基于stm32的智能炒花生系统设计

基于stm32的智能炒花生系统设计摘要花生是我国重要的油料与休闲食品原料，炒制是花生深加工的关键环节，其工艺控制直接影响成品品质。本设计为基于STM32的智能炒花生系统设计，先对坚果炒制设备的行业背景和智能化发展趋势进行了研究与了解，随后在内容上主要分为硬件和软件两大部分进行详细阐述，最后完成了系统调试与设计总结。硬件部分以STM32F103C8T6单片机为核心控制器，划分为电源模块、按键模块、显示模块、检测模块、执行模块和语音播报模块六大单元，完成了各模块的电路设计与器件选型；软件部分基于Keil5开发环境，对系统主程序、按键逻辑、炒制业务逻辑、OLED显示逻辑进行了流程化设计与程序编写，通过PID算法实现了炒制温度的闭环精准控制。本设计可实现花生炒制的全流程自动化，完成进料重量匹配、多阶段工艺自动运行、翻炒转速自适应调节等功能，解决了传统花生炒制人工依赖度高、品控不稳定、炒制效率低的问题，是一款适配小型食品加工与家庭使用的智能化炒制设备。关键词智能炒制；STM32；单片机；PID控制；传感器技术AbstractPeanutsareanimportantoilandsnackfoodrawmaterialinChina.Roastingisakeystepinthedeepprocessingofpeanuts,anditsprocesscontroldirectlyaffectsthequalityofthefinishedproduct.ThisdesignisforanintelligentpeanutroastingsystembasedonSTM32.Firstly,theindustrybackgroundandintelligentdevelopmenttrendofnutroastingequipmentwerestudiedandunderstood.Subsequently,thecontentismainlydividedintotwoparts:hardwareandsoftware,whichareelaboratedindetail.Finally,systemdebugginganddesignsummaryarecompleted.ThehardwarepartusestheSTM32F103C8T6microcontrollerasthecorecontroller,dividedintosixmajorunits:powermodule,buttonmodule,displaymodule,detectionmodule,executionmodule,andvoicebroadcastmodule.Thecircuitdesignandcomponentselectionforeachmodulearecompleted.ThesoftwarepartisbasedontheKeil5developmentenvironment,withprocess-orienteddesignandprogramwritingforthesystemmainprogram,buttonlogic,roastingbusinesslogic,andOLEDdisplaylogic.Theclosed-loopprecisecontrolofroastingtemperatureisachievedthroughthePIDalgorithm.Thisdesigncanrealizethefull-processautomationofpeanutroasting,completefunctionssuchasfeedweightmatching,multi-stageprocessautomaticoperation,andadaptiveadjustmentofstirringspeed,solvingtheproblemsofhighmanualdependency,unstablequalitycontrol,andlowroastingefficiencyintraditionalpeanutroasting.Itisanintelligentroastingequipmentsuitableforsmallfoodprocessingandhouseholduse.Keywordsintelligentcooking;STM32;microcontroller;PIDcontrol;SensorTechnology目录18211摘要 I24623Abstract II76951绪论 1128251.1智能炒花生系统的研究背景及意义 148481.2食品炒制智能控制系统国内外研究现状 1183621.2.1国外食品炒制智能控制系统的研究现状 1227521.2.2国内食品炒制智能控制系统的研究现状 2139681.3本章小结 3192062总体设计 487702.1主要研究内容 4182092.2整体模块设计 4244472.3核心芯片选择 5116212.4本章小结 