以下示意圖項(xiàng)目提出了一種使用傳感器系統(tǒng)和電機(jī)控制自動(dòng)化烹飪過(guò)程的方法，以產(chǎn)生完美的arrosticini。

Arrosticini——羊肉或羊肉串——是意大利阿布魯佐地區(qū)美食的主食。一種典型的田園傳統(tǒng)菜肴，據(jù)說(shuō)是在上個(gè)世紀(jì)初由饑餓的牧羊人在他們的羊群季節(jié)性遷移到新鮮牧場(chǎng)期間被困在田野中發(fā)明的。牧羊人會(huì)宰殺一只老羊，把肉切成小塊，把小塊滑到棍子上，然后在火焰上烤肉串。

將arrosticino烹飪至完美需要仔細(xì)控制烹飪溫度和烹飪時(shí)間以及均勻的熱量分布。傳統(tǒng)的方法是在 fornacella 炭烤架上烤串。根據(jù)純粹主義者的說(shuō)法，電炊具損害了arrosticino的傳統(tǒng)風(fēng)味（以及廚師的自尊心）。然而，以傳統(tǒng)方式烤制arrosticini 是一個(gè)勞動(dòng)密集型、嚴(yán)格的過(guò)程。是否可以使用電動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)完美燒烤？

下面的示意圖項(xiàng)目提出了一種通過(guò)傳感器系統(tǒng)和電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化的方法，以產(chǎn)生完美的arrosticini。反饋系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性允許實(shí)施任何解決方案。使用的組件包括溫度傳感器、用于查看溫度的顯示器和電機(jī)控制解決方案。

簡(jiǎn)介
烤肉時(shí)首先要考慮的是使內(nèi)部溫度達(dá)到所需溫度，同時(shí)保持恒定的烹飪過(guò)程。假設(shè)你有一個(gè)盤(pán)子，上面堆滿了初始溫度為T(mén) o的肉。在烹飪開(kāi)始時(shí)，肉的表面與溫度為T(mén) g的烤架表面接觸。對(duì)于這個(gè)簡(jiǎn)單的條件，肉在任何時(shí)間t和任何深度z的溫度都可以通過(guò)以下公式建模：

其中D是肉的熱擴(kuò)散率（或熱擴(kuò)散系數(shù)），erfc是互補(bǔ)誤差函數(shù)（其近似值可在特殊表格中找到）。

在數(shù)學(xué)中，誤差函數(shù)（也稱(chēng)為高斯誤差函數(shù)）是概率、統(tǒng)計(jì)和偏導(dǎo)微分方程中遇到的特定函數(shù)。它被定義為：

并且對(duì)每個(gè)實(shí)數(shù)x有效。erfc表中的值可以通過(guò)開(kāi)發(fā)泰勒級(jí)數(shù)誤差函數(shù)并對(duì)整個(gè)實(shí)軸進(jìn)行積分來(lái)獲得。

圖 1：不同傳感器的溫度隨時(shí)間變化。溫度從初始值開(kāi)始，然后達(dá)到最大值并保持在一定的公差范圍內(nèi)。1

目的是通過(guò)控制溫度來(lái)制備煤，使其在時(shí)間上保持恒定。我們應(yīng)該得到的分布是圖 1所示的類(lèi)型。

熱擴(kuò)散率（測(cè)量單位：mm 2 /s）是表征非平穩(wěn)熱傳導(dǎo)的材料的特定屬性。這個(gè)量描述了材料對(duì)溫度變化的反應(yīng)速度。熱擴(kuò)散率是求解非平穩(wěn)傳熱傅里葉方程的先決條件。

