赵建平 汪永超 张 莹 邹龙飞

（四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

中餐，以色、香、味、意、形俱全闻名世界，在不少国家和地区都倍受青睐。然而因为中餐做一道菜，调料放多少，全靠厨师把握，没有统一的标准，导致推广困难［1］，所以要想突破发展瓶颈，必须实现中餐制作的标准化、规格化，才能真正实现中餐在全世界的普及。中餐制作过程中最大特点主要体现在烹调方式和调料用量上［2］，因此调料用量的控制问题急需解决，但目前还没有关于这方面的研究。已有一些中式烹饪机器人的研究和面世，这些机器人能够实现烹饪过程的锅具运动自动化，但烹饪过程中仍需要人工事先将调料配好，不能实现完全自动化［3］。作为机器人，无疑成本比较昂贵。

针对这一问题，本研究设计了一种新型的智能调料机，该调料机采用左轮旋转结构实现固体出料，采用简易液压系统实现液体出料，以单片机以及步进电机为基础实现对固体出料及液体出料的控制，实现固体调料和液体调料的自动、精确出料，并依据内置菜谱按比例自动、智能配出菜品所需调料。该智能调料机适用于家庭厨房以及大、中、小型餐馆。

1 整机结构

智能调料机主要分为机械系统和控制系统，其中机械系统包括了固体出料结构、液体出料结构、显示装置、操作面板和支撑部件等，如图1所示。储料箱体的隔板将固、液储料桶与其他部件隔离开，以防止调料渗漏造成的腐蚀或其它危害。6个固体调料控制电机位于储料箱体下方，均匀分布在步进电机托盘上，与6种固体调料一一对应；4个液体调料控制电机安放在底座上，通过梯形螺纹丝杠与液体出料结构相连。出料漏斗上方和支撑板紧密配合，下方通过电机托盘的中心孔定位［4］。

图1 出调料机整机结构Figure 1 Main structure of seasoning-discharging machine

2 结构及工作原理

2.1 固体调料出料部分

2.1.1 固体调料出料部分结构 固体调料出料部分采用左轮转盘结构，如图2所示。左轮2上平面与固体储料桶1出料孔、下平面与出料盘3出料孔配合（1的出料孔与3的出料孔不重合），并通过左轮轴和联轴器与电机轴相连［5，6］。

图2 固体出料结构Figure 2 The structure of discharging solid seasoning

2.1.2 固体调料出料原理 固体调料储料桶、出料盘和出料漏斗与支承部件固连。通过程序控制驱动步进电机旋转，经由联轴器和左轮轴带动左轮作旋转运动。当左轮2小孔与储料桶1出料孔重合时，调料由储料桶进入左轮小孔，取料完成；当左轮2小孔与出料盘3出料孔重合时，左轮小孔内的调料由3的出料孔漏出，进入出料漏斗7，出料完成。取料和出料动作由左轮2上不同的小孔同时进行，左轮每转一定的角度完成一次取料和出料。通过控制步进电机旋转的角度来控制取料和出料的次数，从而准确控制调料的出料量。工作情况如图3所示，电机带动左轮轴逆时针旋转。

图3 固体出料原理图Figure 3 Schematic diagram of discharging solid seasoning

2.2 液体调料出料部分

2.2.1 液体调料出料部分结构 液体调料出料部分采用简易液压系统结构［7］，如图4所示。液体储料桶固定在储料箱体中。三通接头的其中两个接头都分别与一个单向阀相连，一个与液体储料桶的出料孔相连，另一个与液体调料出料导管相连，剩下的接头与针筒头部相连。

图4 液体出料结构Figure 4 The structure of discharging liquid seasoning

2.2.2 液体调料出料原理 如图5所示，液压缸的进液口1通过单向阀与储料桶连接，出液口2通过单向阀与出料管连接，采用丝杠螺母机构把步进电机的旋转运动变为活塞的直线往复运动。步进电机正转，活塞向下运动（工作行程），单向阀1导通，液体从储料桶流入液压缸，取料动作完成；步进电机反转，活塞向上运动（返回行程），单向阀2导通，液体从液压缸排出，通过导管从出料漏斗流出，出料动作完成。工作过程中，采用单向阀控制液体的流向，防止液体回流，通过控制步进电机的旋转角度来控制活塞的直线运动距离，从而实现定量出料。

图5 液体出料原理图Figure 5 Schematic diagram of discharging liquid seasoning

3 控制系统

智能调料机控制系统以51单片机为核心，键盘作为输入设备，步进电机和驱动器作为输出设备，为方便人机交互采用了TFT液晶显示屏，单片机通过I/O口与输入、输出设备建立通信［8］。控制系统按功能可划分为三大模块：信息输入模块、运算处理模块和执行与显示模块，如图6所示。

