劉崢（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410208）

液壓式茶餅緊壓機械的單片機控制設(shè)計研究

劉崢
（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410208）

基于茶餅緊壓生產(chǎn)的特征，筆者探討基于單片機操控的液壓式茶餅緊壓機械。液壓式茶餅緊壓機械的單片機設(shè)計可利用手動編制相應(yīng)的緊壓程序，以此即時改變茶餅緊壓生產(chǎn)的壓力大小，通過操控緊壓反彈松弛來生產(chǎn)不同硬質(zhì)的茶餅產(chǎn)品。

液壓式；茶餅緊壓機械；單片機；設(shè)計

隨著茶餅產(chǎn)品需求量增大，對茶餅緊壓機械的要求也越來越苛刻。當前，茶餅緊壓生產(chǎn)主要采取人機結(jié)合的方式，即“人工緊壓+機械緊壓”。例如，湖南省地區(qū)采取“踩捆成包”緊壓法為人工緊壓。機械緊壓法因驅(qū)動性質(zhì)不同又包括動力裝置與非動力裝置兩種。湖南省地區(qū)也采取了摩擦輪壓機來緊壓茶餅屬于動力裝置范疇，此法在大規(guī)模生產(chǎn)中較為適用。而早期的茶餅生產(chǎn)多采取花磚機械式螺旋手搖機和《小型螺桿式緊壓茶葉機的研制》給出的一手輪螺桿選擇緊壓茶餅設(shè)備，它是一種非動力裝置。此非動力裝置由省力機構(gòu)組成，通過手動操作將茶餅緊壓，裝置的整體結(jié)構(gòu)相對簡單化，操作較為便利，但加工效率不高，僅在小規(guī)模作坊中適用。

1　單片機的技術(shù)原理與基本結(jié)構(gòu)

1.1技術(shù)原理

單片機實際上是一臺微型計算機，其內(nèi)部構(gòu)造與普通計算機無太多異處，均配有相似功能的運行模塊，如CPU、內(nèi)存處理器、并行總線和其他存儲元件等。他們的不同點在于此元件相較于普通計算機性能相對較弱，且花費成本較低，通常不會高于10塊錢。利用單片機控制電器設(shè)備的過程非常復(fù)雜，諸如排煙罩、DVD等點用電器均能發(fā)現(xiàn)單片機的存在。單片機主要的功用是整個電氣設(shè)備核心控制部分的中樞元件。

單片機單純指控制芯片，其系統(tǒng)主要為達成對某個應(yīng)用程序的控制而設(shè)計，總體圍繞單片機控制芯片搭建計算機控制系統(tǒng)，也就是我們所講的單片機控制系統(tǒng)。單片機研發(fā)系統(tǒng)則是指控制芯片開發(fā)與調(diào)試的實際工具。自單片機正式出現(xiàn)以來，其功能不斷得到完善和改進，它的應(yīng)用不斷拓展應(yīng)用程序的控制需求，且因單片機永遠集成程度好、性能強勁、效率高和成本低廉等優(yōu)點，未來將完全取代多片機控制系統(tǒng)。單片機可以實現(xiàn)完成任務(wù)的自我賦予，即具體的執(zhí)行過程，它通過若干條執(zhí)行指令將單片機執(zhí)行操作的各種命令形式記錄，此點正是由設(shè)計者來賦予指令具體的內(nèi)容。通常，一條指令代表一種操作方式，單片機容納所有可執(zhí)行的指令構(gòu)成整套指令系統(tǒng)，而不同的單片機將用于與眾不同的指令系統(tǒng)。為能夠保證單片機可以自行完成任務(wù)，需將待解決問題匯編為一組可被單片機正確識別與執(zhí)行的指令，完整的指令集合構(gòu)成程序，程序應(yīng)被提前放置于具有存儲性能的元件內(nèi)，即存儲裝置。存儲裝置主要由多組最小存儲單元構(gòu)成，好比建筑物內(nèi)擁有多個房間類似，所有的指令都將存放于最小存儲單元內(nèi)，取出與執(zhí)行指令即如走進建筑物某個具體房間一樣對號入座，每個最小存儲單元均配有唯一的地址號，也稱最小存儲單元地址。如此一來，我們只需知道最小存儲單元地址，即可找到對應(yīng)的最小存儲單元，相應(yīng)的指令也可被取出和執(zhí)行。

1.2基本結(jié)構(gòu)

