基于傳感器系統(tǒng)和電機(jī)控制的自動化流程烹制方案

Arrosticini（羊肉串）是意大利阿布魯佐地區(qū)的主要美食。這種典型的田園傳統(tǒng)菜肴，據(jù)說在上世紀(jì)初由饑餓的牧羊人發(fā)明，在他們趕著羊群去新鮮牧場的季節(jié)性遷徙中，有時(shí)在途中會宰殺一只老綿羊，將肉切成小塊串在木棍上，然后用火烤著吃。

烹制美味的羊肉串需要仔細(xì)控制烹飪溫度、烹飪時(shí)間，以及均勻的熱度分配。傳統(tǒng)的方法是在fornacella木炭烤架上烤制。按照純粹主義者的說法，電炊具會損害羊肉串的傳統(tǒng)風(fēng)味（還有廚師的自尊心）。但是，用傳統(tǒng)方式烤制羊肉串是一個(gè)費(fèi)力的嚴(yán)格過程。那么是否可以采用電動裝置來烹制，也能同樣實(shí)現(xiàn)完美的燒烤風(fēng)味呢？

本文提出了一種通過自動化流程烹制完美羊肉串的方法，它采用傳感器系統(tǒng)和電機(jī)控制。簡單的反饋系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很多解決方案，所采用的組件包括溫度傳感器、溫度顯示屏，再加上電機(jī)控制。

簡介

烤肉時(shí)首先要考慮的是，將內(nèi)部溫度提高到所需的溫度，同時(shí)保持整個(gè)烹飪過程恒定。假設(shè)有一整盤初始溫度為To的肉串，開始烹制時(shí)，肉串表面與烤架表面接觸，溫度為Tg。 在這種簡單條件下，任意時(shí)間t和肉串任意深度z的溫度可以通過以下公式得出：

其中D是肉串的熱擴(kuò)散率（或熱擴(kuò)散系數(shù)），erfc是互補(bǔ)誤差函數(shù)（其近似值可以在特定表格中找到）。

在數(shù)學(xué)中，誤差函數(shù)（也稱為高斯誤差函數(shù)）是一個(gè)特殊函數(shù)，應(yīng)用于概率、統(tǒng)計(jì)和偏導(dǎo)數(shù)微分方程中。它定義為：

該函數(shù)對每個(gè)實(shí)數(shù)x有效?？梢酝ㄟ^開發(fā)泰勒級數(shù)誤差函數(shù)并對整個(gè)實(shí)軸積分來獲得erfc表中的值。

圖1：不同傳感器的溫度隨時(shí)間的變化。溫度從初始值開始，達(dá)到最大值，然后保持在一定的容差范圍內(nèi)。

其目的是通過控制溫度來備好燃料，使溫度隨時(shí)間保持恒定。我們獲得的分布曲線如圖1所示。

熱擴(kuò)散率（測量單位：mm2/s）是材料的特定屬性，表現(xiàn)出非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱性。其數(shù)值描述了材料對溫度變化的反應(yīng)速度。熱擴(kuò)散率是求解非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的傅立葉方程的先決條件。

求解模型方程式，可以確定肉串達(dá)到所需溫度T（z，t）需要的時(shí)間：

這個(gè)方程式唯一棘手的部分是找到erfc值。當(dāng)然，我們會處理<1的值。表1列出了一些可能的溫差值。

表1：erfc值

通常羊肉串中的肉都切成約1厘米（取決于肉的類型）的厚度，并串在約25厘米長的木扦上。肉塊的位置從木扦頂端向下大約占木扦的一半，將肉串放在烤爐上，一半裸露的木扦伸出烤爐邊緣，廚師可以轉(zhuǎn)動它們，這樣肉串的所有四個(gè)側(cè)面可以均勻地烹飪（圖2）。

圖2：羊肉串放置在烤爐上，距離炭火7至15 cm（可調(diào)整）。這些基本設(shè)置可根據(jù)要烹飪的羊肉串?dāng)?shù)量進(jìn)行調(diào)整。

除霜的肉串在烤制之前，廚師會用吸水紙將水分吸干，并等待其溫度達(dá)到大約室溫。每一面的燒烤時(shí)間約為1-2分鐘（該時(shí)間與炭火溫度及炭火與羊肉串的相對距離有關(guān)）。

設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目需要用到溫度傳感器，用以控制羊肉串和炭的溫度。肉串的最佳溫度將決定烹飪的程度，因此有必要在設(shè)計(jì)階段評估溫度的差異。整個(gè)設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)包括：

*一塊Arduino開發(fā)板

*溫度傳感器

*一塊顯示屏，用以顯示炭火和羊肉串的溫度。這兩者溫度必須不同。操作人員必須控制炭火溫度，使其與起始溫度相同。

*一個(gè)風(fēng)扇，用以確保加熱的均勻，即燒烤的均勻。在這種情況下，上述模型將給出一個(gè)乘積系數(shù)，將通風(fēng)考慮在內(nèi)。根據(jù)程序，可以在需要的時(shí)候打開風(fēng)扇，比如當(dāng)炭火和肉串之間的溫度差開始偏離時(shí)。

*一個(gè)I2C顯示屏，用于顯示溫度和肉串烤制的控制文本。

*兩臺步進(jìn)或直流電機(jī)：一個(gè)用來轉(zhuǎn)動羊肉串，另一個(gè)用來將其滑出烤架。這兩個(gè)電機(jī)的速度必須同步。另外，不期望的溫度變化應(yīng)降低電機(jī)速度，從而使烤制過程保持最佳狀態(tài)。