6150713硬件设计 7144303.1单片机模块 7275963.2称重检测模块 9134843.3温度检测模块 10152973.4显示模块 1281473.5按键模块 13277393.6执行模块 14119033.6.1加热驱动模块 14315013.6.2电机驱动模块 15322303.6.3阀门与出料控制模块 1660173.7语音播报模块 1743953.8PCB设计 1825363.8本章小结 197564系统软件设计 20288604.1软件介绍 20216454.2软件程序的设计 20148004.2.1主程序流程图 20203044.2.2按键函数流程设计 2263054.2.3用户业务逻辑处理流程设计 23210404.2.4显示函数流程设计 2431234.3本章小结 25298335系统调试 26228055.1软件调试 26288535.2硬件调试 26164425.3实物展示 2671485.3.1显示功能 27168325.3.2按键功能 2778005.3.3温度检测功能 28294145.3.4重量检测功能 29302825.4本章小结 2926815结论 3024432参考文献 311375谢辞 3322780附录A 349113附录B 351绪论1.1智能炒花生系统的研究背景及意义在很早以前，民间花生炒制多采用柴火铁锅人工翻炒的方式，仅能通过肉眼观察与经验判断炒制状态，不仅炒制效率极低，还极易受火候影响出现成品品质参差不齐的情况。随着食品加工行业的发展，电加热炒锅、燃气炒锅逐步替代了传统柴火炒制，实现了加热方式的升级，但依旧没有摆脱对人工操作的高度依赖，无法实现炒制过程的自动化与精准化控制，在小型食品加工厂与个体商户中，这类半自动设备依旧是主流的炒制工具。经历了技术的不断革新，单片微控制器技术逐步成熟，成为了工业控制与智能设备开发的核心载体，搭载单片机的设备能够实现数据采集、逻辑判断、自动控制等多种功能，也是设备实现智能化的核心基础。经过数十年的研发与优化，单片机技术已经能够成熟应用于各类食品加工设备中，通过结合传感器技术、自动控制技术、电机驱动技术，能够实现食品加工过程的全流程自动化控制，在提升设备运行稳定性的同时，大幅降低设备的功耗与人工成本，在食品加工行业得到了广泛的应用与用户的一致好评。1.2食品炒制智能控制系统国内外研究现状早在上个世纪中后期，国外学者就已经开始针对食品热加工过程的智能化控制系统展开研究，只是受限于当时的技术水平，相关研究成果并未得到行业的广泛关注与规模化应用。时至今日，随着科学技术的快速发展，智能化控制作为食品加工自动化的核心内容，已经被全球食品工程领域的科研人员所重视，成为了食品装备行业的研发焦点。1.2.1国外食品炒制智能控制系统的研究现状单片机技术与自动控制理论最早在西方发达国家得到了深入研究与规模化应用，也最早被应用于食品热加工的自动控制领域，取得了十分显著的研究成果，其中以美国、德国、日本等国家的技术发展最为突出。为了在食品装备技术革新中占据领先地位，美国普渡大学专门设立了食品智能加工研究所，针对性地开展坚果炒制智能控制系统的研发工作，研究团队认为，智能化炒制设备将会成为小型食品加工装备的核心发展方向，能够通过精准的过程控制实现坚果炒制品质的标准化，给食品加工行业带来全新的技术变革。目前，国外相关企业已经率先将物联网技术、机器视觉技术、自适应PID控制技术应用到了坚果炒制设备之中，实现了炒制过程中物料状态的实时监测、工艺参数的动态自适应调整，能够将设备的智能化、自动化与标准化能力完整地展现出来。日本在小型食品加工设备的研发上有着深厚的技术积累，针对坚果炒制场景，日本企业在上世纪90年代就推出了搭载单片机的全自动炒制设备，通过内置的温度传感器实现了加热功率的自动调节，大幅降低了设备的人工操作需求。随着技术的不断发展，日本的炒制设备逐步融入了重量检测、湿度监测等多种传感技术，能够根据物料的状态实时调整炒制工艺，设备的智能化与小型化水平始终处于行业前列。1.2.2国内食品炒制智能控制系统的研究现状我国的食品炒制设备发展起步较晚，上世纪80年代，国内才逐步出现了机械化的坚果炒制设备，替代了传统的人工柴火炒制，填补了国内炒制设备行业的空白。这一阶段的炒制设备仅能实现机械化翻炒与电加热，没有任何自动化控制能力，依旧需要人工全程值守操作，设备的功能与性能都存在明显的局限性。21世纪初期，随着国外先进食品加工设备的引入，国内的食品装备企业开始对炒制设备的结构、加热方式与控制方式进行技术革新，一改往日设备体积庞大、操作繁琐的形象，小型化、低功耗的电加热炒锅逐步走进了小型加工厂与个体商户中。自此，国内的设备厂家开始针对炒制设备的自动化控制展开研究与生产，相关技术一直沿用至今。随着食品行业对产品品质与食品安全的要求不断提升，能够实现温度精准控制、自动化运行的炒制设备成为了市场的主流需求，针对这一行业趋势，国内各大设备厂家与科研院校开始加大对炒制智能控制系统的研发投入，于2010年后逐步推出了搭载单片机的智能炒制设备，实现了定温定时、自动翻炒等基础自动化功能，与传统设备相比，不仅是控制方式的革新，更是设备性能与使用体验的全面升级。