基于語音識別的智能調味裝置設計應用*

鄭曉峰，葉子一，周純江，方 超

(浙江機電職業技術學院 智能制造學院，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]。適量合理的烹飪調味是美味與健康的前提，如何精準定量地輸出各種形態的調味料，以及提升裝置操作的智能化是目前行業研究的熱點[2]。李乾等為了提升調料輸出的精度與效率，設計了一種基于螺旋桿和稱重雙重計量的調味料輸出裝置，用于輸出顆粒與粉末態調料[3]。高宇等設計了一種智能菜譜調料機，包括固態調料儲釋模塊、液態調料儲釋模塊、定量按壓模塊、形態組合轉換模塊以及控制模塊，可實現精準控制出料量[4]。佟世繼等設計了一種基于ARM的智能調料助手，可實現自動調配和稱重[5]。盡管目前很多研究人員對調味裝置進行了許多有益的探索實踐，但對于多態調味料輸出的適應性以及裝置操作的智能化研究仍存在不少問題[6]。為此，筆者結合實際需求通過功能模塊化設計，研制一種基于C51的智能語音定量調味裝置，包括多形態調味料機械出料模塊、電氣控制模塊、語音識別模塊等，實現裝置可通過語音自動定量輸出調味料。語音識別功能方便了調味料的使用，機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 機械機構設計

智能調味裝置的機構組成如圖1所示，調味裝置設置有食用油輸出模塊、液態調味料控流模塊、粘稠態調味料按壓模塊、姜蒜切碎模塊、顆粒調味料擠出模塊。灶臺內側安裝有絲桿滑臺，在步進電機的驅動下，可將調味裝置整體移動至相應炒鍋的上方。

圖1 智能調味系統整體結構圖1.調味裝置 2.灶臺 3.1號鍋 4.絲杠導軌 5.電機 6.2號鍋

1.1 食用油輸出模塊

食用油輸出模塊包括絲杠滑臺、步進電機、推板、活塞桿、儲油罐等，如圖2所示。步進電機驅動絲杠轉動，絲杠滑塊帶動推板向下運動，推板推動活塞下行，從而使食用油從出油口被擠出，步進電機可精確控制活塞下行距離，從而實現食用油的定量輸出。

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

1.2 液態調味料控流模塊

液態調味料控流模塊由儲料罐、電磁水閥、導管等組成，儲料罐出料孔與電磁水閥進料口相連，如圖3所示。該模塊適用于各種液態調味料，例如料酒、老抽、生抽等。根據語音提示內容，通過單片機控制電磁水閥的通斷時間，可定量輸出液態調味料。

圖3 液態調味料控流模塊

1.3 粘稠態調味料按壓模塊

粘稠態調味料按壓模塊包括直線電機、杠桿機構、儲料罐、真空壓泵等，如圖4所示。

圖4 粘稠態調味料按壓模塊

杠桿機構的動力臂在直線電機的作用下向上抬升，結合杠桿支點，阻力臂向下運動，擠壓真空壓泵，使粘稠態調味料從壓泵嘴中被擠出，然后直線電機下行，杠桿力消失，真空壓泵在內部彈簧的作用下恢復原來狀態，根據實際調味料用量，控制直線電機重復上述操作即可實現粘稠態調味料輸出。

1.4 姜蒜切碎模塊

姜蒜切碎模塊由支架、導軌滑塊、直線電機、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，單片機控制直線電機下行，帶動擠壓凸模下壓，凹模固定不動，姜蒜在凸模的擠壓下，從凹模孔中被擠出，使其成為姜蒜末。

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

1.5 顆粒調味料擠出模塊

顆粒調味料擠出模塊由擠出螺桿、儲料罐、電機等組成，如圖6所示。本模塊應用了擠出螺桿來實現定量給料，適用于鹽、味精、白糖、雞精等顆粒狀調味料。擠出螺桿在電機的作用下旋轉，顆粒狀調味料沿著螺紋槽向前運動被擠出。擠出螺桿轉動一圈，擠出一個螺距的調味料，通過單片機控制螺桿轉動圈數，即可輸出相應重量的調味料。

圖6 顆粒調味料擠出模塊

2 電氣控制系統設計

裝置采用單片機作為主控芯片，控制直流電機、步進電機、直線電機、電磁閥，步進電機等電氣控制元件，電氣控制系統如圖7所示。通過單片機控制直流電機轉動時間，帶動螺桿定量擠出顆粒態調味料；控制直線電機推動杠桿機構擠壓真空壓泵，輸出粘稠態調味料；控制直線電機下行，推動擠壓凸模壓切姜蒜調料；控制電磁閥通斷時間，定量輸出液態調味料；控制步進電機轉動角度，精確推動針筒活塞桿行程，定量輸出食用油。