可以求解模型方程以確定肉達(dá)到所需溫度T(z,t)所需的時(shí)間：

這個(gè)等式唯一棘手的部分是找到erfc的值。當(dāng)然，我們將處理 <1 的值。表 1顯示了溫差的一些可能值。

表 1：erfc 的值

典型的 Arrosticino 由切成約 1 厘米厚（取決于類(lèi)型）的肉組成，并插入長(zhǎng)約 25 厘米的串肉串上。肉沿著烤肉串長(zhǎng)度的大約一半向下延伸，烤肉串放在爐子上，裸木伸出邊緣，讓廚師轉(zhuǎn)動(dòng)它們，使肉在四個(gè)側(cè)面均勻烹飪（圖 2）。

圖 2：每個(gè) Arrosticino 都放置在距煤 7 到 15 厘米（可調(diào)節(jié)）的地方?；驹O(shè)置將根據(jù)要烹制的arrosticini 的數(shù)量而有所不同。

解凍后烤肉前，廚師會(huì)用吸水紙將其擦干，等待其溫度達(dá)到約室溫。每面的平均燒烤時(shí)間約為 1 到 2 分鐘（與煤的溫度和與 Arrosticini 的相對(duì)距離有關(guān)）。

設(shè)計(jì)
該項(xiàng)目必須包括溫度傳感器來(lái)控制arrosticini 和煤的溫度。肉的最佳溫度將決定烹飪程度，因此有必要在設(shè)計(jì)階段評(píng)估溫差。硬件結(jié)構(gòu)包括：

一個(gè) Arduino 板2

溫度傳感器

顯示煤和arrosticini溫度的顯示器。兩個(gè)溫度必須不同；操作者必須控制煤，使溫度與起始溫度相同。

一個(gè)風(fēng)扇，以確保均勻加熱，因此，均勻烹飪。在這種情況下，上述模型將呈現(xiàn)一個(gè)考慮到通風(fēng)的相乘系數(shù)。根據(jù)編程，風(fēng)扇可以在必要時(shí)打開(kāi)，即當(dāng)煤和肉之間的溫差開(kāi)始偏離時(shí)。

一個(gè) I 2 C 顯示屏，用于指示肉類(lèi)烹飪的溫度和控制文本

兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)——一臺(tái)用來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)意大利面，另一臺(tái)用來(lái)把它們從烤架上滑下來(lái)。這兩個(gè)電機(jī)的速度必須同步。此外，有缺陷的溫度變化應(yīng)該會(huì)降低電機(jī)的速度，以使烹飪保持最佳狀態(tài)。

使用的溫度傳感器是 PT100 傳感器，通常在工業(yè)環(huán)境中找到應(yīng)用，例如在工作期間測(cè)量溫度的實(shí)驗(yàn)室。這些傳感器的標(biāo)稱(chēng)電阻由 IEC 751 標(biāo)準(zhǔn)確定，在等于 0°C 的溫度條件下為 100 Ω。在 PT100 中使用熱電阻使其能夠在更寬的溫度范圍內(nèi)工作，介于 –200°C 和 850°C 之間，具有出色的精度和互換性，穩(wěn)定耐用（圖 3）。

圖 3：帶有調(diào)節(jié)電路的 Arduino 和 PT100 傳感器

調(diào)節(jié)通過(guò) MAX31865 完成，這是一款易于使用的電阻數(shù)字轉(zhuǎn)換器，針對(duì) PT100 等鉑電阻溫度檢測(cè)器 (RTD) 進(jìn)行了優(yōu)化。外部電阻器設(shè)置所用 RTD 的靈敏度，精密 Δ-Σ ADC 將 RTD 電阻與參考電阻的比率轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。Arduino 通過(guò)可在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE) 中實(shí)現(xiàn)的庫(kù)使這一點(diǎn)易于管理。無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)提供高效率，但最重要的是，具有出色的扭矩和速度值，適合廣泛的應(yīng)用。無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)旨在優(yōu)化與磁鐵和線圈繞組相關(guān)的扭矩或旋轉(zhuǎn)力的大小。磁體中的極對(duì)數(shù)越多，電機(jī)轉(zhuǎn)矩就越大。3

Portescap 的 Ultra EC 平臺(tái)提供一系列無(wú)刷電機(jī)系列，以滿足不同的扭矩和速度要求。母公司的專(zhuān)利線圈最大限度地減少鐵損以最大限度地提高效率。

