智能調料機設計與研究

趙建平 汪永超 張 瑩 鄒龍飛

（四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

中餐，以色、香、味、意、形俱全聞名世界，在不少國家和地區都倍受青睞。然而因為中餐做一道菜，調料放多少，全靠廚師把握，沒有統一的標準，導致推廣困難［1］，所以要想突破發展瓶頸，必須實現中餐制作的標準化、規格化，才能真正實現中餐在全世界的普及。中餐制作過程中最大特點主要體現在烹調方式和調料用量上［2］，因此調料用量的控制問題急需解決，但目前還沒有關于這方面的研究。已有一些中式烹飪機器人的研究和面世，這些機器人能夠實現烹飪過程的鍋具運動自動化，但烹飪過程中仍需要人工事先將調料配好，不能實現完全自動化［3］。作為機器人，無疑成本比較昂貴。

針對這一問題，本研究設計了一種新型的智能調料機，該調料機采用左輪旋轉結構實現固體出料，采用簡易液壓系統實現液體出料，以單片機以及步進電機為基礎實現對固體出料及液體出料的控制，實現固體調料和液體調料的自動、精確出料，并依據內置菜譜按比例自動、智能配出菜品所需調料。該智能調料機適用于家庭廚房以及大、中、小型餐館。

1 整機結構

智能調料機主要分為機械系統和控制系統，其中機械系統包括了固體出料結構、液體出料結構、顯示裝置、操作面板和支撐部件等，如圖1所示。儲料箱體的隔板將固、液儲料桶與其他部件隔離開，以防止調料滲漏造成的腐蝕或其它危害。6個固體調料控制電機位于儲料箱體下方，均勻分布在步進電機托盤上，與6種固體調料一一對應；4個液體調料控制電機安放在底座上，通過梯形螺紋絲杠與液體出料結構相連。出料漏斗上方和支撐板緊密配合，下方通過電機托盤的中心孔定位［4］。

圖1 出調料機整機結構Figure 1 Main structure of seasoning-discharging machine

2 結構及工作原理

2.1 固體調料出料部分

2.1.1 固體調料出料部分結構 固體調料出料部分采用左輪轉盤結構，如圖2所示。左輪2上平面與固體儲料桶1出料孔、下平面與出料盤3出料孔配合（1的出料孔與3的出料孔不重合），并通過左輪軸和聯軸器與電機軸相連［5，6］。

圖2 固體出料結構Figure 2 The structure of discharging solid seasoning

2.1.2 固體調料出料原理 固體調料儲料桶、出料盤和出料漏斗與支承部件固連。通過程序控制驅動步進電機旋轉，經由聯軸器和左輪軸帶動左輪作旋轉運動。當左輪2小孔與儲料桶1出料孔重合時，調料由儲料桶進入左輪小孔，取料完成；當左輪2小孔與出料盤3出料孔重合時，左輪小孔內的調料由3的出料孔漏出，進入出料漏斗7，出料完成。取料和出料動作由左輪2上不同的小孔同時進行，左輪每轉一定的角度完成一次取料和出料。通過控制步進電機旋轉的角度來控制取料和出料的次數，從而準確控制調料的出料量。工作情況如圖3所示，電機帶動左輪軸逆時針旋轉。

圖3 固體出料原理圖Figure 3 Schematic diagram of discharging solid seasoning

2.2 液體調料出料部分

2.2.1 液體調料出料部分結構 液體調料出料部分采用簡易液壓系統結構［7］，如圖4所示。液體儲料桶固定在儲料箱體中。三通接頭的其中兩個接頭都分別與一個單向閥相連，一個與液體儲料桶的出料孔相連，另一個與液體調料出料導管相連，剩下的接頭與針筒頭部相連。

圖4 液體出料結構Figure 4 The structure of discharging liquid seasoning

2.2.2 液體調料出料原理 如圖5所示，液壓缸的進液口1通過單向閥與儲料桶連接，出液口2通過單向閥與出料管連接，采用絲杠螺母機構把步進電機的旋轉運動變為活塞的直線往復運動。步進電機正轉，活塞向下運動（工作行程），單向閥1導通，液體從儲料桶流入液壓缸，取料動作完成；步進電機反轉，活塞向上運動（返回行程），單向閥2導通，液體從液壓缸排出，通過導管從出料漏斗流出，出料動作完成。工作過程中，采用單向閥控制液體的流向，防止液體回流，通過控制步進電機的旋轉角度來控制活塞的直線運動距離，從而實現定量出料。

圖5 液體出料原理圖Figure 5 Schematic diagram of discharging liquid seasoning

3 控制系統

智能調料機控制系統以51單片機為核心，鍵盤作為輸入設備，步進電機和驅動器作為輸出設備，為方便人機交互采用了TFT液晶顯示屏，單片機通過I/O口與輸入、輸出設備建立通信［8］?？刂葡到y按功能可劃分為三大模塊：信息輸入模塊、運算處理模塊和執行與顯示模塊，如圖6所示。