圖7 電氣控制系統設計

3 語音識別模塊設計

裝置采用ASR-M09C IDE語音識別模塊，將該模塊設置為喚醒模式，喚醒詞為“小智大廚”。只有當使用者呼喚“小智大廚”時，模塊才能進入后續命令，否則模塊處于休眠狀態，這樣可以有效避免語音干擾，產生誤操作。通過模塊指令將語音內容與輸出指令進行對應，如設置“@02,liao jiu 10 ke,002,$”，即將料酒10 g的語音與“2”對應，當產生“料酒10 g”的語音時，模塊會將“2”發送給單片機，單片機通過switch語句執行case2內容，控制電磁閥通斷時間輸出料酒10 g。

4 系統控制程序設計

語音識別模塊識別語音內容，生成對應的指令，通過RS232串口，將指令發給單片機，單片機接收指令，明確哪個調味模塊需要輸出，控制相應的直線電機、電磁閥等通斷時間，實現調味料定量輸出。部分控制程序如下：

void serial() interrupt 4

{ ES = 0; //關閉串行中斷

RI = 0; //清除串行接受標志位

buf = SBUF; //串口緩沖區讀取數據

switch(buf) //判斷選擇

{case 2: wine=1; //接收到2，下料酒

delay(t1); //電磁水閥延時時間

wine=0;break;

case 3: salt=1 ; //接收到3,放鹽

delay(t2); //控制擠出螺桿轉動

salt=0;break;

case 4: oil1=1;// //接收到4,放耗油

delay(t3); //步進電機轉動時間

oil2=0;break;

}

ES = 1; //允許串口中斷}

程序中單片機開中斷，接收語音模塊指令，當語音模塊生成指令并發送后，單片機進入中斷程序，將指令內容讀入buf中。通過switch語句判斷選擇需要執行case內容，例如當buf=2時，執行case2段程序，即該指令需要下料酒，料酒量根據語音內容由delay(t1)中t1值確定。

5 模塊功能驗證

為了驗證模塊的有效性，通過實物加工與裝配，制作了上述姜蒜切碎、顆粒調味料擠出、食用油輸出、粘稠態調味料按壓等模塊，并與電氣控制系統集成調試，完成功能驗證模塊，如圖8所示。

圖8 裝置實物模塊1.電氣控制系統模塊 2.姜蒜切碎模塊 3.顆粒調味料擠出模塊 4.食用油輸出模塊 5.粘稠態調味料按壓模塊 6.液態調味料控流模塊

(1) 語音喚醒模式驗證 呼喚“小智大廚”后，語音系統指示燈亮，此時模塊被喚醒，系統處于執行等待狀態，等待時間為10 s(等待時長可通過程序修改)。

(2) 食用油輸出模塊驗證 語音呼喚“食用油20 g”，此時步進電機啟動，模塊輸出食用油至已知質量的燒杯中，天平稱量顯示其值為20.6 g。

(3) 液態調味料控流模塊驗證 語音呼喚“料酒10 g”，此時電磁閥開啟，將料酒輸出至已知質量的燒杯中，天平稱量顯示其值為9.2 g。

(4) 粘稠態調味料按壓模塊驗證 語音呼喚“耗油15 g”，此時直線電機工作，按壓擠出耗油至已知質量的燒杯中，天平稱量顯示其值為11.5 g。

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

(6) 顆粒調味料擠出模塊驗證 語音呼喚“食鹽5 g”，此時直流電機工作，螺旋擠出食鹽至濾紙上，天平稱量結果顯示為5.5 g。

模塊功能驗證結果顯示：食用油輸出模塊、液態調味料控流模塊、姜蒜切碎模塊、顆粒調味料擠出模塊工作性能良好，能實現接近定量輸出；粘稠態調味料按壓模塊輸出量不確定性較大。

6 結 語

在機械機構設計方面，針對不同形狀，不同狀態的調味料，創新設計了不同的出料機構。使用電磁水閥控制料酒、醬油、醋等液態調味料；使用壓力泵和杠桿機構控制耗油、雞汁等粘稠態調味料；使用螺旋擠出機構控制鹽、糖、雞精、味精等顆粒狀調味料；使用絲杠機構推動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現姜蒜切末；在裝置控制方面，設計基于C51的單片機控制系統，實現自動定量控制調味料輸出；在裝置操作方面，利用語音識別模塊，實現人機交互，在炒菜時，不需要用手去控制設備，從而解放了雙手，使裝置的操作變得簡單易行。

下一步將繼續改進粘稠態調味料輸出方式，同時對整個裝置進行產品化設計，使其更符合實際使用要求。