Arrosticini（羊肉串）是意大利阿布魯佐地區的主要美食。這種典型的田園傳統菜肴，據說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控制烹飪溫度、烹飪時間，以及均勻的熱度分配。傳統的方法是在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風味（還有廚師的自尊心）。但是，用傳統方式烤制羊肉串是一個費力的嚴格過程。那么是否可以采用電動裝置來烹制，也能同樣實現完美的燒烤風味呢？

本文提出了一種通過自動化流程烹制完美羊肉串的方法，它采用傳感器系統和電機控制。簡單的反饋系統可以實現很多解決方案，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，開始烹制時，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是肉串的熱擴散率（或熱擴散系數），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（也稱為高斯誤差函數）是一個特殊函數，應用于概率、統計和偏導數微分方程中。它定義為：

該函數對每個實數x有效。可以通過開發泰勒級數誤差函數并對整個實軸積分來獲得erfc表中的值。

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

其目的是通過控制溫度來備好燃料，使溫度隨時間保持恒定。我們獲得的分布曲線如圖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方程的先決條件。

求解模型方程式，可以確定肉串達到所需溫度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，廚師可以轉動它們，這樣肉串的所有四個側面可以均勻地烹飪（圖2）。

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

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

該項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，因此有必要在設計階段評估溫度的差異。整個設計的硬件結構包括：

*一塊Arduino開發板

*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。

*一個風扇，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乘積系數，將通風考慮在內。根據程序，可以在需要的時候打開風扇，比如當炭火和肉串之間的溫度差開始偏離時。

*一個I2C顯示屏，用于顯示溫度和肉串烤制的控制文本。

*兩臺步進或直流電機：一個用來轉動羊肉串，另一個用來將其滑出烤架。這兩個電機的速度必須同步。另外，不期望的溫度變化應降低電機速度，從而使烤制過程保持最佳狀態。

這里所使用的溫度傳感器為PT100傳感器，它常見于工業設置環境中（例如實驗室）的溫度測量。這些傳感器的標稱電阻根據IEC 751標準確定，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的寬溫度范圍內穩定、持久地工作，并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傳感器。

調節功能由一個簡單易用的電阻數字轉換器MAX31865完成，這種轉換器針對PT100等鉑電阻溫度檢測器（RTD）進行了優化。另外通過一個外部電阻設置所用RTD的靈敏度，并利用一個精密的delta-sigma ADC將RTD電阻與參考電阻的比率轉換為數字形式。通過可在集成開發環境（IDE）中實現的庫，Arduino可以輕松實現這些功能。無刷直流（BLDC）電機具有很高的效率，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。無刷直流電機的設計宗旨在于優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，電機扭矩就越大。

Portescap的Ultra EC平臺列出了一系列無刷電機，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，從而使效率達到最大。

Maxon EC-i無刷電機尺寸較小，適合機器人應用。其電機直徑為30 mm，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75 W時最大額定扭矩高達110 mNm。在所有版本中，新的EC-i 30電機可以通過編碼器、變速箱 、伺服控制器或定位控制器進行擴展。

英飛凌的直流電機控制屏蔽層是最早的大電流電機控制板之一，可兼容Arduino以及采用BTN8982TA IC的英飛凌 XMC1100 啟動套件。該直流電機控制屏蔽層可驅動兩臺單向直流電機（半橋配置）或一臺雙向直流電機（H橋配置）。一個PWM可經由IN引腳對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系統，每1至2分鐘將其旋轉90°。一旦完成一個360°旋轉，就必須從炭火中取出羊肉串。烤串的風味取決于炭的溫度。炭的溫度變化很大，其內部溫度可達900°C；而距離炭10至20厘米的肉串內部溫度可達到150°C至300°C。將肉串溫度升高到約150°C時，就會產生所謂的美拉德(Maillard)反應，這種化學反應使褐色肉具有獨特的風味和香氣。

每個羊肉串的轉動都需要與烤爐溫度以及羊肉串自身溫度相協調，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，一旦烤制完成，操作員必須小心將其取出。

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

在烤架上烹制也有現實問題，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間會如何影響口味。廚師在正確的時間放置和取出羊肉串的技巧也非常重要。

電動控制系統需要使用fornacella烤架，如圖5所示。我們將在烤架的一端連接電機，以實現旋轉。

圖5：電動烤架。

系統的“校準”將決定烹制的時間，通常每面約1至2分鐘，具體取決于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給出了一個總體布局。

圖6：系統總體布局。可以通過I2C將顯示屏連接到Arduino。

結論

本文介紹的開源硬件是實現其它解決方案的基礎。我們沒有介紹Arduino上的固件，但硬件解決方案已經有現成的庫，可以讓你管理操作，并很容易將數學模型考慮進去。

編輯：hfy