梁 娟，林 菡，施鍵蘭，林小焱

茶葉揉捻機(jī)的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁 娟，林 菡，施鍵蘭，林小焱

(福建農(nóng)林大學(xué)東方學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，福建 福州 350017)

本文主要研究茶葉揉捻機(jī)的自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)6CR-55型茶葉揉捻機(jī)的工作壓力檢測、揉捻時間控制、步進(jìn)電機(jī)的控制。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，本文采用單片機(jī)STC89C52作為控制器，采用壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，ADC0809芯片對信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，顯示部分選用LCD1602。軟件部分運(yùn)用KEIL uVision4編程工具進(jìn)行軟件的開發(fā)并使用Proteus軟件進(jìn)行硬件的仿真調(diào)試，采用C語言編程實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)了壓力檢測顯示于液晶屏上，以及步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的控制和茶葉揉捻時間控制等功能。

自動控制系統(tǒng)；壓力傳感器； LCD1602顯示器；步進(jìn)電機(jī)

0 引言

茶葉揉捻（twisting），是運(yùn)用搓揉方法破壞茶葉的組織細(xì)胞，擠出茶汁，使葉片成條的茶葉初制工序，即用揉和捻的方法使茶葉面積縮小卷成條形，通稱條茶。揉捻是初步做形，除了黃茶類和綠、白茶中有些不需要揉捻外，一般在制茶過程中都需有揉捻工序。茶葉揉捻機(jī)是茶葉生產(chǎn)的一種主要機(jī)器。傳統(tǒng)制茶以手工進(jìn)行揉茶，現(xiàn)代制茶則多以機(jī)械式盤式揉茶機(jī)處理，而后再人力進(jìn)行部分加工或挑揀。揉捻機(jī)的特征主要包括一卷布桿、蓮花座、和傳動組等[1]。但我國現(xiàn)階段制茶機(jī)械的自動化和連續(xù)化程度仍然較低，制茶工序繁瑣，生產(chǎn)時間有待縮短，質(zhì)量有待提高。

本文的自動茶葉揉捻機(jī)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)6CR-55型茶葉揉捻機(jī)的工作壓力檢測，并顯示在液晶屏上、電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)和茶葉揉捻時間的控制，包括傳感和步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)[2]、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

1 自動茶葉揉捻機(jī)控制系統(tǒng)總體方案

本文主要研究基于單片機(jī)的自動茶葉揉捻機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]。首先必須先規(guī)劃整體分布，再選擇所需的芯片，本文選用了STC89C52芯片[4]，接著按照功能要求，分模塊完成。一、壓力監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)[5]，首先考慮到怎樣才能將壓力信號轉(zhuǎn)換成數(shù)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1自動茶葉揉捻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)圖

本文是基于STC89C52單片機(jī)的自動茶葉揉捻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。壓力傳感器受到外界壓力影響，內(nèi)部阻值發(fā)生變化，改變電壓值，通過芯片自帶的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，系統(tǒng)核心是STC89C52單片機(jī)，顯示部分選用LCD1602。壓力傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)控制系統(tǒng)，經(jīng)過單片機(jī)的處理后，最終由LCD1602實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的顯示[7]，使人們直觀的觀看測量到的壓力值，同時也可以通過按鍵實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制和揉捻時間的設(shè)定。其中，5V穩(wěn)壓電源給各個部分供電。硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。

圖2.1 自動茶葉揉捻機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2晶振電路設(shè)計(jì)

晶振電路的主要任務(wù)是為STC89C52單片機(jī)正常工作需要的時鐘電路提供一定的工作頻率。最小系統(tǒng)晶振可以采用6 MHz或者11.0592 MHz，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振。設(shè)置為定時器模式時，加1計(jì)數(shù)器是對內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)值N乘以機(jī)器周期Tcy就是定時時間t。設(shè)置為計(jì)數(shù)器模式時，外部事件計(jì)數(shù)脈沖由T0或T1引腳輸入到計(jì)數(shù)器。在每個機(jī)器周期的S5P2期間采樣T0、T1引腳電平。當(dāng)某周期采樣到一高電平輸入，而下一周期又采樣到一低電平時，則計(jì)數(shù)器加1，更新的計(jì)數(shù)值在下一個機(jī)器周期的S3P1期間裝入計(jì)數(shù)器。由于檢測一個從1到0的下降沿需要2個機(jī)器周期，因此要求被采樣的電平至少要維持一個機(jī)器周期。STC89C52內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳X1和X2分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式。如圖2.2所示，在X1和X2兩端跨接晶振，與內(nèi)部的反相器構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。電容C4和C5對頻率起微調(diào)作用。電容C4和C5，應(yīng)盡可能的安裝在單片機(jī)芯片附近，以減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠地工作。

