自助胚芽米碾米系统设计

王靖凯，袁嫣红

（浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018）

0 引言

随着人们生活水平的不断提高，对于粮食的需求也从吃饱、吃好逐渐过渡到如何吃得营养、吃得健康上。然而研究表明，大米的绝大部分营养是保存在胚芽里的。胚芽米又称为留胚米，指胚芽保留率达到80%以上，并符合大米等级标准的精米。其富含丰富的蛋白质、脂肪、可溶性糖和多种维生素以及钾、钙、铁等人体必需的微量元素，另外还含有植物固醇、谷维素等特殊成分，长期食用有防治便秘及预防肥胖症、糖尿病、心血管疾病等功效［1-2］。但由于早期的碾米技术不够发达以及胚芽本身易脱落等缘故，人们常食用的精大米是不含胚芽的。近年来随着农业机械技术的不断发展，目前国内已能够设计、生产出保留胚芽的碾米机，并且市场上也出现了一批投放于各个小区的自助式胚芽碾米机设备，该设备已具备供料、生产、自助购买、排料等全自动化功能［3-4］。因此，研究与发展胚芽米碾米机械及便捷的自助售卖系统，对于改善人类饮食健康有着深远影响。

1 相关研究

目前国内自助胚芽米碾米系统仍处于示范阶段，有待进一步推广与应用。在较发达的城市首先进行了试点销售，最开始由广州全谷鲜、浙江万盛等企业引进韩国、日本等国原装机器在国内进行推广与销售，之后深圳的艾雷特、西安斗石等企业在国外机器的基础上进行消化与吸收，自行研制出TLE 系列和ZM 系列［5］。然而，目前市场上的自助胚芽米系统一方面由于体积庞大，单次加工的胚芽米数量较多，而过多的胚芽米不利于储存，易受潮霉变；另一方面每台碾米机之间彼此独立，缺乏统一调控。随着碾米机数量的增加，使得统计碾米机状况、加工数据等工作变得十分繁琐，管理也十分低效［6］。

本文针对这些问题设计一套自助胚芽米碾米系统，并拟开发出一种新型胚芽米销售模式。以家用为目的，为每个消费者家庭配置一台小型自助胚芽碾米机系统，厂商可为用户提供送糙米原料上门服务，类似于桶装水的销售模式。该模式能够改善消费者购买胚芽米的体验，使消费者能够足不出户，通过网络下单的方式随时随地加工出每餐需要的新鲜胚芽米。

2 自助碾米系统结构

目前，单台的碾米机技术已经非常成熟，其机构简图如图1 所示。电机通过带轮将动力输送至碾米轴上使碾米轴旋转，此时将糙米放进入米口，在螺旋推进器作用下将糙米推入左侧碾米室，糙米在碾米室内受到碾米筋及其他米粒共同施加的碾削作用，将糙米的米糠层去除。其中，米糠透过筛网从米糠口流出，碾白后的精米从出米口流出［7-9］。

Fig.1 Sketch of rice milling machine structure图1 碾米机机构简图

但是，由于现有碾米机单次加工数量较多，一次加工出的精米如果保存不当很容易变质。为提高即碾即吃的便利性，系统对原有的碾米机结构进行改进，设计为网络下单、自动定量取米并碾米。用户通过手机端或电脑端输入对应的URL 登入网页，选择加工数量并点击启动按钮，此时服务器后台会将加工数据编组成符合MQTT 协议格式的报文，发送给MQTT 中转站；MQTT 中转站根据报文中的主题查找订阅该主题的其他客户端（本系统为WiFi 联网模块），将此报文转发给WiFi 模块；主控板通过串口接收中断，当接收到来自WiFi 模块的一条完整报文后开始提取有效数据，得到加工数量和运行指令，并设置对应变量控制定量取米电机的运行周期，将储米仓中的糙米按量放入碾米室内；取米动作完成后，再驱动主轴电机进行碾米；一次完整的碾米动作完成后，主控板将本次加工数据及储米仓余量打包成MQTT 协议上传至服务器，服务器将接收的数据存入数据库后在Web 前端页面显示。

系统框架如图2 所示，主要由扩展机构、控制系统和Web 服务器3 部分组成。扩展机构通过设计糙米存储与定量取糙米一体机构实现存储糙米、从储米仓定量取出糙米放入原有碾米机械碾米室内两个功能。控制系统设计包括主控制器、系统供电电路、辅助机构中定量取米电机及碾米机主轴电机驱动的软硬件设计等；Web 服务器设计包括后台程序、数据库、Web 前端页面设计等。