Maxon 的 EC-i 無(wú)刷電機(jī)具有適合機(jī)器人應(yīng)用的小直徑。電機(jī)直徑為 30 mm，具有高動(dòng)態(tài)和高扭矩的特點(diǎn)。它有兩種長(zhǎng)度可供選擇，每種都有標(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)都可以通過(guò)編碼器、齒輪箱進(jìn)行擴(kuò)展、伺服控制器或定位控制器。

英飛凌科技的直流電機(jī)控制擴(kuò)展板是首批與 Arduino 以及英飛凌基于 BTN8982TA IC 的 XMC1100 引導(dǎo)套件兼容的大電流電機(jī)控制板之一。DC Motor Control Shield 可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)單向直流電機(jī)（半橋配置）或一個(gè)雙向直流電機(jī)（H 橋配置）。PWM 可以通過(guò) IN 引腳控制 BTN8982TA NovalithIC 半橋（圖 4）。

圖 4：英飛凌 XMC1100 啟動(dòng)套件

我們項(xiàng)目中的 Arrosticini 可以連接到電動(dòng)系統(tǒng)，每 1 到 2 分鐘旋轉(zhuǎn) 90°。完成 360° 旋轉(zhuǎn)后，必須從煤中取出 Arrosticino。肉的味道取決于煤的溫度，煤的溫度變化很大（煤內(nèi)部可以達(dá)到 900°C，距離為 10 到 20 厘米，而在 fornacella 中，溫度可以達(dá)到 150°C 到300°C); 將肉加熱到大約 150°C 會(huì)引發(fā)所謂的美拉德反應(yīng)——這種化學(xué)反應(yīng)使棕色肉具有獨(dú)特的風(fēng)味和香氣。

需要進(jìn)行校準(zhǔn)，以使每個(gè) Arrosticino 的運(yùn)動(dòng)與烤架和 Arrosticino 本身的溫度相協(xié)調(diào)，以及將煮熟的肉轉(zhuǎn)移到盤(pán)子上的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。載玻片可以取下，操作員必須在烹飪時(shí)間過(guò)后小心取下它們。

因此，軟件必須提供溫度讀取/設(shè)置和顯示功能；電網(wǎng)溫度控制算法評(píng)估偏差在原始溫度的 5% 以?xún)?nèi)；和控制警報(bào)，例如 LED 和/或蜂鳴器模塊。

在烤架上烹飪?nèi)匀淮嬖诒３譁囟缺M可能恒定的實(shí)際問(wèn)題。但這就是樂(lè)趣（和味道）所在！在開(kāi)始烹飪之前，新手燒烤師需要研究烹飪時(shí)間如何影響味道。廚師在正確的時(shí)間定位和取出arrosticini的技巧也很重要。

電動(dòng)控制系統(tǒng)需要使用前艙格柵，如圖 5所示。我們將在烤架的一端連接我們的電機(jī)以執(zhí)行旋轉(zhuǎn)。

圖 5：電動(dòng)烤架

系統(tǒng)的“校準(zhǔn)”將決定烹飪時(shí)間，通常每面大約 1 到 2 分鐘，具體取決于個(gè)人口味以及火的溫度。重要的是加煤時(shí)保持溫度恒定。圖 6展示了一個(gè)總體布局。

圖 6：一般系統(tǒng)布局?？梢酝ㄟ^(guò) I 2 C將顯示器連接到 Arduino 來(lái)添加顯示器。

結(jié)論
這里介紹的硬件項(xiàng)目是實(shí)現(xiàn)其他解決方案的樂(lè)趣的基礎(chǔ)。我們還沒(méi)有描述在 Arduino 上實(shí)現(xiàn)的固件。但是硬件解決方案已經(jīng)擁有允許您管理操作的庫(kù)，可以輕松地將數(shù)學(xué)模型考慮在內(nèi)。