用開源硬體和溫度感測器燒烤出美味羊肉串

作者 : Maurizio di Paolo Emilio, EE Times Europe

用傳統方式燒烤羊肉串是一個極其費力的嚴格烹調過程。那麼是否可以採用電動馬達裝置來烹調,使其同樣實現完美的燒烤風味呢?本文提出了一種採用感測器系統和馬達控制的自動化流程,讓你輕鬆烹調出美味羊肉串…

‘Arrosticini’(羊肉串)是義大利阿布魯佐(Abruzzo)地區的主要美食。據說這種典型的田園傳統菜肴是在上世紀初由饑餓的牧羊人發明,在他們趕著羊群去新鮮牧場的季節性遷徙中,有時會在途中宰殺一隻老綿羊,將肉切成小塊串在木棍上,然後用火烤著吃。

為了烹調出美味的羊肉串需要仔細控制烹調的溫度和時間,以及均勻的熱度分配。傳統的方法是在fornacella木炭烤肉架上燒烤。按照純粹主義者的說法,電炊具會損害羊肉串的傳統風味(還有廚師的自尊心)。但是,用傳統方式燒烤羊肉串是一個極其費力的嚴格烹調過程。那麼是否可以採用電動馬達裝置來烹調,使其同樣實現完美的燒烤風味呢?

本文提出了一種透過自動化流程烹調完美羊肉串的方法,它採用了感測器系統和馬達控制。這種簡單的反饋系統可以實現很多解決方案,所採用的元件包括溫度感測器、溫度顯示螢幕,再加上馬達控制。

簡介

烤肉時首先要考慮的是將內部溫度提高到所需的溫度,同時保持整個烹飪過程恒定。假設有一整盤初始溫度為To的肉串,開始烹調時,肉串表面與烤肉架表面接觸時的溫度為Tg。在這種簡單條件下,任意時間t和肉串任意深度z的溫度可以透過以下公式得出:

其中D是肉串的熱擴散率(或熱擴散係數),erfc是互補誤差函數(其近似值可以在特定表格中找到)。

在數學中,誤差函數(也稱為高斯[Gauss]誤差函數)是一個特殊函數,應用於概率、統計和偏導數微分方程中。它可定義為:

該函數對每個實數x有效。可以透過開發泰勒級數(Taylor series)誤差函數並積分整個實軸以取得erfc表中的值。

1:不同感測器的溫度隨時間的變化。溫度從初始值開始,達到最大值,然後保持在一定的容差範圍內。

其目的是透過控制溫度以備妥燃料,使溫度隨時間保持恒定。我們獲得的分佈曲線如圖1所示。熱擴散率(測量單位:mm2/s)是材料的特定屬性,表現出非穩態導熱性。其數值描述了材料對溫度變化的反應速度。熱擴散率是求解非穩態熱傳導的傅立葉(Fourier)方程式之先決條件。求解模型方程式,可以確定烤肉串達到所需溫度T(z, t)需要的時間: 

這個方程式唯一棘手的部分是找到erfc值。當然,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大約1公分(取決於肉的類型)的厚度,並串在約25公分長的烤肉叉上。肉塊的位置從木叉頂端向下大約佔木叉的一半,將肉串放在烤肉架上,一半裸露的木叉伸出烤肉架邊緣,廚師可以轉動它們,均勻地烹飪肉串的四個面(圖2)。

圖2:羊肉串放置在烤具上,距離炭火約7至15cm (可調整)。這些基本設置可根據要烹飪的羊肉串數量進行調整。

在為肉串除霜之後以及燒烤之前,廚師會用吸水紙將水分吸乾,並等待其溫度達到大約室溫。每一面的燒烤時間約為1-2分鐘(該時間與炭火溫度及炭火與羊肉串的相對距離有關)。

設計

該專案需要用到溫度感測器,以控制羊肉串和炭火的溫度。肉串的最佳溫度將決定烹飪的程度,因此有必要在設計階段評估其間的溫度差異。整個設計的硬體結構包括:

  • 一塊Arduino開發板
  • 溫度感測器
  • 一個顯示螢幕,用於顯示炭火和羊肉串的溫度。這兩者的溫度必然不會相同;操作人員必須控制炭火溫度,使其與起始溫度相同。
  • 一台風扇,用以確保加熱均勻,即均勻地燒烤。在此情況下,上述模型將給出一個將通風考慮在內的乘積係數。根據程式,可以在需要的時候打開風扇,例如當炭火和肉串之間的溫度差開始出現偏離時。
  • 一個I2C顯示螢幕,用於顯示溫度和肉串燒烤的控制文本。
  • 兩台步進或直流(DC)馬達:一個用來轉動羊肉串,另一個用來將其滑出烤肉架。這兩台馬達的速度必須同步。另外,不期望的溫度變化將會降低馬達速度,因而必須使燒烤過程保持最佳狀態。