Fig.2 Overall system framework图2 系统整体框架

3 定量取米模块机构设计

为了实现碾米系统以家庭为单位、现碾现吃的模式，在原有碾米机基础上，增加定量取糙米机构，根据下单数量定量取糙米放入碾米室内。储米与定量取米机构如图3所示，其主要由机架、储糙米仓、电机、连杆、曲柄、轴承、下滑槽、定量糙米仓、上滑槽、糙米余量传感器等组成。设计的储糙米仓可存储糙米15kg，定量糙米仓容量约为200g 糙米，即单人一餐的用米量。小尺寸的定量糙米仓可有效控制每次的取米数量，保证每餐吃到的大米都是新鲜碾出的。由于定量糙米仓的体积较小，所以电机采用小功率的步进电机作为动力源，以保证在输出动力的同时降低噪音。

从功能上将该机构分为储米仓、定量糙米仓、定量取米传动机构和机架4 部分。储米仓为开口上大下小的漏斗状容器，内部装有糙米余量传感器。当糙米存储量接近最小阈值时，可实时提醒用户系统糙米量不足，请及时购买新糙米。

Fig.3 Rice storage and quantitative rice pick-up mechanism图3 储米与定量取米机构

定量糙米仓是实现定量取米的关键，其结构如图4 所示。定量糙米仓上下开口，其容量设计为取米量的最小刻度，目前为200g。定量糙米仓安装在上下两个滑槽内，上滑槽开口与储米仓的出米口相连，下滑槽开口与碾米室相通。定量糙米仓受定量取米传动机构驱动，可在进米和出米两个工位中来回移动。

Fig.4 Composition of brown rice taking mechanism图4 取糙米机构组成

如图5 所示为进米工位，定量糙米仓的进米口与上滑槽上的开口重合，米仓中的糙米在重力作用下流入定量糙米仓。当定量糙米仓离开取米工位时，定量糙米仓的上档板将上滑槽开口封住，防止储米仓内的糙米继续向下流出。定量糙米仓的出米口则被下滑槽上的档板挡住，直到定量糙米仓到达出米工位，如图6 所示。此时其出米口与下滑槽上的开口相通，糙米从下滑槽的开口流出，进入碾米机的碾米室内。

Fig.5 Rice feeding station图5 进米工位

Fig.6 Rice output station图6 出米工位

4 碾米控制系统

碾米控制系统接收服务器下发的指令，控制取米与碾米动作，并把碾米加工完成的信息上传服务器。根据需求，碾米控制系统框架如图7 所示。

Fig.7 Rice milling control system framework图7 碾米控制系统框架

4.1 硬件电路设计

根据控制系统框架，硬件电路部分包含主控最小系统、光电传感器接口、WiFi 模块接口、存储器接口、直流无刷电机驱动接口（主轴碾米电机）、霍尔传感器接口及步进电机驱动接口（定量取糙米电机）。主控芯片选择STM32F103VGT6，需要搭建必要的电路（如外部晶振电路、程序下载接口电路、复位电路等）形成最小系统才能正常使用［10-11］。

由于系统使用的各模块电源不尽相同，如主控芯片正常工作电压为3.3V，糙米余量传感器额定电压为24V，直流无刷电机三相逆变驱动电路中使用的功率管工作电压为12V，霍尔传感器反馈信号为5V，因此系统将24V 电源作为输入设计了3 种降压电路，可分别得到12V、5V、3.3V 电压。

控制系统在与服务器进行数据交互时通过WiFi 模块中转，控制器与WiFi 模块通过串口连接交互数据。在每次加工数据前都需要确认系统糙米余量是否充足，所以在系统中增加用于检测糙米余量的光电传感器。传感器额定工作电压为24V，设计传感器接口电路使用光耦，将24V 电源与3.3V 电源隔离。由于每次加工完成后需要更新糙米余量，并将余量保存在系统中断电不丢失，因此本系统外接W25Q64FLASH 存储器，通过SPI 总线存取数据。

