基于Arduino控制的全自动揉面设备设计

张颖洁 张涵 张桂艺 李贝贝 赵鸿博

摘要：针对目前大部分中小型面馆、早餐店等揉面过程存在的问题，设计了一种基于Arduino控制的全自动揉面设备。该设备采用Arduino UNO R3单片机作为主控芯片，USART HMI TJC4827X343_011X串口屏作为人机交互显示部分，设备包括质量采集模块、水量采集模块、动力驱动模块、原料投放模块、人性化语音报警模块以及面粉搅拌模块。该设备经过调试与测试后，各部分运行可靠，性价比高;设备各功能稳定性、集成度以及揉面效果都达到了预期要求。

关键词：全自动揉面设备;自动化控制系统;微控制器;机电一体化

0 引言

据调查，目前大部分面馆、早餐店等都是采用人工进行面与水的配比，使用人力进行揉面，这是一件耗时耗力的事情，在一些普通面馆，往往需要在营业前准备一定量的面，以应对人流高峰时期的需求，而面馆客流量往往十分不均，在不确定需求量的情况下经常会出现揉面过多或揉面不足的问题。大中型面食品店揉面使用的主流设备仍停留在半自动层面，需要人工加面、加水、配比、搬运，消耗大量的人力资源。面制品是我国最重要的食品之一，日常需求量非常大，为了促进面制品市场的发展，本文从中小型面制品商家角度出发，设计了一种基于Arduino控制的全自动揉面设备，其操作简单，采取模块化设计方法，便于设备功能的拓展与裁剪，实现人机交互选择界面、原料自动投放、配比、自动揉面、快速成型、自动提醒等功能需求，为中小型面制品商家的揉面工作提供极大便利。

1 总体设计

本设备以Arduino UNO R3单片机作为主控芯片，STM32系列单片机作为屏幕控制芯片，HMI串口屏作为人机交互动态显示屏幕。设备主要分为用户选择、原料投放、揉面、语音提醒以及总体控制等部分。设备初始化完成后，各个模块进入工作状态，不间断地检测各自的命令信号与传感参数的变化，主控芯片开始循环检测相应数据的传输情况，并对传入的数据做出相应处理，然后将相应的指令传达至相应的模块，各个模块依次有序进行各自功能的实现，一次工作完成后设备自动复位，循环等待下一次工作指令。

Arduino单片机作为设备的集中控制模块，完成各个模块工作命令的传达和处理每个模块传入数据，HMI串口屏内嵌STM32芯片，作为屏幕信息的处理器。本设备在屏幕部分写入可视化用户选择界面，供用户操作，用户可根据不同的揉面需求选择相应的选项，然后自行输入需要揉制面粉的质量，点击确定之后HMI串口屏会将相应的数据传输到Arduino单片机，单片机根据接受到的数据进行处理，依据用户选择的类型跳入相应算法处理，计算出揉面时力的大小以及所需的时间，根据面粉的质量，依靠不同公式计算出所需水的质量。计算的同时，单片机驱动42步进电机，带动旋转下料器运作，使面粉均匀进入搅拌桶，进面粉时，质量传感器实时检测揉面桶内面粉进入的质量，并传输至主控单片机，当面粉进入量等于用户需求时，42步进电机停止运作，面粉停止进入，电磁阀开启，水开始进入搅拌桶，水流量计动态检测进水量，当满足条件时，电磁阀关闭，进水停止，57步进电机带动双轴搅拌杆开始搅拌，运作依据算法计算所得时间，时间达到后单片机传输指令至蜂鸣器，蜂鸣器开始运作，提醒用户工作完成，蜂鸣器运作完成后设备复位，等待下一次运作。

设备整体电能由220 V交流电提供，日常條件即可满足用电需求，即插即用。220 V交流电经设备内部电源模块降至36 V直流电，分至两步进电机使用，其中部分利用降压模块降至12 V供电磁阀使用，最后通过5 V降压模块和稳压模块，提供5 V稳定直流电，供主控芯片以及串口屏使用。其中设备总体结构如图1所示，电源规划如图2所示。