图6 控制系统方框图Figure 6 Schematic diagram of control system

信息输入模块是用户根据液晶显示屏的提示信息操作键盘，进行菜单选择或数据输入，通过一定的按键扫描程序完成信息的收集。运算处理模块由一块51芯片为核心的控制板和运行在其中的控制程序组成［9］；负责接收和分析信息输入模块送来的数据，分模块地进行调料种类的选择和调料量的计算、电机的运动控制和液晶屏的显示控制。最后，再通过单片机I/O口向显示和执行装置发出控制信号，使液晶屏界面更新和（或）电机转动进行出料［10］。51单片机控制程序使用C语言，主要采用“窗口模式”编写，通过按键输入来控制液晶显示屏窗口的跳转及步进电机的工作。主程序流程图见图7。

4 出料试验与分析

为了进一步验证智能调料机的出料功能和效果，试验在固体储料筒中加入300g的食盐，在液体储料筒中加入3 00mL水来代替液体调料。通过测定调料实际输出量，计算调料实际输出量与理论输出量之间的误差来判断调料机的精度。

4.1 精确出调料测试

将调料机接上电源，根据液晶屏提示进入精确出调料模式，选择调料名称，输入出料量，等待出料，测量所出调料量。测定后的结果见表1、2。

由表1可知，液体出料的误差≤±1%。

由表2可知，固体出料的精度较差且整体偏大，分析数据可得固体实际出料量随输入质量成一次函数线性增长。由此可以判定该机型设计原理是正确的。经过反复地检查，发现出料偏大的原因是：由于食盐颗粒较小而左轮盘与出料盘之间的安装精度不够高，在左轮盘转动出料时，食盐容易从两者之间的缝隙中被排出。

图7 主程序流程图Figure 7 Flow chart of main program

表1 液体（水）精确出调料测定表Table 1 Deviation of discharging liquid seasonings（e.g.，water.）

表2 固体（盐）精确出调料测定表Table 1 Deviation of discharging solid seasonings（e.g.，salt.）

为了排除上述影响，提出以下两种解决方案：

（1）提高左轮盘与出料盘之间的安装精度避免食盐进入两者缝隙中。

（2）适量减小左轮盘上小孔的直径来消除泄露造成的影响。

几次试验结果表明：采用方案（1）改进后的固体出料误差为±3%，采用方案（2）改进后的固体出料误差为±2%。

4.2 依据内置的菜谱按比例出料测试

将调料机接上电源按液晶屏提示进入菜谱出调料模式，选择菜品，输入主材重量，等待出料，测量所出调料的质量（体积）。

测试所选菜谱：鱼香肉丝，主材：猪里脊肉300g，调料：食盐3g，酱油15mL，……，测定后的结果见表3。

表3 按菜谱成比例出料质量（体积）测定表Table 3 Quantity of different seasonings by a certain percentage according to recipes

5 结论

针对中餐烹饪时调料用量难以控制的问题，提出了一种能够实现固体调料、液体调料精确出料及依据内置菜谱按比例自动配出调料的智能调料机设计，该调料机由左轮出料系统和液体液压出料系统、控制系统、显示系统等组成。通过出料试验表明，该智能调料机固体出料精度主要受到安装精度的影响，适量减小左轮盘上小孔的直径能够提高出料精度。不过，该调料机只能对固体和液体调料进行出料，对其它形态的调料品的精确出料还有待于进一步研究和设计。

1 钟树.海外中餐发展很快［J］.决策与信息，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 张少文，吴学梅.新型烹饪机器人锅具运动机构的设计及运动学仿真［J］.食品与机械，2013，29（4）：92～94.

4 成大先.机械设计手册联接与紧固［M］.北京：化学工业出版社，2004.

5 方玉莹.粉状物料供料与计量装置设计［J］.食品与机械，1997（2）：23～24.

6 成大先.机械设计手册弹簧、起重运输件、五金件［M］.北京：化学工业出版社，2004.

7 袁子荣.液气压传动与控制［M］.第2版.重庆：重庆大学出版社，2010.

8 王宏，唐炜，熊瑞平.单片微型计算机原理与应用［M］.武汉：华中科技大学出版社，2009.

9 唐继贤.51单片机工程应用实例［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

10 李磊.基于单片机的步进电机升降速控制研究［J］.微电机，2011，44（11）：84～86.