此外，系统最主要功能是定量取糙米与碾米，因此系统设计了步进电机驱动电路和直流无刷电机驱动电路，下面将详细介绍两部分硬件电路的设计。

4.1.1 定量取米电机驱动硬件设计

定量米仓作为曲柄滑块机构中的从动件，动力来源于与曲柄通过联轴器连接的电机。因为定量取米仓体积较小，所以采用两相四线制混合式步进电机作为动力源。为降低设计难度，模块采用TI 公司的DRV8818 驱动芯片。该芯片内部集成两个N 沟道功率MOSFEET H 桥驱动器和控制马达细分步距的分度器，最高可提供步距8 细分，以及每相绕组2.5A 的相电流。内部具有自关断功能，可实现欠压、过温、过流及短路保护等。

定量取米电机驱动电路如图8 所示，使用24V 直流电源为芯片供电，VREF 和RNF1、RNF2 引脚用来调整输出电流，MODEL1 和MODEL2 引脚用来决定电机工作在几分之一步进模式，最高可为八分之一。CLK、ENABLE、CW/CCW引脚分别连接主控制器的脉冲、使能和方向引脚，CR1 与CR2 引脚决定关闭时间，MTH 引脚决定电流衰减模式。根据定量取米模块的实际工作情况，配置驱动芯片工作在八分之一步进模式，输出电流为1.8A，衰减模式为混合衰减。

Fig.8 Fixed amount of rice pickup motor drive circuit图8 定量取米电机驱动电路

4.1.2 主轴电机驱动硬件设计

直流无刷电机无需机械换向，并且在低速时能提供较大转矩。本系统的碾米主轴电机选用三相直流无刷电机，一般采用三相六状态120 度导通方式，通过搭建三相逆变电路实现对电机的驱动［12］，其中，单个桥臂的驱动电路如图9 所示，PWM 控制信号高电平为3.3V，经过TLP715 高速光耦进行保护隔离与升压，使控制信号升至15V 作为IR2110S 的输入控制信号。选用IR2110S 作为MOS 管的驱动，驱动IRFS3607 组成的H 桥，HIN、LIN 分别控制HO 端和LO 端。当HIN 输入高电平时，HO 与VB 端导通；当HIN 输入低电平时，HO 与VS 端导通，LIN 端同理。在上半桥Q3导通时，由于源极电压约等于24V，若高于栅极会使Q3 导通一瞬间关断，因此添加二极管D10 与电容C20 组成自举升压电路，在Q3 导通时将栅极电压抬升至39V，从而保证栅源之间的电压大于IRFS3607 的VGS，电机其他两相驱动电路与之相似。

三相无刷直流电机需要位置反馈，通常在电机内部集成了霍尔传感器以确定转子相对位置。3 个霍尔传感器安装在电角度相差120°的位置，转子每旋转60°，3 个霍尔传感器中的1 个就会产生信号跳变，控制器根据此信号可得到转子位置，然后进行换向控制［13-14］。

4.2 软件设计

4.2.1 定量取米模块电机软件设计

定量取米电机控制流程如图10 所示。当模块接收到运行指令后，首先对指令进行解析，获得本次电机需要循环的次数TIMES；然后设置电机方向为正转（即DIR=0），并启动电机；电机启动后不断统计定时器PWM 输出的脉冲个数，以此判断电机是否到达指定位置；当从进米工位运动到储米工位时，电机反向（即DIR=1）继续运动；当电机再从出米工位回到进米工位时，此时方向标志位DIR 为1，TIMES 自减1，最后根据TIMES 的值是否为0 判断本次取米动作是否结束。

Fig.9 Rice milling spindle motor drive circuit图9 碾米主轴电机驱动电路

Fig.10 Flow of the control of quantitative rice taking motor图10 定量取米电机控制流程

4.2.2 主轴电机模块软件设计

将霍尔传感器3 根信号线接入控制器高级定时器1 的3 个外部输入通道，配置定时器1 为霍尔模式，在每个霍尔信号线边沿触发中断，并在中断服务函数中读取编码器的值，将读到的值与电机真值表对照，驱动对应的两个MOS管导通进行换向。本模块控制程序流程如图11 所示，通过定时器的计数器初值控制碾米时间长短。此外，本系统采用每一相上半桥PWM 波、下半桥高低电平控制的方式，通过调节上半桥PWM 波脉冲的宽度（占空比）改变输出电压幅值，从而达到电机调速的目的。对于直流无刷电机而言，应尽量设置较高的开关频率，一方面能降低电枢电流脉动量，另一方面也有利于自举电容的充放电，使电路更稳定地工作。但是过高的开关频率又会加剧MOS 管的损耗，影响其使用寿命［15］。结合碾米电机的实际使用情况，本模块配置PWM 频率为20kHz，占空比为50%。