1.2.1運算裝置。運算裝置主要由計算邏輯元件、累加裝置和寄存裝置構(gòu)成。計算邏輯元件的功能主要體現(xiàn)于接收數(shù)據(jù)并予以邏輯計算，其擁有2組八位數(shù)據(jù)作為主要的輸入來源，即累加裝置與數(shù)據(jù)寄存裝置。計算邏輯元件將以上2組八位數(shù)據(jù)進行“對比”、“減法”、“加法”或“與”等操作，最終結(jié)果直接存儲于累加裝置。比如說，2組八位數(shù)據(jù)6與7進行“加法”操作，相加前須將6輸入累加裝置，而7則存儲于數(shù)據(jù)寄存裝置。執(zhí)行“加法”指令，計算邏輯元件將6 與7的“加法”操作結(jié)果13輸入累加裝置，以此取代6。計算裝置主要用于兩項基本功能：其一，執(zhí)行算術(shù)過程；其二，執(zhí)行邏輯運算與測試。運算裝置所有的執(zhí)行過程都啟動于控制裝置的指令信號。與此同時，每個計算操作過程得到一個結(jié)果，每個邏輯運算過程也將得到一項判決。

1.2.2控制裝置?？刂蒲b置主要由應(yīng)用程序計數(shù)裝置、指令寄存裝置、指令譯碼裝置、時序發(fā)生裝置和操作控制裝置構(gòu)成，實際發(fā)揮著“決策中心”的作用，統(tǒng)籌整個計算機系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用于智慧作用，其最關(guān)鍵的功能包括由內(nèi)存區(qū)的指令，同時定位下個指令的具體位置；測試、譯碼與輸出對應(yīng)的操作控制指令，可方便于下一步執(zhí)行操作；指控CPU、內(nèi)存與數(shù)據(jù)接發(fā)裝置之間的信號走向。微型處理中樞利用并行總線將運算裝置、計數(shù)裝置和寄存裝置等緊密聯(lián)系，同時利用外部總線和其他存儲裝置、接發(fā)端口電路互聯(lián)。通常，外部總線也可稱之為系統(tǒng)總線，有數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB與控制總線CB三種分類，利用接發(fā)端口電路即可完成系統(tǒng)與其他裝置的互聯(lián)。

1.2.3寄存裝置。累加裝置主要作為微型處理中樞應(yīng)用最多的寄存裝置。執(zhí)行算術(shù)過程與邏輯運算過程中它具備兩方面的作用：其一，運算開始前，記錄操作數(shù)；運算完畢，存儲相應(yīng)的運算結(jié)果。數(shù)據(jù)寄存裝置經(jīng)數(shù)據(jù)總線即可實現(xiàn)暫存單元向存儲裝置、接發(fā)信號裝置取送數(shù)據(jù)的過程，它也可記錄譯碼指令，也可存儲發(fā)送存儲裝置的數(shù)據(jù)單元，指令寄存裝置與指令譯碼裝置則涉及操作碼和操作數(shù)等指標，指令寄存裝置主要用作存儲正在執(zhí)行的指令集合。比如，某條指令正在執(zhí)行狀態(tài)，可將其其取出并存儲于數(shù)據(jù)寄存裝置，再轉(zhuǎn)發(fā)于指令寄存裝置。如果系統(tǒng)運行并執(zhí)行指定的指令，須譯碼操作碼來確認操作，這一過程中譯碼裝置的作用最大。另外，指令寄存裝置輸出操作碼字段其實質(zhì)是譯碼裝置的輸入過程，主要用作定位下條指令的具體地址，從而確保應(yīng)用程序可繼續(xù)執(zhí)行，因而也可將其稱之為指令地址計數(shù)裝置。應(yīng)用程序運行且執(zhí)行指令前應(yīng)將首地址輸入計算機，保證可以準確定位下條指令的具體地址。地址寄存裝置主要用作于CPU當前訪問內(nèi)存單元與I/O裝置地址的記錄工作。

顯而易見，CPU讀取存儲裝置內(nèi)存數(shù)據(jù)、指令或存儲數(shù)據(jù)都將依靠地址寄存裝置和數(shù)據(jù)寄存裝置發(fā)揮作用。與此同時，我們將外設(shè)裝置的地址信息視作內(nèi)存地址單元，CPU和外設(shè)裝置實現(xiàn)信息交換的過程也離不開地址寄存裝置和數(shù)據(jù)寄存裝置。