在食品加工设备技术不断发展的同时，为了实现食品加工行业的节能降耗与标准化生产，我国相继发布了《食品机械安全卫生》《坚果与籽类食品生产良好生产规范》等多项国家标准与行业政策，推动了食品炒制设备向着规范化、智能化、节能化的方向发展。在这一过程中，国内炒制设备开启了变频化、智能化的技术升级，各大生产厂家开始将变频调速技术、传感器技术、单片机控制技术融入到炒制设备的研发中，新一代的智能炒制设备相比传统设备，能够降低30%以上的能耗，同时具备控温精度高、运行噪音低、调温速度快等优势，受到了广大用户的认可与喜爱。1.3本章小结本章阐述了智能炒花生系统的研究价值，梳理了国内外食品炒制智能控制技术的发展历程。国外起步早，在PID控制、物联网等技术应用上领先；国内从机械化逐步走向智能化，政策推动下不断升级。本章明确了系统研发的行业背景与技术基础，为后续设计提供理论支撑。2总体设计2.1主要研究内容本设计为基于STM32的智能炒花生系统，核心工作内容是通过独立按键完成炒制核心参数的设置，通过称重模块检测进料重量并自动匹配炒制工艺参数，通过温度传感器实时采集炒锅内的温度数据，由STM32单片机通过PID算法控制电热管的加热功率，实现炒制温度的闭环精准控制；系统按照预热阶段、炒制阶段、收尾阶段的全流程工艺，自动完成花生炒制的全部工序，同时通过步进电机驱动翻炒叶片，根据炒制阶段与实时温度自动调节翻炒转速，手动模式下也可通过按键自由调节转速。2.2整体模块设计本系统以STM32F103C8T6单片机为核心控制器，整体分为中控部分、输入部分和输出部分三大模块，整体系统框图如图2.1所示。输入部分由四个单元构成，第一部分是称重模块，用于检测花生原料的进料重量，实现加料阈值的自动判断与工艺参数匹配；第二部分是NTC数字温度传感器，用于采集炒制过程中炒锅内部的实时温度，为PID控温提供实时数据支撑；第三部分是独立按键，用于设置进料重量、炒制温度、保温时间、翻炒转速等核心参数，同时完成系统的启动、停止、模式切换等操作；第四部分是供电电路，包括Type-C接口电源电路与5V外接备用电源，为整个系统提供稳定的工作电源，保障系统的持续稳定运行。输出部分由六个单元构成，第一部分是OLED显示屏，用于实时展示用户设置的重量、温度、时间、转速等参数，以及系统当前的炒制步骤与各项运行状态数据；第二部分是两路继电器控制输出，分别用于控制进料阀门的开启与关闭，实现花生原料的自动进料控制；第三部分是两路MOS管控制输出，其中一路用于驱动电热管，通过PID算法调节加热输出功率，实现炒制温度的精准控制，另一路用于驱动翻炒调速电机，实现翻炒转速的无级调节；第四部分是SG90舵机，用于控制出料阀门的开启与关闭，配合炒锅倾斜机构完成炒制完成后的花生出料操作；第五部分是SU-03T智能语音识别模块，用于在进料、预热、炒制、出料等关键工序节点进行语音播报提示，实现设备运行状态的语音反馈；第六部分是LED指示灯，用于系统运行状态、操作反馈与故障提示。系统的工艺流程图如图2.1所示。图2.1系统工艺流程图2.3核心芯片选择方案一：AVR芯片是目前市场上的主流单片机芯片之一，该芯片具备低功耗、运行频率高、外设资源丰富、功能强大的特点，在很长一段时间内都保持着极高的市场应用热度。但AVR芯片需要使用ATMEL公司专属的编程器与开发软件，相关软件需要付费购买，开发成本较高，并不适配本设计的学生毕业设计开发需求。方案二：PIC芯片具备低电压工作的核心特点，其最低工作电压可低至1.8V，极限情况下1V即可正常运行，该芯片的抗干扰能力相比AVR芯片有着显著优势，且指令体系简单易学，使用便捷。但该芯片的外围电路设计较为复杂，芯片采购价格相对较高，并不适合学生毕业设计使用。方案三：51系列单片机是高校单片机教学的基础核心内容，我们在专业课程中进行了系统的学习与应用。该芯片具备高可靠性、强抗干扰能力、运行稳定、实用性强、操作简单的特点，理论上能够适配本设计的基础需求。但该芯片的内存容量较低，运算速度有限，经过测试，在多传感器数据采集、PID算法运行、多外设同时控制的场景下，芯片容易出现运行卡顿、数据处理延迟的问题，无法满足本设计的复杂系统运行需求。方案四：STM32芯片基于ARMCortex-M内核，在长时间连续工作的场景下极少出现运行错误，具备极高的运行可靠性。该芯片采用高度集成化设计，封装体积小，适合批量生产，芯片采购价格低廉，具备极高的性价比。同时，该芯片的I/O口资源极其丰富，工作主频可达到72MHz，能够满足多任务同时运行的处理需求，内存容量完全能够适配本设计的程序运行与数据存储需求，是复杂嵌入式系统设计的最优选择。方案选择：AVR芯片性能优异，但开发软件需要单独付费，开发成本较高；PIC芯片适配低压工作场景，而本设计并无低压应用需求，且外围电路设计复杂；MCS-51单片机虽然应用广泛、操作简单，但内存容量与运算能力有限，无法满足本设计多任务同时运行的需求。综合对比四种方案，STM32芯片内存容量大、运行稳定性高、外设资源丰富，能够支持多任务同时处理，完全适配本设计的复杂系统开发需求，因此本设计最终选择STM32F103C8T6单片机作为系统的核心主控芯片。