Fig.11 Spindle motor control program flow图11 主轴电机控制程序流程

4.2.3 控制器主程序

主程序流程如图12 所示。通电开机后，先对各硬件进行初始化，包括串口、定时器、WiFi 模块、MQTT 主题订阅等，接着系统一直处于等待接收服务器下发指令状态。当接收到服务器下发的加工指令，便开始解析数据并判断储米仓中的糙米是否充足。若不充足，则发送一条糙米原料不足的报警消息到服务器上，并退出循环等指令状态，直到糙米补充完毕；若充足，则根据碾米数量控制定量取米电机循环次数，并按量取米。取米结束后，开启主轴电机进行碾米。碾米完成后，将本次碾米数据打包成MQTT 的发布报文，通过WiFi 模块发送至服务器。

Fig.12 Main program flow图12 主程序流程

5 服务器端设计

为实现远程控制碾米机运行，并实时监测碾米机加工状况及储米仓余量信息，设计一套具有数据存储、用户认证、远程控制与监测等功能的远程服务器系统。服务器系统框架如图13 所示。

5.1 服务器端设计

服务器开发语言使用Python，最常见的基于Python 语言的Web 服务器框架有3 个，分别为：Django、Flask、Tornado。其中，Flask 因其自身体量小，可按照项目需求通过第三方模块进行扩展，且第三方模块资源非常丰富［16-17］。因此，本服务器选择Flask 作为后台开发框架。

为满足服务器与联网设备交互方便、易维护、可扩展的需求，使用MQTT 物联网传输协议进行数据交互。该协议的物理模型如图14 所示。服务器与联网模块既可作为发送方，又可作为接收方，只需订阅同一个主题即可完成消息的双向传输，非常便捷、高效［18］。

Fig.13 Server system framework图13 服务器系统框架

Fig.14 MQTT physical model图14 MQTT 物理模型

本系统采用目前最流行的关系型数据库MySQL 对用户信息与碾米机参数信息进行存储。其占用磁盘空间小，仅100M 左右，安装运行方便，数据的增、删、改、查操作简单且快速，用户可使用不同的语言编写程序访问数据库［19］。根据数据的不同类型对其进行存储，本系统创建的服务器端数据库设计表如图15 所示［20］。

Fig.15 Server-side database design table图15 服务器端数据库设计表

在Flask 中通过SQLAlchemy 模块操作数据库，在SQLAlchemy 中以Python 类映射数据库中的表，以类的实例对象映射具体数据。

Web 前端页面通过H5 语言+VUE 框架实现，服务器Web 页面主要由用户管理页面、加工数据统计页面及碾米机控制页面组成，如图16 所示。

Fig.16 Web-side page图16 Web 端页面

5.2 联网模块选择

服务器端和主控制器通过ESP8266WiFi 模块实现远程控制与数据交互，该模块内置TCP/IP 协议栈，支持STA、AP、STA+AP 3 种模式，可在-40°～125°温度范围内正常工作［21］。本系统设置该模块工作在STA 模式，通过连接房间内的路由器与服务器端建立TCP 连接。模块本身与主控制器通过串口连接，主控制器使用AT 指令集实现模块初始化及模式设置等功能。该模块联网工作流程如图17 所示。

Fig.17 ESP8266 work flow图17 ESP8266 工作流程

6 系统测试

系统测试分为4 部分：第1 部分测试定量取米机构能否完成存储糙米与定量取米功能；第2 部分进行步进电机驱动板测试，主要检测通过PWM 方波能否正常驱动步进电机运行，并进行速度控制；第3 部分对主轴电机驱动板进行电机连接测试；第4 部分对服务器端进行数据传输、服务器与数据库连接及数据前端显示测试，最后对整个系统进行运行测试。经过不断调试与修改，最后该系统完成了从Web 网页端（见图18）控制碾米机根据设定数量进行取米、加工及数据反馈等功能。加工数据统计页面如图19 所示。

Fig.18 Device control page图18 设备控制页面

Fig.19 Processing data statistics page图19 加工数据统计页面

7 结语

本文针对胚芽米碾米机械设计一套自助碾米系统，并设计了扩展定量取米机构、专用控制电路及远程服务器等。系统可实现线上下单、全自动碾米等功能，且单次碾米规格可低至200g，一定程度上保证了每餐所食用胚芽米的新鲜度。但该系统可加工的糙米品种固定，在后续研究中需要对系统进行改进，使其能适应不同产地、品种的糙米。