基于传感器系统和电机控制的自动化流程烹制方案

Arrosticini（羊肉串）是意大利阿布鲁佐地区的主要美食。这种典型的田园传统菜肴，据说在上世纪初由饥饿的牧羊人发明，在他们赶着羊群去新鲜牧场的季节性迁徙中，有时在途中会宰杀一只老绵羊，将肉切成小块串在木棍上，然后用火烤着吃。

烹制美味的羊肉串需要仔细控制烹饪温度、烹饪时间，以及均匀的热度分配。传统的方法是在fornacella木炭烤架上烤制。按照纯粹主义者的说法，电炊具会损害羊肉串的传统风味（还有厨师的自尊心）。但是，用传统方式烤制羊肉串是一个费力的严格过程。那么是否可以采用电动装置来烹制，也能同样实现完美的烧烤风味呢？

本文提出了一种通过自动化流程烹制完美羊肉串的方法，它采用传感器系统和电机控制。简单的反馈系统可以实现很多解决方案，所采用的组件包括温度传感器、温度显示屏，再加上电机控制。

简介

烤肉时首先要考虑的是，将内部温度提高到所需的温度，同时保持整个烹饪过程恒定。假设有一整盘初始温度为To的肉串，开始烹制时，肉串表面与烤架表面接触，温度为Tg。 在这种简单条件下，任意时间t和肉串任意深度z的温度可以通过以下公式得出：

其中D是肉串的热扩散率（或热扩散系数），erfc是互补误差函数（其近似值可以在特定表格中找到）。

在数学中，误差函数（也称为高斯误差函数）是一个特殊函数，应用于概率、统计和偏导数微分方程中。它定义为：

该函数对每个实数x有效。可以通过开发泰勒级数误差函数并对整个实轴积分来获得erfc表中的值。

图1：不同传感器的温度随时间的变化。温度从初始值开始，达到最大值，然后保持在一定的容差范围内。

其目的是通过控制温度来备好燃料，使温度随时间保持恒定。我们获得的分布曲线如图1所示。

热扩散率（测量单位：mm2/s）是材料的特定属性，表现出非稳态导热性。其数值描述了材料对温度变化的反应速度。热扩散率是求解非稳态热传导的傅立叶方程的先决条件。

求解模型方程式，可以确定肉串达到所需温度T（z，t）需要的时间：

这个方程式唯一棘手的部分是找到erfc值。当然，我们会处理<1的值。表1列出了一些可能的温差值。

表1：erfc值

通常羊肉串中的肉都切成约1厘米（取决于肉的类型）的厚度，并串在约25厘米长的木扦上。肉块的位置从木扦顶端向下大约占木扦的一半，将肉串放在烤炉上，一半裸露的木扦伸出烤炉边缘，厨师可以转动它们，这样肉串的所有四个侧面可以均匀地烹饪（图2）。

图2：羊肉串放置在烤炉上，距离炭火7至15 cm（可调整）。这些基本设置可根据要烹饪的羊肉串数量进行调整。

除霜的肉串在烤制之前，厨师会用吸水纸将水分吸干，并等待其温度达到大约室温。每一面的烧烤时间约为1-2分钟（该时间与炭火温度及炭火与羊肉串的相对距离有关）。

设计

该项目需要用到温度传感器，用以控制羊肉串和炭的温度。肉串的最佳温度将决定烹饪的程度，因此有必要在设计阶段评估温度的差异。整个设计的硬件结构包括：

*一块Arduino开发板

*温度传感器

*一块显示屏，用以显示炭火和羊肉串的温度。这两者温度必须不同。操作人员必须控制炭火温度，使其与起始温度相同。

*一个风扇，用以确保加热的均匀，即烧烤的均匀。在这种情况下，上述模型将给出一个乘积系数，将通风考虑在内。根据程序，可以在需要的时候打开风扇，比如当炭火和肉串之间的温度差开始偏离时。