2.4本章小结本章明确系统以STM32为核心，实现自动进料、精准控温等功能，划分软硬件模块并梳理工作流程。对比AVR、PIC、51等芯片后，选定STM32F103C8T6，其性能、资源与成本均适配系统需求，确定了整体设计方案与核心硬件选型。3硬件设计3.1单片机模块STM32F103C8T6单片机是一款基于ARMCortex-M3内核的32位单片机，其性能与资源介于51系列单片机与高端嵌入式单片机之间，目前被广泛应用于各类工业控制、智能设备与嵌入式系统设计研发中。本设计选用的单片机及周边元器件的选型参数如表3.1所示。表3.1单片机参数表元器件名称型号关键参数选型理由主控单片机STM32F103C8T6ARMCortexM3内核，主频72MHz，64KBFlash，20KBRAM，工作电压2.0~3.6V，工作温度40~+85℃性能强劲、性价比高，可同时处理多传感器数据与PID算法，满足系统控制需求主晶振8MHz无源晶振频率精度±20ppm，2引脚贴片封装为系统提供高速主时钟，保证程序正常运行低速晶振32.768kHz无源晶振频率精度±20ppm用于单片机内部实时时钟，提供精准时间基准复位电容100nF电解电容耐压16V配合复位电阻，实现上电自动复位与按键手动复位复位电阻10kΩ贴片电阻精度1%稳定复位引脚电平，保证复位可靠STM32F103C8T6单片机凭借着超高的性价比、强大的运算处理能力、丰富的外设资源与极简的外围电路设计，大幅降低了嵌入式系统开发的难度，在各类开发场景中得到了广泛应用。STM32单片机的实物如图3.1所示。图3.1STM32单片机实物图STM32F103C8T6单片机拥有48个外围引脚，虽然在STM32全系列单片机中属于引脚数量较少的型号，但完全能够满足本设计的外设连接需求。该单片机属于32位单片机，单次数据处理宽度可达32位，数据处理能力远超传统的8位51单片机，能够快速完成传感器数据采集、PID算法运算、外设逻辑控制等多项任务的并行处理。由于本设计为食品炒制智能控制系统，单片机工作环境会受到高温、震动等因素的影响，而STM32F103C8T6单片机能够在-40℃~+85℃的宽温环境下稳定正常工作，完全能够适配本设计的工作环境需求。STM32F103C8T6单片机的接线情况如图3.2所示。图3.2STM32F103C8T6单片机接线情况STM32F103C8T6单片机的时钟电路与经典单片机时钟电路结构一致，由电容与石英晶振构成，本设计中使用的是无源晶振，需要配合起振电容才能够正常起振工作。本次时钟电路设计采用8MHz的无源晶振，配合30pF的电容完成起振。STM32F103C8T6芯片内部集成了实时低速时钟，采用32.768kHz的低频晶体振荡器，同样需要配合电容完成起振，工作原理与主时钟电路一致，本设计中选用30pF的电容配合该低频晶振工作，为单片机内部实时时钟提供稳定的时钟基准。晶振电路的接线情况如图3.3所示。图3.3晶振电路接线情况在STM32F103C8T6单片机中，当RESET引脚为低电平时，系统正常工作，复位电路主要分为上电复位与按键复位两种工作模式。所谓按键复位，就是为系统运行提供手动复位的保障，当系统运行过程中出现程序错误、卡顿死机等情况时，只需按下复位按键，即可完成系统的重启恢复。本设计的硬件复位电路中，选用10kΩ的电阻与100nF的电解电容，能够完全满足系统上电复位与按键复位的功能需求。复位电路的接线情况如图3.4所示。图3.4复位电路接线情况3.2称重检测模块本设计选用HX711称重传感器模块完成花生原料的重量检测，该模块是一款专为高精度称重场景设计的24位A/D转换器芯片，内部集成了稳压电源、片内时钟振荡器等外设电路，具备集成度高、响应速度快、抗干扰能力强的特点，被广泛应用于小型电子秤、工业称重等场景中。HX711称重模块的实物如图3.5所示。图3.5HX711称重模块在设备安装时，将称重模块安装在进料口的储料仓底部，实时采集进料的重量数据，通过内置A/D转换电路将采集到的重量模拟量转换为数字量，传输至单片机进行数据处理与逻辑判断，从而实现进料阀门的自动控制与炒制工艺参数的自动匹配。该模块与单片机的引脚接口参数如表3.2所示。表3.2称重模块引脚接口参数表模块信号STM32引脚引脚功能说明电气属性HX711_DTPA0称重数据输出引脚输入HX711_SCKPA1称重时钟控制引脚输出电源VCC5V模块供电电源电源GNDGND系统地地工作过程中，该模块对进料重量进行实时采集，将采集到的数据传输至单片机进行处理，单片机将实时重量与用户设定的进料重量阈值进行对比，当达到设定值时，自动控制继电器关闭进料阀门，完成自动进料控制。单片机会根据检测到的进料重量，自动匹配对应的炒制温度、炒制时间与翻炒转速参数，避免因投料不均导致花生炒制夹生或者炒糊的问题，实现炒制工艺的自适应匹配。称重电路的接线情况如图3.6所示。图3.6称重电路接线情况3.3温度检测模块本设计选用NTC热敏电阻作为温度检测核心器件，配合高精度A/D转换电路完成炒锅内实时温度的采集，为PID温度闭环控制提供精准的实时数据。