這里所使用的溫度傳感器為PT100傳感器，它常見于工業(yè)設(shè)置環(huán)境中（例如實(shí)驗(yàn)室）的溫度測量。這些傳感器的標(biāo)稱電阻根據(jù)IEC 751標(biāo)準(zhǔn)確定，在0°C的溫度條件下為100Ω。由于采用了熱阻，PT100可以在–200°C至850°C的寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定、持久地工作，并保持出色的精度和互換性（圖3）。

圖3: 帶調(diào)節(jié)電路的Arduino開發(fā)板和PT100傳感器。

調(diào)節(jié)功能由一個(gè)簡單易用的電阻數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX31865完成，這種轉(zhuǎn)換器針對PT100等鉑電阻溫度檢測器（RTD）進(jìn)行了優(yōu)化。另外通過一個(gè)外部電阻設(shè)置所用RTD的靈敏度，并利用一個(gè)精密的delta-sigma ADC將RTD電阻與參考電阻的比率轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。通過可在集成開發(fā)環(huán)境（IDE）中實(shí)現(xiàn)的庫，Arduino可以輕松實(shí)現(xiàn)這些功能。無刷直流（BLDC）電機(jī)具有很高的效率，但最重要的是其出色的扭矩和速度值，使其得到廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)宗旨在于優(yōu)化轉(zhuǎn)矩或旋轉(zhuǎn)力的大小，這與磁體和線圈繞組有關(guān)。磁鐵中的極對數(shù)越多，電機(jī)扭矩就越大。

Portescap的Ultra EC平臺列出了一系列無刷電機(jī)，可滿足不同的扭矩和速度要求。其母公司的專有線圈可將鐵損最小化，從而使效率達(dá)到最大。

Maxon EC-i無刷電機(jī)尺寸較小，適合機(jī)器人應(yīng)用。其電機(jī)直徑為30 mm，具有高動態(tài)和高扭矩的特點(diǎn)。它有兩種長度版本，分別是標(biāo)準(zhǔn)版本和高扭矩版本，在75 W時(shí)最大額定扭矩高達(dá)110 mNm。在所有版本中，新的EC-i 30電機(jī)可以通過編碼器、變速箱 、伺服控制器或定位控制器進(jìn)行擴(kuò)展。

英飛凌的直流電機(jī)控制屏蔽層是最早的大電流電機(jī)控制板之一，可兼容Arduino以及采用BTN8982TA IC的英飛凌 XMC1100 啟動套件。該直流電機(jī)控制屏蔽層可驅(qū)動兩臺單向直流電機(jī)（半橋配置）或一臺雙向直流電機(jī)（H橋配置）。一個(gè)PWM可經(jīng)由IN引腳對BTN8982TA NovalithIC半橋進(jìn)行控制（圖4）。

圖4：英飛凌XMC1100啟動套件。

羊肉串可以連接到電動系統(tǒng)，每1至2分鐘將其旋轉(zhuǎn)90°。一旦完成一個(gè)360°旋轉(zhuǎn)，就必須從炭火中取出羊肉串。烤串的風(fēng)味取決于炭的溫度。炭的溫度變化很大，其內(nèi)部溫度可達(dá)900°C；而距離炭10至20厘米的肉串內(nèi)部溫度可達(dá)到150°C至300°C。將肉串溫度升高到約150°C時(shí)，就會產(chǎn)生所謂的美拉德(Maillard)反應(yīng)，這種化學(xué)反應(yīng)使褐色肉具有獨(dú)特的風(fēng)味和香氣。

每個(gè)羊肉串的轉(zhuǎn)動都需要與烤爐溫度以及羊肉串自身溫度相協(xié)調(diào)，還要與將烤好的肉串轉(zhuǎn)移到盤子上的滑動裝置相協(xié)調(diào)，這需要進(jìn)行一些校準(zhǔn)?；壥强梢匀〕鰜淼模坏┛局仆瓿?，操作員必須小心將其取出。

因此，軟件必須提供溫度讀取/設(shè)置和顯示功能。通過網(wǎng)格溫度控制算法評估溫差，保持在原始溫度的5％以內(nèi)。還要有控制警報(bào)功能，例如LED和/或蜂鳴器模塊。

在烤架上烹制也有現(xiàn)實(shí)問題，即如何保持溫度盡可能恒定。然而，這正是樂趣（和品味）所在！在開始烹制之前，新手廚師將需要研究烹制時(shí)間會如何影響口味。廚師在正確的時(shí)間放置和取出羊肉串的技巧也非常重要。

電動控制系統(tǒng)需要使用fornacella烤架，如圖5所示。我們將在烤架的一端連接電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。

圖5：電動烤架。

系統(tǒng)的“校準(zhǔn)”將決定烹制的時(shí)間，通常每面約1至2分鐘，具體取決于個(gè)人口味以及炭火的溫度。重要的是添加炭火時(shí)保持溫度的恒定。圖6給出了一個(gè)總體布局。

圖6：系統(tǒng)總體布局?？梢酝ㄟ^I2C將顯示屏連接到Arduino。

結(jié)論

本文介紹的開源硬件是實(shí)現(xiàn)其它解決方案的基礎(chǔ)。我們沒有介紹Arduino上的固件，但硬件解決方案已經(jīng)有現(xiàn)成的庫，可以讓你管理操作，并很容易將數(shù)學(xué)模型考慮進(jìn)去。

編輯：hfy