這裡所使用的溫度感測器為PT100感測器,它常見於工業設置環境中(例如實驗室)的溫度測量。這些感測器的標稱電阻根據IEC 751標準建立,在0℃的溫度條件下為100Ω。由於採用了熱阻,PT100可以在–200℃至850℃的寬溫度範圍內穩定且持久地運作,並保持出色的精度和互換性(圖3)。

圖3: 帶調節電路的Arduino開發板和PT100感測器。

調節功能由一個簡單易用的電阻數位轉換器MAX31865進行,這種轉換器針對PT100等鉑電阻溫度偵測器(RTD)進行了最佳化。另外透過一個外部電阻設置RTD的靈敏度,並利用一個精密的delta-sigma ADC將RTD電阻與參考電阻的比率轉換為數位形式。透過可在整合式開發環境(IDE)中建置的工具庫,Arduino可以輕鬆實現這些功能。無刷直流(BLDC)馬達具有很高的效率,但最重要的是其出色的扭矩和速度值,使其得到廣泛的應用。BLDC馬達的設計宗旨在於最佳化轉矩或旋轉力的大小,這與磁體和線圈繞組有關。磁鐵中的極對數越多,馬達扭矩就越大。

Portescap的Ultra EC平台列出了一系列的無刷馬達,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的損耗最小化,從而使效率達到最大化。

Maxon EC-i無刷馬達的尺寸較小,適合機器人應用。其馬達直徑為30mm,具有高動態和高扭矩的特點。它有兩種長度版本,分別是標準版本和高扭矩版本,在75W時最大額定扭矩高達110mNm。在所有版本中,新的EC-i 30馬達可以透過編碼器、變速箱、伺服控制器或定位控制器進行擴展。

英飛凌科技(Infineon Technologies)的DC馬達控制擴展板是最早的大電流馬達控制板之一,可相容Arduino以及採用BTN8982TA IC的英飛凌XMC1100 啟動套件。該DC馬達控制擴展板可驅動兩台單向DC馬達(半橋配置)或一台雙向DC馬達(H橋配置)。一個脈衝寬度調變(PWM)可經由IN接腳對BTN8982TA NovalithIC半橋進行控制(圖4)。


圖4:英飛凌XMC1100啟動套件。

羊肉串可以連接到電動馬達系統,每隔1至2分鐘將其旋轉90°。一旦完成一次360°旋轉,就必須從炭火中取出羊肉串。烤肉串的風味取決於炭火的溫度——炭火的溫度變化很大,其內部溫度可達900°C;而距離炭火10至20公分的肉串內部溫度可能達到150℃至300℃。將肉串溫度升高到約150℃時,就會產生所謂的梅納反應(Maillard reaction),這種化學反應使褐色的燒肉具有獨特的風味和香氣。

每一個羊肉串的轉動都需要與烤肉架的溫度以及羊肉串本身的溫度相協調,還要與將烤好的肉串轉移到盤子上的滑動裝置相協調,這需要進行一些校準。滑軌是可以取出來的,一旦燒烤完成後,操作人員必須小心將其取出。

因此,軟體必須提供溫度讀取/設置和顯示功能。透過網格溫度控制演算法評估溫差,保持在原始溫度的5%以內。還要有控制警報功能,例如LED和/或蜂鳴器模組。在烤肉架上烹調也有現實問題,即如何保持溫度盡可能地恒定。然而,這正是樂趣(和風味)所在!在開始烹調之前,新手廚師將需要研究烹調時間如何影響口味。廚師在正確的時間放置和取出羊肉串的技巧也非常重要。

電動馬達控制系統需要使用fornacella烤肉架,如圖5所示。我們將在烤肉架的一端連接馬達,使其得以旋轉。

圖5:電動烤肉架。

系統的「校準」將決定烹調的時間,通常每面約1至2分鐘,具體取決於個人口味以及炭火的溫度。重要的是添加炭火時保持溫度的恒定。圖6建議了一個總體的佈局。

圖6:整體系統佈局。透過I2C即可將顯示器連接到Arduino。

結論

本文介紹的開源硬體是輕鬆實現其它解決方案的基礎。在此雖然沒有介紹Arduino上的韌體,但硬體解決方案中已經有現成可用的工具庫,讓你可以管理操作,並且輕鬆地考慮到數學模型。

(本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年5月號;參考原文:Cooking Italian Cuisine With Open-Source Hardware)

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