温度检测模块的实物如图3.7所示。图3.7DS18B20实物图NTC热敏电阻具备测温范围宽、响应速度快、测量精度高、体积小巧的特点，其测温范围为-40℃~+125℃，完全能够覆盖花生炒制的温度区间，适配本系统的设计需求。该模块与单片机的引脚接口参数如表3.3所示。表3.3温度模块引脚接口参数表模块信号STM32引脚引脚功能说明电气属性NTC_ADCPA2温度模拟量采集模拟输入ADC电源VCC3.3V分压电路供电电源电源GNDGND系统地地在实际工作过程中，NTC热敏电阻的阻值会随着环境温度的变化而发生相应的改变，通过分压电路将阻值的变化转换为电压信号的变化，再通过单片机内置的12位A/D转换器将电压模拟量转换为数字量，经过换算后得到对应的实时温度数值，单片机将该温度数值与用户设定的温度阈值进行对比，通过PID算法计算出对应的PWM输出值，从而调节电热管的加热功率，实现炒制温度的精准控制。温度检测电路的接线情况如图3.8所示。图3.8温度检测电路接线情况3.4显示模块本设计选用OLED显示屏，支持IIC串行通信与SPI并行通信两种通信方式，并行通信的数据传输速度相比串行通信更快，但需要占用更多的单片机I/O口资源。本设计选用的0.96寸OLED显示模块如图3.9所示。图3.90.96OLED显示模块由于本设计选用的STM32F103C8T6单片机具备充足的运算处理能力，IIC串行通信的传输速度完全能够满足本设计的显示数据传输需求，因此为了简化硬件电路设计、节约单片机I/O口资源，本设计最终选择连线更为简单的IIC串行通信方式。该模块与单片机的引脚接口参数如表3.4所示。表3.4OLED显示模块引脚接口参数表模块信号STM32引脚引脚功能说明电气属性OLED_SCLPB14IIC时钟线输出OLED_SDAPB15IIC数据线输入/输出电源VCC3.3V显示屏供电电源电源GNDGND系统地地本OLED显示屏内置国标汉字库，能够提供数千个16*16点阵的中文汉字，完全能够满足本设计的参数名称、运行状态的中文显示需求。在驱动电压上，3V~5.5V的宽电压范围都能够为其正常供电，直接使用系统的3.3V供电电源即可正常工作，无需额外设计供电电路，硬件设计与程序驱动都十分便捷。在本设计中，OLED显示屏的控制接口与单片机的PB14、PB15引脚相连，分别对应IIC通信的SCL与SDA引脚，完成显示数据的串行传输，实现系统参数与运行状态的实时显示。显示模块电路的接线情况如图3.10所示。图3.10显示模块电路接线情况3.5按键模块按键模块在实际硬件接线中，将每个按键的一个引脚接入系统地线GND，另一个引脚接入单片机对应的I/O口，通过按键的按下与抬起，实现单片机对应I/O口的电平状态切换，形成按键信号的传递。各按键与单片机的引脚接口参数如表3.5所示。表3.5按键模块引脚接口参数表按键名称STM32引脚引脚功能说明电气属性KEY1加PB3参数加输入KEY2减PB4参数减输入KEY3切换PB5界面切换输入KEY4确认PB6参数确认输入KEY5启动PB7启动炒制输入KEY6停止PA6停止/急停输入KEY7模式PA7手动/自动切换输入公共端GND按键共地地在本设计中，7个按键配合能够实现参数加、参数减、界面切换、确认参数、开始炒制、停止炒制等功能，分别与单片机的PB3、PB4、PB5、PB6、PB7、PA6、PA7引脚相连接，完成按键信号的采集与识别。按键模块电路的接线情况如图3.11所示。图3.11按键模块电路接线情况3.6执行模块3.6.1加热驱动模块本设计的加热驱动模块采用N沟道MOS管作为核心开关器件，配合续流二极管与限流电阻构成驱动电路，实现对电热管加热功率的调节控制。本设计选用的继电器实物如图3.12所示。图3.12SRD-05VDC-SL-C继电器STM32单片机根据温度传感器采集的实时温度数据，通过PID算法计算出对应的PWM控制信号，输出至MOS管的栅极，通过控制PWM信号的占空比，调节MOS管的导通时间，从而实现电热管加热功率的连续调节。为了防止单片机与强电驱动电路直接连接产生的电信号干扰，同时保障电路的使用安全，本设计在单片机与MOS管驱动电路之间加入了光耦隔离电路，将单片机的控制信号与强电驱动电路进行电气隔离，大幅提升了电路的安全性能与运行稳定性，避免强电回路对单片机核心控制系统造成干扰与损坏。加热驱动模块电路的接线情况如图3.13所示。图3.13加热驱动模块电路接线情况3.6.2电机驱动模块本设计的电机驱动模块分为翻炒直流电机驱动与步进电机驱动两部分，翻炒直流电机同样采用N沟道MOS管作为核心驱动器件，通过单片机输出的PWM信号调节电机的供电电压，从而实现电机转速的无级调节。单片机根据炒制阶段与实时温度，自动调整PWM信号的占空比，从而改变翻炒电机的转速，在预热阶段采用低速翻炒，在炒制阶段采用中高速翻炒，在收尾阶段采用低速匀料，实现翻炒转速的自适应调节。本设计选用的翻炒电机实物如图3.14所示。图3.14130型直流电机电机驱动模块采用130型直流电机驱动板，配合STM32单片机输出的脉冲信号与方向信号，实现电机的转速精准控制。