀取數據存在細微差異，本設備依據大量實驗測得數據，加入數據緩沖算法，緩解面粉重力加速度對質量傳感器讀取數據的影響，原料投放流程如圖4所示。

通過對揉面選項以及面粉數據的計算可得揉面桿的工作力度以及工作時間，實現不同用途與不同質量面粉的特定揉制，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，當設備一次揉面完成時，蜂鳴器高電平觸發，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數據實時檢測和處理，采用HMI串口屏作為人機交互動態顯示界面，易于用戶選擇與調試，成本低廉，性能穩定，使用方便。動力部分采用步進電機為揉面桿與旋轉下料器提供動力，使用舵機為揉面桶固定提供動力，電磁閥與水流量計的結合實現了進水量的精確控制，旋轉下料器和質量傳感器的配合實現了面粉的精確投入，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。