組合型家用廚房自動剁刀

天津職業技術師范大學工程實訓中心 田增印 劉 鵬 馬棟財 叢歡亭 李光澤 李 娜

1.機械結構

該設備采用stm32單片機以及機械結構實現智能自動化多功能調控系統綜合控制，雙刀頭由一個直流減速電機通過可調行程雙曲柄機構傳動達到刀頭上下移動的剁削目的，支撐刀頭懸架由光軸與絲杠配合滑動以達到刀頭左右移動的目的。

刀頭采用金屬不銹鋼材質配制，刀的安裝采用一鍵式鎖緊軌道固定刀頭，以實現刀的方便拆卸與清洗。

食物托盤采用方形實心竹制菜板，底部與雙滑軌連接，實現菜板的移動與清洗。

設備外形包裹設計采用復合民用白色塑料材質，設計精巧美觀實用。

設備操控面板分為：肉類精切、肉類切片、蔬菜切片、蔬菜切碎、快切、慢切、抬刀。可通過切換選項控制刀的切削力度與快慢實現刀自動調控。

2.電路設計

（1）復位電路

復位就是程序跑到了一半，按了一下復位鍵，程序就會從頭開始重新跑。當按鍵按下時，會給NRST引腳一個低電平，STM32檢測到這個低電平，就會復位重新跑程序。

（2）程序下載電路

STM32下載電路設計有兩種，一種是JTAG下載，一種是SW下載。通過此電路把程序下載到STM32中。當沒有低電平輸入時，上拉電阻可保證輸入端是穩定的高電平狀態。如果沒有上拉電阻，外界的低電平干擾很容易加到輸入端上，使出現錯誤動作。而有的是下拉電阻，將輸入端進行下拉接地，將輸入處于低電平狀態，輸入端懸空時為高阻抗，外加高電平干擾很容易加到輸入端上。

3.BTN7971電路及H橋原理

BTN7971是應用于大電流、半橋、高集成的驅動電動機芯片，它分別帶有一個P、N溝道的高低邊MOSFET，以及一個驅動IC。P溝道高邊開關省去了電荷泵的需求，因而減少了周邊環境對它的干擾。集成的驅動IC具有斜率調節、電流診斷、死去時間產生和過溫、過流及短路保護、過壓、邏輯電平輸入的功能。BTN7971可輸入電壓4.5—25V,驅動電流可達到70A.。完全可以滿足我們的需要。

BTN7971使用簡單，不需要和分立元件搭建的H橋一樣復雜，每片BTN7971就是一個半橋，兩片BTN7971即可組成一個H全橋驅動電路。BTN7971的2管腳接輸入的脈寬調制信號，4、8管腳分別接電動機的兩級，1和7管腳之間接一個電解電容，并將1管腳接地，通過改變兩路脈寬調制信號的占空比，使得輸出兩端產生電壓差，電動機就會轉動。

H橋驅動電路圖

H橋驅動原理圖

4.STM32CubeMX

程序編譯器采用MDK5，該編譯器源于德國的keil公司，是目前嵌入式設計的開發工具。STM32CubeMX是用圖形配置向導生成C語言初始化代碼，目的是為了減少開發人員的時間和成本。

在安裝STM32CubeMX軟件之前應先有Java運行環境，然后進入st官網即可下載。下載界面如圖所示。點擊獲取軟件即可。

下載STM32Cube軟件包，使用在線下載方式即可，離線下載方式容易出現版本不匹配的現象。在下載軟件軟件包之前，還要設置安裝的位置，運行軟件，選擇Help菜單的Updater Settings子菜單項，打開下載窗口點擊下載即可，下載之后就可運行HAL標準庫的函數。

5.顯示模塊

液晶顯示器（LCD）的主要原理是以電流刺激液晶分子產生點、線、面并配合背部燈管構成畫面。各種型號的液晶通常是按照顯示字符的行數或液晶點陣的行、列數來命名的。本次使用的是12864液晶，由128列、64行組成。

示例代碼：

6.PID 控制電機調速

PID的常用微分公式如下：

其中：

Kp ——控制器的比例系數

Ti ——控制器的積分時間，也稱積分系數

Td ——控制器的微分時間，也稱微分系數

PID控制系統原理圖

（1）比例部分

比例調節作用是按照比例分析系統出現的偏差，當系統出現偏差時，比例部分用來減少偏差。在模擬PID控制器中，比例環節的作用是對偏差瞬間作出反應。偏差一旦產生控制器立即產生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。比例作用大，可以加快電機的調節，減少誤差性，但是過大的比例會使系統的穩定性下降。

（2）積分部分

實際的控制系統除了希望消除靜態誤差外，還要求加快調節過程。在偏差出現的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對偏差量做出立即響應，而且要根據偏差的變化趨勢預先給出適當的糾正。積分環節的調節作用雖然會消除靜態誤差，但也會降低系統的響應速度，以及增加系統的超調量。為了實現這一作用，可在PI控制器的基礎上加入微分環節，形成PID控制器。

（3）微分部分

微分調節作用是反應系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節作用消除。因此可以改變系統的動態性能。微分的引入，將有助于減小超調量，克服振蕩，使系統趨于穩定，特別對髙階系統非常有利，它加快了系統的跟蹤速度。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感，對那些噪聲較大的系統一般不用微分，或在微分起作用之前先對輸入信號進行濾波。

Pid算法流程圖

示例代碼：

[1]康華光,陳大欽,張林.電子技術基礎[M].高等教育出版社,2005.

[2]李慧.機械結構設計與工藝分析[M].機械工業出版社,2012.

[3]隋金雪,楊莉,張巖.“飛思卡爾”杯智能汽車設計與實例教程[M].電子工業出版社,2014.