电机通过传动机构与炒锅相连，通过控制直流电机的旋转角度，实现炒锅倾斜角度的精准调节，在出料阶段驱动炒锅倾斜至设定角度，配合出料阀门完成花生出料，在炒制阶段保持炒锅水平，保证花生翻炒的均匀性。通过控制脉冲信号的个数，能够精准控制电机的旋转角度，从而实现炒锅倾斜角度的精准控制，通过控制脉冲信号的频率，能够调节电机的旋转速度，实现炒锅倾斜动作的平稳控制。电机驱动模块电路的接线情况如图3.15所示。图3.15电机驱动模块电路接线情况3.6.3阀门与出料控制模块本设计的进料阀门采用继电器控制的电磁阀门，通过两路继电器分别控制阀门的开启与关闭，继电器的线圈由单片机的I/O口配合NPN三极管进行驱动，当单片机输出高电平时，三极管导通，继电器线圈得电，触点吸合，控制阀门完成对应的开启或关闭动作。当称重模块检测到进料重量达到设定值时，单片机输出控制信号，通过继电器关闭进料阀门，完成自动进料控制。阀门控制电路的接线情况如图3.16所示。图3.16阀门控制电路接线情况出料阀门由SG90舵机进行驱动控制，SG90舵机通过PWM信号进行角度控制，单片机输出不同占空比的PWM信号，即可控制舵机旋转至对应的角度，从而带动出料阀门完成开启与关闭动作。当花生炒制完成进入收尾阶段后，单片机输出对应的PWM信号，控制舵机旋转至设定角度，打开出料阀门，配合炒锅的倾斜动作，完成花生的自动出料，出料完成后，控制舵机复位，关闭出料阀门，为下一次炒制做准备。出料阀门电路的接线情况如图3.17所示。SG90舵机控制周期20ms，高电平0.5～2.5ms对应角度0～180°，计算公式：公式（1）图3.17出料阀门电路接线情况3.7语音播报模块为了提升设备的人机交互体验，在进料、预热、炒制、出料等关键工序节点，实现设备运行状态的语音反馈，本设计选用SU-03T智能语音识别模块作为语音播报模块。SU-03T语音模块的实物如图3.18所示。图3.18SU-03T语音模块实物图通过串口与STM32单片机进行通信，单片机在不同的工序节点，通过串口向模块发送对应的指令。该模块与单片机的引脚接口参数如表3.6所示。表3.6语音模块引脚接口参数表模块信号STM32引脚引脚功能说明电气属性SU03T_TXPA3串口发送（单片机→语音模块）输出SU03T_RXPA4串口接收（语音模块→单片机）输入电源VCC5V模块工作电压电源电源GNDGND系统地地模块接收到指令后，即可播放对应的语音内容，实现进料提示、预热完成提示、炒制完成提示、出料提示、故障报警等语音播报功能。语音模块电路的接线情况如图3.19所示。图3.19语音模块电路接线情况3.8PCB设计本系统PCB采用双层板设计，以STM32F103C8T6为核心进行模块化布局，整体尺寸紧凑、布线合理，适配小型化炒制设备安装需求。板上按功能划分为主控区、电源区、传感器区、驱动区与交互区，实现数字电路与模拟电路物理隔离，降低电磁干扰。电源线路加粗处理并大面积铺地，提升供电稳定性与抗干扰能力；晶振、复位等关键电路紧邻主控芯片，缩短信号路径，保证时序可靠。加热、电机等大电流驱动回路独立布线，配合光耦隔离，避免强电干扰单片机系统。PCB丝印清晰标注接口与元件位号，方便焊接调试与后期维护，整体满足系统稳定运行与高温工作环境要求，为智能炒花生系统提供可靠硬件载体。本系统的PCB设计如图3.19所示。图3.19PCB图3.8本章小结本章完成系统全硬件设计，以STM32为控制核心，搭配称重、温度等检测模块，OLED、语音等交互模块，及加热、电机、阀门等执行模块。各模块电路设计合理、器件选型适配，实现数据采集、人机交互与动作执行的硬件支撑。4系统软件设计4.1软件介绍硬件电路的稳定运行离不开软件程序的编写支撑，软件程序是整个嵌入式系统的灵魂。本设计的软件程序采用C语言进行编写，C语言作为一种通用的计算机编程语言，具备语法简洁、可移植性强、执行效率高的特点，能够直接操作硬件寄存器，实现对单片机外设的精准控制，是目前STM32单片机开发最主流的编程语言。本设计使用的开发软件为Keil5，该软件是专为ARM内核单片机设计的集成开发环境，提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和功能强大的仿真调试器在内的完整开发方案，通过集成开发环境uVision将这些功能整合在一起，具备界面简洁、操作便捷、编译效率高、调试功能强大的特点，是目前STM32单片机开发的首选开发环境，本设计使用的是Keil5.38版本的开发环境进行程序开发与编译。本设计使用的Keil5开发软件界面如图4.1所示。图4.1Keil_5软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图系统的主流程图如图4.2所示，系统上电后，首先进入主函数，依次完成系统时钟配置、GPIO口初始化、定时器初始化、ADC采集初始化、串口初始化、OLED显示屏初始化、HX711称重模块初始化、PID参数初始化、语音模块初始化等系统初始化工作，初始化完成后，读取系统保存的历史炒制参数，在OLED显示屏上显示系统初始界面，随后进入while主循环，在主循环中按照设定的周期，依次执行按键扫描与逻辑处理、传感器数据采集与处理、用户业务逻辑处理、OLED显示更新、语音播报逻辑处理等核心任务。