圖2.2 晶振電路

2.3復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路的功能就是對CPU進(jìn)行實(shí)時檢測，當(dāng)CPU落入死循環(huán)之后，能及時發(fā)現(xiàn)并使整個系統(tǒng)復(fù)位。51單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容C3的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時間，一般采用10～ 30 uF，51單片機(jī)最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時間越短。本系統(tǒng)中單片機(jī)時鐘頻率為6 MHz，則復(fù)位脈沖至少應(yīng)為4 us。整個復(fù)位電路包括芯片內(nèi)外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號（RESET）送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個機(jī)器周期的S5P2時刻對施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行采樣，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需的信號。復(fù)位電路STC89C52單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。

2.4壓力傳感器模塊

壓力傳感器模塊工作原理：通過外界給它一定的壓力，壓力傳感器內(nèi)部起到分壓作用，從而改變電壓，再經(jīng)過A/D芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將原來的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳入單片機(jī)中，最終通過單片機(jī)將數(shù)值顯示在LCD1602顯示屏上。

2.5ADC0809芯片的功能及運(yùn)用

ADC0809芯片[8]的應(yīng)用說明：

（1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與STC89C52單片機(jī)直接相連；

（2）初始化時，使ST和OE信號全為低電平；

（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上；

（4）在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號；

（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷；

（6）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。

ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。

2.6LDC1602驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

LCD顯示器的基本原理是通過給不同的液晶單元供電，控制其光線的通過與否，從而達(dá)到顯示的目的。LCD的驅(qū)動控制歸于對每個液晶單元的通斷電的控制，每個液晶單元都對應(yīng)著一個電極，對其通電，便可使光線通過。LCD通常有兩種驅(qū)動方式，一種是帶有驅(qū)動芯片的LCD模塊，用總線方式來驅(qū)動，用總線接口與單片機(jī)總線進(jìn)行接口，帶緩存。另一種方式是LCD顯示屏，沒有驅(qū)動電路，需要與驅(qū)動電路配合使用。一般帶有驅(qū)動模塊的LCD顯示屏使用這種驅(qū)動方式，模塊給出的是總線接口，便于與單片機(jī)的總線進(jìn)行接口，而且自帶顯示緩存，只需要將要顯示的內(nèi)容送到顯示緩存中就可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的顯示。由于只有八條數(shù)據(jù)線，因此常常通過引腳信號來實(shí)現(xiàn)地址與數(shù)據(jù)線復(fù)用，以達(dá)到把相應(yīng)的數(shù)據(jù)送到相應(yīng)顯示緩存的目的。

1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上講，由于顯示器模塊中已經(jīng)有顯示存儲器，顯存中的每一個單元對應(yīng)LCD上的一個點(diǎn)，只要顯存中的內(nèi)容改變，顯示結(jié)果便進(jìn)行刷新。專門開辟顯示內(nèi)存，在需要刷新的時候由程序進(jìn)行顯示更新。這樣，不但可以減輕總線負(fù)荷，而且也比較合理，在有需要的時候進(jìn)行統(tǒng)一的顯示更新。

2.7步進(jìn)電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件。每當(dāng)一個脈沖信號施加于電機(jī)的控制繞組時，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個固定的角度（步距角），順序連續(xù)地發(fā)給脈沖，則電機(jī)軸一步接一步地運(yùn)轉(zhuǎn)。

本系統(tǒng)采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。

本方案有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實(shí)現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響；(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機(jī)的設(shè)定，用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；(3)單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。

2.8Proteus軟件模擬仿真

由于在Proteus[9]里面找不到本系統(tǒng)所需的壓力傳感器，故采用滑動變阻器代替壓力傳感器，通過調(diào)整滑動傳感器的阻值，來實(shí)現(xiàn)改變壓力傳感器的壓力數(shù)值采集。其中由于所用的芯片較多端口不夠，所以在仿真圖中，沒有附加電機(jī)的其他功能，但在系統(tǒng)的實(shí)物中附加了步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等功能，使系統(tǒng)更完善,仿真總電路圖見圖2.3。