圖6 控制系統方框圖Figure 6 Schematic diagram of control system

信息輸入模塊是用戶根據液晶顯示屏的提示信息操作鍵盤，進行菜單選擇或數據輸入，通過一定的按鍵掃描程序完成信息的收集。運算處理模塊由一塊51芯片為核心的控制板和運行在其中的控制程序組成［9］；負責接收和分析信息輸入模塊送來的數據，分模塊地進行調料種類的選擇和調料量的計算、電機的運動控制和液晶屏的顯示控制。最后，再通過單片機I/O口向顯示和執行裝置發出控制信號，使液晶屏界面更新和（或）電機轉動進行出料［10］。51單片機控制程序使用C語言，主要采用“窗口模式”編寫，通過按鍵輸入來控制液晶顯示屏窗口的跳轉及步進電機的工作。主程序流程圖見圖7。

4 出料試驗與分析

為了進一步驗證智能調料機的出料功能和效果，試驗在固體儲料筒中加入300g的食鹽，在液體儲料筒中加入3 00mL水來代替液體調料。通過測定調料實際輸出量，計算調料實際輸出量與理論輸出量之間的誤差來判斷調料機的精度。

4.1 精確出調料測試

將調料機接上電源，根據液晶屏提示進入精確出調料模式，選擇調料名稱，輸入出料量，等待出料，測量所出調料量。測定后的結果見表1、2。

由表1可知，液體出料的誤差≤±1%。

由表2可知，固體出料的精度較差且整體偏大，分析數據可得固體實際出料量隨輸入質量成一次函數線性增長。由此可以判定該機型設計原理是正確的。經過反復地檢查，發現出料偏大的原因是：由于食鹽顆粒較小而左輪盤與出料盤之間的安裝精度不夠高，在左輪盤轉動出料時，食鹽容易從兩者之間的縫隙中被排出。

圖7 主程序流程圖Figure 7 Flow chart of main program

表1 液體（水）精確出調料測定表Table 1 Deviation of discharging liquid seasonings（e.g.，water.）

表2 固體（鹽）精確出調料測定表Table 1 Deviation of discharging solid seasonings（e.g.，salt.）

為了排除上述影響，提出以下兩種解決方案：

（1）提高左輪盤與出料盤之間的安裝精度避免食鹽進入兩者縫隙中。

（2）適量減小左輪盤上小孔的直徑來消除泄露造成的影響。

幾次試驗結果表明：采用方案（1）改進后的固體出料誤差為±3%，采用方案（2）改進后的固體出料誤差為±2%。

4.2 依據內置的菜譜按比例出料測試

將調料機接上電源按液晶屏提示進入菜譜出調料模式，選擇菜品，輸入主材重量，等待出料，測量所出調料的質量（體積）。

測試所選菜譜：魚香肉絲，主材：豬里脊肉300g，調料：食鹽3g，醬油15mL，……，測定后的結果見表3。

表3 按菜譜成比例出料質量（體積）測定表Table 3 Quantity of different seasonings by a certain percentage according to recipes

5 結論

針對中餐烹飪時調料用量難以控制的問題，提出了一種能夠實現固體調料、液體調料精確出料及依據內置菜譜按比例自動配出調料的智能調料機設計，該調料機由左輪出料系統和液體液壓出料系統、控制系統、顯示系統等組成。通過出料試驗表明，該智能調料機固體出料精度主要受到安裝精度的影響，適量減小左輪盤上小孔的直徑能夠提高出料精度。不過，該調料機只能對固體和液體調料進行出料，對其它形態的調料品的精確出料還有待于進一步研究和設計。

1 鐘樹.海外中餐發展很快［J］.決策與信息，2007（11）：69～70.

2 Chen Jenhao，Chi Peiyu，Chu Haohua.A smart kitchen for nutrition-aware cooking［J］.Pervasive Computing，2010，10（10）：58～65.

3 張少文，吳學梅.新型烹飪機器人鍋具運動機構的設計及運動學仿真［J］.食品與機械，2013，29（4）：92～94.

4 成大先.機械設計手冊聯接與緊固［M］.北京：化學工業出版社，2004.

5 方玉瑩.粉狀物料供料與計量裝置設計［J］.食品與機械，1997（2）：23～24.

6 成大先.機械設計手冊彈簧、起重運輸件、五金件［M］.北京：化學工業出版社，2004.

7 袁子榮.液氣壓傳動與控制［M］.第2版.重慶：重慶大學出版社，2010.

8 王宏，唐煒，熊瑞平.單片微型計算機原理與應用［M］.武漢：華中科技大學出版社，2009.

9 唐繼賢.51單片機工程應用實例［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

10 李磊.基于單片機的步進電機升降速控制研究［J］.微電機，2011，44（11）：84～86.