2 设备的硬件设计

主控板是一款基于ATmega328P的微控制器板，采用C++语言控制，含有14个数字输入/输出引脚，6个可作PWM输出，6个模拟输入，采用16 MHz晶振时钟，USB连接，电源插孔，使用ICSP接头和复位按钮，方便简单，能够较好满足设计硬件要求。电机采用的是42与57步进电机，步进电机不仅运作平稳、噪声小而且扭矩大，适合为下料器以及面粉搅拌杆提供平稳动力。USART HMI串口屏底层已经封装好，通过串口（USART 232）与用户MCU进行交互，可随时通过USART发送指令通知设备，结合主控单片机出色完成设备要求。设备采用的HX711质量传感器价格低廉，质量误差在1 g内较精确，耗能十分少。控制进水量采用空气电磁阀与水流量计结合，水流量计可以将流过水量转化为电信号，传递给主控芯片，主控芯片通过控制继电器的高低电平实现对12 V电磁阀通断的控制，进而实现对水的控制，以实现面水的精确配比，保证面团品质。语音提醒部分为减少设备成本，采用普通高电平触发有缘蜂鸣器，价格廉价，使用简洁。设备整体框架架构采用铝合金材料制作，使得设备整体轻便、牢固，双轴搅拌杆分为主杆与副杆，主杆实现对面粉的搅拌、揉制成型，副杆主要将面粉向搅拌桶中部划扫，便于主杆搅拌的目的。搅拌桶采用双桶套叠，即一桶直径稍大，作为外桶，底部与设备为抽拉可固定式，便于拿取面团和清洗，质量传感器至于外桶之中固定，内桶直径稍小，放置于外筒质量传感器上，桶内作为搅拌场地，内外桶之间相对位置连有通孔，用于固定，当质量称取完成时，通过舵机将螺柱插入通孔之间，固定揉面桶，防止揉面过程产生位移。

3 设备的软件设计

3.1    HMI串口屏部分

HMI串口屏由STM32芯片控制，用于接收单片机串口发送的指令，并完成在LCD上绘图的操作。屏幕程序主要完成四个不同揉面用途的界面选择、用户自行输入面粉质量界面的绘制以及将用户输入数据返回主控芯片的功能。主控板串口扫描程序如图3所示。

3.2    Arduino主控部分

Arduino单片机用来进行数据的采集处理与实时控制，主要完成设备的初始化，实现与HMI串口屏之间的通信，扫描来自屏幕、质量传感器、水流量计返回的数据并实时做出判断执行相应命令，优化数据处理的算法，提高各模块的稳定性。

对于屏幕与主控芯片之间的通信，考虑到当用户选择完揉面选项后可能会存在修改以及质量输入时输入错误需更改输入质量的行为，导致主控芯片要处理额外的数据的问题，本设备对屏幕与主控芯片通信进行优化处理，只有确认指令被选中时信息才会传递至主控芯片。

对于原料投放模块，由于面粉具有板结特性，为此设备采用旋转下料器和步进电机，以使面粉可以均匀下落至搅拌桶中，此外，由于面粉下落会存在重力加速度，使得质量传感器读取数据存在细微差异，本设备依据大量实验测得数据，加入数据缓冲算法，缓解面粉重力加速度对质量传感器读取数据的影响，原料投放流程如图4所示。

通过对揉面选项以及面粉数据的计算可得揉面杆的工作力度以及工作时间，实现不同用途与不同质量面粉的特定揉制，面粉揉制程序流程如图5所示;语音提醒模块采用蜂鸣器实现，当设备一次揉面完成时，蜂鸣器高电平触发，工作特定时间，设备初始化，语音提醒程序流程如图6所示。

4 结语

本文设计了一种基于Arduino控制的全自动揉面设备，控制部分通过主控芯片实现数据实时检测和处理，采用HMI串口屏作为人机交互动态显示界面，易于用户选择与调试，成本低廉，性能稳定，使用方便。动力部分采用步进电机为揉面杆与旋转下料器提供动力，使用舵机为揉面桶固定提供动力，电磁阀与水流量计的结合实现了进水量的精确控制，旋转下料器和质量传感器的配合实现了面粉的精确投入，通过相应的程序算法完成原料间的精确配比，满足面团对水面配比的精确要求。HMI串口屏的使用，使用户能够及时了解设备的整体情况，并对设备信息进行实时处理，为用户提供更加智能的服务。

[参考文献]

[1] 朱克庆，马卫淇.自动揉面机的研究与开发[J].粮食加工，2014（4）：52-54.

[2] 蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程，2012，20（16）：155-157.

[3] 倪树标，张冠文，刘日威，等.浅谈串口屏在仪器人机界面设计中的应用[J].广东科技，2012，21（21）：176-177.

[4] 徐云杰.机械CAD基础[M].北京：北京大学出版社，2012.

收稿日期：2020-02-06

作者簡介：张颖洁（1999—），男，山东烟台人，研究方向：机械设计制造及其自动化。