在主循环中，不同的任务按照不同的周期进行调度执行，其中按键扫描任务每10ms执行一次，保证按键操作的响应速度；传感器数据采集任务每20ms执行一次，保证温度与重量数据采集的实时性；OLED显示更新任务每50ms执行一次，避免刷屏过快导致的显示闪烁问题；用户业务逻辑处理任务每100ms执行一次，完成炒制工序的逻辑判断与执行机构的控制；PID算法运算任务每200ms执行一次，根据实时温度数据计算对应的PWM输出值，实现温度的闭环控制。通过分时调度的方式，保证各个任务都能够有序执行，避免任务之间的相互干扰，保证系统运行的稳定性。图4.2程序总体流程图4.2.2按键函数流程设计按键功能图如图4.3所示，按键函数通过固定周期扫描完成按键动作的识别与判断，内置软件消抖机制规避机械触点抖动造成的信号误判，可区分不同的按键触发类型，根据识别到的键值执行对应的系统逻辑处理，保障系统人机交互的响应速度与运行稳定性。图4.3按键函数子流程图4.2.3用户业务逻辑处理流程设计逻辑处理流程图4.4所示，在用户业务逻辑处理循环中，主要完成炒制步骤联动控制、电机转速PWM调节、加热PID控制三大核心逻辑。首先执行炒制步骤联动控制：步骤1时，语音播报进料提示并开启进料继电器，重量达到设定值后关闭继电器并进入步骤2；步骤2时，语音播报预热提示并按预热转速运行电机，通过PID算法控制加热至预热温度后进入步骤3；步骤3时，语音播报炒制提示并按炒制转速运行电机，PID控制加热至炒制温度后开始计时，计时结束后进入步骤4；步骤4时，清空语音标志、停止加热、调节舵机角度开启出料阀门、关闭电机、开启出料继电器与LED指示灯；接着执行电机转速PWM调节：根据转速档位（0-3档）对应输出0/10/20/100的PWM占空比；最后更新加热管与电机的PWM输出值。图4.4用户业务逻辑处理流程图4.2.4显示函数流程设计系统按50ms周期更新OLED显示内容，通过不同的显示界面标志位显示不同的界面，界面为0时，显示设置的进料重量与炒制时间；界面为1时，显示设置的预热温度与预热转速档位；界面为2时，显示设置的炒制温度与炒制转速档位；界面3时，根据炒制步骤分别显示进料阶段、预热阶段、炒制阶段、收尾阶段等运行状态。显示函数的处理流程如图4.5所示。图4.5显示函数子流程图4.3本章小结本章基于Keil5用C语言完成系统软件设计，通过分时调度实现多任务运行，设计主程序、按键、业务逻辑与显示流程。依托PID算法实现温度闭环控制，软件逻辑清晰、任务调度合理，支撑系统全流程自动化运行。5系统调试5.1软件调试本系统软件调试基于Keil5开发环境完成，采用分模块调试与整体联调相结合的方式开展。首先对按键扫描、传感器数据采集、OLED显示、电机驱动等基础子程序进行单独编译，排查语法错误与寄存器配置问题，通过ST-Link仿真器在线调试，验证单模块功能的执行逻辑。随后针对PID温度闭环控制、炒制工序联动、按键软件消抖等核心逻辑进行专项调试，通过串口调试助手实时输出运行数据，修正PID参数整定偏差、工序跳转逻辑错误、参数上下限超限等问题。最终完成主程序与各子程序的整合联调，优化任务调度周期，确保系统上电后初始化正常，主循环内各任务有序执行，无程序跑飞、卡顿死机等问题，软件功能全部符合设计要求。5.2硬件调试硬件调试以万用表、示波器、直流稳压电源为核心工具，采用单元测试与整体联测的方式分步完成。首先进行电源电路测试，接入5V供电后，测试3.3V稳压输出精度，排查电路虚焊、短路、断路问题，确保电源纹波在允许范围内，为各模块提供稳定供电。随后对单片机最小系统、按键显示模块、传感器采集模块、执行驱动模块进行单独测试，验证晶振与复位电路工作状态、按键电平信号识别、传感器模拟量输出的线性度、继电器与MOS管的驱动通断、步进电机与舵机的动作响应。调试过程中重点排查了光耦隔离信号干扰、传感器接线错误、驱动电路参数不匹配等问题，最终所有硬件模块均能独立正常工作，信号传输稳定，为系统联合调试奠定了硬件基础。5.3实物展示完成软硬件单独调试后，搭建完整的智能炒花生系统实物样机，对系统各项核心功能进行实物测试与效果展示，验证系统人机交互、数据采集、自动控制等功能的实际运行效果。5.3.1显示功能系统搭载的0.96寸OLED显示屏功能运行正常，待机状态下可清晰展示进料重量、炒制温度、保温时间、翻炒转速等预设参数，运行过程中可实时同步当前炒制工序、锅内实时温度、进料重量、电机转速档位等运行数据。界面切换流畅无卡顿，无花屏、闪烁、缺画等问题，参数更新延迟≤50ms，系统异常时可快速显示对应故障代码，能够完整、准确地完成系统状态与参数的可视化反馈。系统的显示功能测试效果如图5.1所示。图5.1显示功能5.3.2按键功能系统配置的7个独立按键功能全部正常实现，可完成参数加减、界面切换、模式切换、启动确认、急停等全部人机交互操作。