*一个I2C显示屏，用于显示温度和肉串烤制的控制文本。

*两台步进或直流电机：一个用来转动羊肉串，另一个用来将其滑出烤架。这两个电机的速度必须同步。另外，不期望的温度变化应降低电机速度，从而使烤制过程保持最佳状态。

这里所使用的温度传感器为PT100传感器，它常见于工业设置环境中（例如实验室）的温度测量。这些传感器的标称电阻根据IEC 751标准确定，在0°C的温度条件下为100Ω。由于采用了热阻，PT100可以在–200°C至850°C的宽温度范围内稳定、持久地工作，并保持出色的精度和互换性（图3）。

图3: 带调节电路的Arduino开发板和PT100传感器。

调节功能由一个简单易用的电阻数字转换器MAX31865完成，这种转换器针对PT100等铂电阻温度检测器（RTD）进行了优化。另外通过一个外部电阻设置所用RTD的灵敏度，并利用一个精密的delta-sigma ADC将RTD电阻与参考电阻的比率转换为数字形式。通过可在集成开发环境（IDE）中实现的库，Arduino可以轻松实现这些功能。无刷直流（BLDC）电机具有很高的效率，但最重要的是其出色的扭矩和速度值，使其得到广泛的应用。无刷直流电机的设计宗旨在于优化转矩或旋转力的大小，这与磁体和线圈绕组有关。磁铁中的极对数越多，电机扭矩就越大。

Portescap的Ultra EC平台列出了一系列无刷电机，可满足不同的扭矩和速度要求。其母公司的专有线圈可将铁损最小化，从而使效率达到最大。

Maxon EC-i无刷电机尺寸较小，适合机器人应用。其电机直径为30 mm，具有高动态和高扭矩的特点。它有两种长度版本，分别是标准版本和高扭矩版本，在75 W时最大额定扭矩高达110 mNm。在所有版本中，新的EC-i 30电机可以通过编码器、变速箱 、伺服控制器或定位控制器进行扩展。

英飞凌的直流电机控制屏蔽层是最早的大电流电机控制板之一，可兼容Arduino以及采用BTN8982TA IC的英飞凌 XMC1100 启动套件。该直流电机控制屏蔽层可驱动两台单向直流电机（半桥配置）或一台双向直流电机（H桥配置）。一个PWM可经由IN引脚对BTN8982TA NovalithIC半桥进行控制（图4）。

图4：英飞凌XMC1100启动套件。

羊肉串可以连接到电动系统，每1至2分钟将其旋转90°。一旦完成一个360°旋转，就必须从炭火中取出羊肉串。烤串的风味取决于炭的温度。炭的温度变化很大，其内部温度可达900°C；而距离炭10至20厘米的肉串内部温度可达到150°C至300°C。将肉串温度升高到约150°C时，就会产生所谓的美拉德(Maillard)反应，这种化学反应使褐色肉具有独特的风味和香气。

每个羊肉串的转动都需要与烤炉温度以及羊肉串自身温度相协调，还要与将烤好的肉串转移到盘子上的滑动装置相协调，这需要进行一些校准。滑轨是可以取出来的，一旦烤制完成，操作员必须小心将其取出。

因此，软件必须提供温度读取/设置和显示功能。通过网格温度控制算法评估温差，保持在原始温度的5％以内。还要有控制警报功能，例如LED和/或蜂鸣器模块。

在烤架上烹制也有现实问题，即如何保持温度尽可能恒定。然而，这正是乐趣（和品味）所在！在开始烹制之前，新手厨师将需要研究烹制时间会如何影响口味。厨师在正确的时间放置和取出羊肉串的技巧也非常重要。

电动控制系统需要使用fornacella烤架，如图5所示。我们将在烤架的一端连接电机，以实现旋转。

图5：电动烤架。

系统的“校准”将决定烹制的时间，通常每面约1至2分钟，具体取决于个人口味以及炭火的温度。重要的是添加炭火时保持温度的恒定。图6给出了一个总体布局。

图6：系统总体布局。可以通过I2C将显示屏连接到Arduino。

结论

本文介绍的开源硬件是实现其它解决方案的基础。我们没有介绍Arduino上的固件，但硬件解决方案已经有现成的库，可以让你管理操作，并很容易将数学模型考虑进去。

编辑：hfy