2　液壓式茶餅緊壓機械的工作原理

茶餅緊壓機械產(chǎn)出產(chǎn)品品質(zhì)的好壞與緊壓程度聯(lián)系緊密，緊壓加工過程施加壓力過大或過小都會影響茶餅品質(zhì)。茶餅內(nèi)茶葉與氧氣的反應(yīng)是最主要因素，其氧化過程有賴于“金花”含量多少，太少可能引起茶餅內(nèi)部的“霉化”現(xiàn)象。緊壓加工壓力過小或施壓時間過短，無法保障徹底的氧化過程，對“金花”含量的影響不大，然而因緊壓不足導(dǎo)致茶餅質(zhì)地過于松散，且易破碎，不容易得到保存。因此，茶餅的緊壓加工最為核心的工作內(nèi)容是整機工作。本文探討液壓式茶餅緊壓機械正是考慮到這樣的問題，并輔以緊壓保壓回路，延續(xù)緊壓工序的加工時間，根據(jù)茶餅類別、溫度和形狀由人工設(shè)置操控系統(tǒng)，即時改進緊壓控制程序。一般地，加工車間室溫維持25℃，緊壓時間可設(shè)定為60s至120s不等，經(jīng)此處理的茶餅，因緊壓前后的反彈松弛問題被控制，產(chǎn)出的茶餅質(zhì)地良好。

液壓緊壓茶機械主要包括電氣控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、緊壓模具和機件等組成部件，而茶餅的緊壓加工工序主要囊括五項內(nèi)容，即裝料、送模、緊壓、退模和落料。液壓式茶餅緊壓機械的工作原理則是經(jīng)汽蒸處理的茶葉送入緊壓模具內(nèi)，向右推動緊壓模具直至極限刻度，由液壓驅(qū)動裝置驅(qū)動上模向下擠壓，向左推動模具直至極限刻度，最后開啟模具鎖緊裝置將成品茶餅倒落至落料倉內(nèi)。

3　液壓式茶餅緊壓機械的單片機設(shè)計

3.1液壓部分

液壓式茶餅緊壓機械實現(xiàn)茶餅緊壓的送模過程與退模過程均由人工操作，僅在緊壓過程中應(yīng)用液壓系統(tǒng)。因此，液壓系統(tǒng)采取單缸液壓裝置。液壓系統(tǒng)內(nèi)配置一套具有安全保護作用的壓力繼電裝置，如果緊壓加工液壓回路的施壓程度過大，單片機系統(tǒng)即可按照壓力繼電裝置來調(diào)節(jié)三位四通電磁閥擺到中位，從而保障整個系統(tǒng)的安全運行。液壓系統(tǒng)的實際工作原理則是啟動開啟鍵，液壓回路三位四通電磁閥實現(xiàn)通電，單缸液壓自上而下運動，出現(xiàn)活塞桿觸碰行程開關(guān)或液壓回路壓力值超過設(shè)定壓力值中任意一種情況即可觸發(fā)三位四通電磁閥擺至中位并由報警系統(tǒng)發(fā)生警報，整個壓餅生產(chǎn)流程即刻停止。

3.2電氣部分

液壓式茶餅緊壓機械的單片機電氣部分主要具備控制中心、計時裝置、報警系統(tǒng)和其他設(shè)定程序等多項功能。系統(tǒng)采用單片機作為核心控制裝置，較為常見的是采取12V低壓供電方式，利益光電耦合方式監(jiān)控整個220V電氣部分。該部分的組成構(gòu)件涉及輸入模塊、單片機模塊、顯示模塊、報警模塊、電機控制模塊和繼電模塊控制模塊等多種功能模塊。單片機模塊則采用89c51芯片，輸入模塊則采用4×4外設(shè)鍵盤（主要用作各類指令輸入或其他相關(guān)控制程序的具體設(shè)定任務(wù)），顯示模塊則采用四位數(shù)碼管設(shè)備（主要用作于屏顯和設(shè)定時間參數(shù)），報警模塊則在整個程序設(shè)定和加工流程完畢即發(fā)出警報信號，電機控制模塊與繼電裝置模塊均采用單片機裝置（利用光電耦合過程來監(jiān)控電機和繼電裝置的啟閉）。

4　結(jié)束語

總而言之，液壓式茶餅緊壓機械的單片機設(shè)計需要結(jié)合具體生產(chǎn)車間情況、產(chǎn)品類型和產(chǎn)品質(zhì)地等要求來設(shè)計。值得注意的是，即使我們引入單片機輔助加工，也須由人工來設(shè)定緊壓程序。我們知道，液壓式茶餅緊壓機械的技術(shù)要點應(yīng)為如何控制茶餅緊壓前后的反彈松弛問題，本文通過闡述單片機的技術(shù)原理與基本結(jié)構(gòu)、液壓式茶餅緊壓機械的工作原理及單片機設(shè)計，旨在通過歸納理論為廣大同行朋友提供一些理論方面的幫助，更為進一步推廣此類機械產(chǎn)品訂立標準。

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劉崢，男，湖南瀏陽人，碩士，講師，研究方向：機電一體化，電氣自動化。