2.9揉捻時間控制

茶葉揉捻機(jī)時間控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是通過調(diào)用程序來設(shè)置揉捻時間的長短，從而控制揉捻機(jī)的工作。通過設(shè)計(jì)4個按鍵（A、B、C、D），按一次A鍵系統(tǒng)自動加10秒，按第二次又自動加10秒，同理按一次B鍵自動加1秒，按C鍵自動減10秒，按D鍵自動減1秒，其數(shù)值顯示在LCD顯示屏上，從而實(shí)現(xiàn)茶葉揉捻機(jī)揉捻時間控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖2.3 仿真總電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分運(yùn)用了KEIL uVision4這個編程工具進(jìn)行軟件的開發(fā)和運(yùn)用Proteus軟件進(jìn)行硬件仿真調(diào)試[10]，用C語言進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)茶葉揉捻機(jī)的自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)簡易流程圖見圖3.1。其中，步進(jìn)電機(jī)控制子流程圖見圖3.2，揉捻時間控制子流程圖見圖3.3。

圖3.1 系統(tǒng)主流程圖

圖3.2 步進(jìn)電機(jī)控制子流程圖

4 硬件、軟件調(diào)試

4.1硬件調(diào)試

對照原理圖，檢查各個元器件的焊接細(xì)節(jié)及狀況，保證通路接通，接地電平相同，防止虛焊。硬件檢查無問題后，導(dǎo)入測試程序，保證硬件的正常使用。注意以下幾點(diǎn)：一是焊接時要先排版布線再焊接，并仔細(xì)檢查，防止不必要的錯誤；二是保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，傳感器的串行數(shù)據(jù)線要加4.7 K或者10 K的上拉電阻。

圖3.3 揉捻時間控制子程序流程圖

4.2軟件調(diào)試

本文用KEIL uVision4這個編程工具，用C語言編寫程序，將寫好的程序?qū)胗布?，進(jìn)行編譯，觀察是否達(dá)到了預(yù)期的效果。在程序編譯無錯誤之后，全速運(yùn)行程序，使LCD數(shù)碼管上顯示正常，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

本文是基于STC89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過壓力傳感器檢測到壓力信號，并將信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，再經(jīng)過STC89C52芯片處理，在LCD1602上顯示壓力值，同時能顯示揉捻時間值。合理設(shè)置揉捻時間長短或者調(diào)整時間，如果達(dá)到運(yùn)行時間電機(jī)就會自動停止轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)揉捻時間控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。

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The Design of Automatic Control System for Tea Twisting Machine

LIANG Juan, LIN Han, SHI Jian-lan, LIN Xiao-yan
(East fujian agriculture and forestry university college of computer science Fuzhou, 350017)

Design of automatic control system of the main task is to study the tea twisting machine, 6CR-55 type tea twisting machine working pressure detection, rolling time control, the control of step motor. In order to implement these functions, this paper using STC89C52 MCU as controller, pressure sensor data acquisition, for analog / digital conversion the signal using ADC0809 chip, the display part choose to use LCD1602 to display. The software uses KEIL the uVision4 programming tool software and the use of Proteus software and hardware simulation debugging, programming with C language. After the task is finished to realize the pressure detection and display on LCD, stepper motor control system and the tea twisting time control and so on.

Automatic control system; Pressure sensor; LCD1602 display; Stepper motor;

TP273+.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.02.010

福建省教育廳科技項(xiàng)目(JA15647)

梁娟(1984年-)，女，講師，主要研究方向：單片機(jī)控制技術(shù)、圖像處理、視頻監(jiān)控等；林菡(1984年-)，女，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像識別、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等；施鍵蘭(1984年-)，女，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)算法等。字信號傳入單片機(jī)芯片中，采用的是ADC0809芯片，并通過液晶顯示屏將數(shù)值顯示出來；二、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速，停止功能的控制；三、揉捻時間控制系統(tǒng)，完成設(shè)計(jì)時間的設(shè)定功能[6]，不但要可以控制時間的增加，還要可以減少揉捻時間。最終，通過編寫程序，設(shè)置中斷，設(shè)計(jì)并焊接硬件電路，完成設(shè)計(jì)。

本文著錄格式：梁娟，林菡，施鍵蘭，等. 茶葉揉捻機(jī)的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2017，38（2）：42-46