按键短按与长按动作识别准确，软件消抖效果良好，无漏触发、误触发的问题，按键响应延迟≤10ms。通过按键可快速完成炒制参数的设置与修改，手动/自动模式切换流畅，急停按键可实现系统全执行机构的立即停止，完全满足系统的操作设计需求。系统的按键功能测试效果如图5.2所示。图5.2按键功能5.3.3温度检测功能NTC温度传感器温度检测功能运行稳定，可实时采集炒锅内部温度数据，并在OLED屏同步更新显示。经恒温箱多点位对比测试，系统温度检测误差≤±1℃，温度数据响应速度快，无明显漂移与跳变。在花生炒制核心温度125℃的工况下，长时间运行检测精度无衰减，能够为PID温度闭环控制提供精准、稳定的实时数据支撑，完全满足炒制过程的温度监测需求。系统的温度检测功能测试效果如图5.3所示。图5.3温度检测功能5.3.4重量检测功能基于HX711的称重模块重量检测功能正常，经标准砝码校准后，重量检测误差≤5g，可实时采集进料花生的重量数据。系统可准确识别进料重量阈值，达到用户设定重量后，立即触发继电器关闭进料阀门，同时可根据检测到的投料重量自动匹配对应的炒制时间与温度参数。重量数据更新及时无滞后，连续多次投料测试数据一致性良好，能够稳定实现自动进料与投料量自适应匹配的设计功能。系统的重量检测功能测试效果如图5.4所示。图5.4重量检测功能5.4本章小结本章采用分模块与整体联调方式完成软硬件调试，优化参数与逻辑问题。实物测试显示、按键、温度、重量功能均达标，控温与称重精度满足设计要求，系统运行稳定，各项功能符合预期设计目标。结论智能化食品加工设备是休闲食品行业发展的必然趋势，本设计完成了一款基于STM32F103C8T6单片机的智能炒花生系统，实现了花生炒制全流程的自动化与智能化控制。本系统除了基础的加热与翻炒功能外，还实现了进料重量自动匹配、多阶段炒制工艺自动运行、翻炒转速自适应调节、温度精准闭环控制、运行状态语音播报等智能化功能，解决了传统花生炒制设备人工依赖度高、品控不稳定、炒制效率低的问题。通过系统调试验证，本系统运行稳定可靠，控温精度高，操作简单便捷，能够适配小型食品加工厂、个体商户与家庭的使用需求，具备较高的实用价值与市场应用前景。在整个设计周期里，我完整完成了从需求分析、方案选型论证、硬件电路原理图设计与焊接调试，到嵌入式软件程序编写、软硬件联合调试、系统性能优化的全流程开发工作，不仅熟练掌握了STM32单片机的开发流程与外设驱动方法，更在多模块联动调试、PID控制参数整定、系统故障排查的过程中，切实提升了自身的工程实践能力与独立解决技术问题的能力。数月的设计与开发过程让我收获颇丰，同时也让我清醒地认识到自身在嵌入式系统优化、工业级智能控制算法应用等方面仍有不足。在今后的学习与工作中，我会持续夯实专业基础，不断学习行业前沿技术，进一步提升自身的技术研发能力，在嵌入式智能控制与食品装备自动化领域持续探索、稳步前行。参考文献[1]刘文,戴尔晗,王勇.基于51系列单片机的无线智能温控系统设计[J].电子测试,2009(10):5.[2]王千贵,杨永跃.半导体车载冰箱的智能温控系统设计[J].电子设计工程,2012.[3]李丽丽,施伟.太阳能联合锅炉沼气池智能温控系统设计与应用[J].江苏农业科学,2012,40(1):4.[4]安万里,王文理.基才MCU的笔记本散热底座智能温控系统设计[J].电子设计工程,2013.[5]杨进佩,陶贵明,胡昌林.新型Flash单片机智能温控系统设计[J].军械工程学院学报,2001.[6]周伟林,李清峰.基于LabVIEW孵化机智能温控系统设计[J].农机化研究,2009,31(1):111-113.[7]乔和,陈彬.基于ARM的智能温控系统设计[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版,2009(5):792-794.[8]陆海空,王露,包伯成.智能农业物联网激光热传导温控系统设计[J].激光杂志,2018.[9]余世云,郭武侠,文月华.基于物联网云平台智能开关与温控系统设计分析[C]//机电装备技术论文交流及技术人才培育与发展研讨会论文集.2025.[10]陈智维,许奕,范明.智能熔铅炉温控系统的设计[J].医疗设备信息,2007,22(8):3.[11]文春明,覃晓,黄开连,等.智能温控系统的设计[J].微型机与应用,2015(05):89-91.[12]吴晗,段斌,刘发龙,等.液体冷却服智能温控系统的设计[J].2016.[13]时培磊.电热炉智能温控系统的设计[J].2010.[14]侯卫周,顾玉宗.一款单片机系统控制的温控智能水杯设计[J].Research&ExplorationinLaboratory,2017,36(3).[15]王恩义,罗先喜,王甲甲.基于PID算法的智能温控系统设计与实现[J].微型机与应用,2014(12):22-24+28.[16]高金凤,王清辉,谷利飞,等.基于AVR单片机的热处理电阻炉智能温控系统设计[J].热处理技术与装备,2010,31(6):4.谢辞在此，我要特别感谢我的指导老师杨鸿老师，在整个毕业设计过程中，从最初