液壓式茶餅緊壓機械的單片機控制設計研究

劉崢（湖南工業職業技術學院，湖南長沙 410208）

液壓式茶餅緊壓機械的單片機控制設計研究

劉崢
（湖南工業職業技術學院，湖南長沙 410208）

基于茶餅緊壓生產的特征，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計可利用手動編制相應的緊壓程序，以此即時改變茶餅緊壓生產的壓力大小，通過操控緊壓反彈松弛來生產不同硬質的茶餅產品。

液壓式；茶餅緊壓機械；單片機；設計

隨著茶餅產品需求量增大，對茶餅緊壓機械的要求也越來越苛刻。當前，茶餅緊壓生產主要采取人機結合的方式，即“人工緊壓+機械緊壓”。例如，湖南省地區采取“踩捆成包”緊壓法為人工緊壓。機械緊壓法因驅動性質不同又包括動力裝置與非動力裝置兩種。湖南省地區也采取了摩擦輪壓機來緊壓茶餅屬于動力裝置范疇，此法在大規模生產中較為適用。而早期的茶餅生產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備，它是一種非動力裝置。此非動力裝置由省力機構組成，通過手動操作將茶餅緊壓，裝置的整體結構相對簡單化，操作較為便利，但加工效率不高，僅在小規模作坊中適用。

1　單片機的技術原理與基本結構

1.1技術原理

單片機實際上是一臺微型計算機，其內部構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備的過程非常復雜，諸如排煙罩、DVD等點用電器均能發現單片機的存在。單片機主要的功用是整個電氣設備核心控制部分的中樞元件。

單片機單純指控制芯片，其系統主要為達成對某個應用程序的控制而設計，總體圍繞單片機控制芯片搭建計算機控制系統，也就是我們所講的單片機控制系統。單片機研發系統則是指控制芯片開發與調試的實際工具。自單片機正式出現以來，其功能不斷得到完善和改進，它的應用不斷拓展應用程序的控制需求，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點，未來將完全取代多片機控制系統。單片機可以實現完成任務的自我賦予，即具體的執行過程，它通過若干條執行指令將單片機執行操作的各種命令形式記錄，此點正是由設計者來賦予指令具體的內容。通常，一條指令代表一種操作方式，單片機容納所有可執行的指令構成整套指令系統，而不同的單片機將用于與眾不同的指令系統。為能夠保證單片機可以自行完成任務，需將待解決問題匯編為一組可被單片機正確識別與執行的指令，完整的指令集合構成程序，程序應被提前放置于具有存儲性能的元件內，即存儲裝置。存儲裝置主要由多組最小存儲單元構成，好比建筑物內擁有多個房間類似，所有的指令都將存放于最小存儲單元內，取出與執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，即可找到對應的最小存儲單元，相應的指令也可被取出和執行。

1.2基本結構

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成。計算邏輯元件的功能主要體現于接收數據并予以邏輯計算，其擁有2組八位數據作為主要的輸入來源，即累加裝置與數據寄存裝置。計算邏輯元件將以上2組八位數據進行“對比”、“減法”、“加法”或“與”等操作，最終結果直接存儲于累加裝置。比如說，2組八位數據6與7進行“加法”操作，相加前須將6輸入累加裝置，而7則存儲于數據寄存裝置。執行“加法”指令，計算邏輯元件將6 與7的“加法”操作結果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，執行算術過程；其二，執行邏輯運算與測試。運算裝置所有的執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果，每個邏輯運算過程也將得到一項判決。

1.2.2控制裝置。控制裝置主要由應用程序計數裝置、指令寄存裝置、指令譯碼裝置、時序發生裝置和操作控制裝置構成，實際發揮著“決策中心”的作用，統籌整個計算機系統的協調作用于智慧作用，其最關鍵的功能包括由內存區的指令，同時定位下個指令的具體位置；測試、譯碼與輸出對應的操作控制指令，可方便于下一步執行操作；指控CPU、內存與數據接發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、計數裝置和寄存裝置等緊密聯系，同時利用外部總線和其他存儲裝置、接發端口電路互聯。通常，外部總線也可稱之為系統總線，有數據總線DB、地址總線AB與控制總線CB三種分類，利用接發端口電路即可完成系統與其他裝置的互聯。

1.2.3寄存裝置。累加裝置主要作為微型處理中樞應用最多的寄存裝置。執行算術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；運算完畢，存儲相應的運算結果。數據寄存裝置經數據總線即可實現暫存單元向存儲裝置、接發信號裝置取送數據的過程，它也可記錄譯碼指令，也可存儲發送存儲裝置的數據單元，指令寄存裝置與指令譯碼裝置則涉及操作碼和操作數等指標，指令寄存裝置主要用作存儲正在執行的指令集合。比如，某條指令正在執行狀態，可將其其取出并存儲于數據寄存裝置，再轉發于指令寄存裝置。如果系統運行并執行指定的指令，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，從而確保應用程序可繼續執行，因而也可將其稱之為指令地址計數裝置。應用程序運行且執行指令前應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讀取存儲裝置內存數據、指令或存儲數據都將依靠地址寄存裝置和數據寄存裝置發揮作用。與此同時，我們將外設裝置的地址信息視作內存地址單元，CPU和外設裝置實現信息交換的過程也離不開地址寄存裝置和數據寄存裝置。

2　液壓式茶餅緊壓機械的工作原理

茶餅緊壓機械產出產品品質的好壞與緊壓程度聯系緊密，緊壓加工過程施加壓力過大或過小都會影響茶餅品質。茶餅內茶葉與氧氣的反應是最主要因素，其氧化過程有賴于“金花”含量多少，太少可能引起茶餅內部的“霉化”現象。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，然而因緊壓不足導致茶餅質地過于松散，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，延續緊壓工序的加工時間，根據茶餅類別、溫度和形狀由人工設置操控系統，即時改進緊壓控制程序。一般地，加工車間室溫維持25℃，緊壓時間可設定為60s至120s不等，經此處理的茶餅，因緊壓前后的反彈松弛問題被控制，產出的茶餅質地良好。

液壓緊壓茶機械主要包括電氣控制系統、液壓控制系統、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汽蒸處理的茶葉送入緊壓模具內，向右推動緊壓模具直至極限刻度，由液壓驅動裝置驅動上模向下擠壓，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。

3　液壓式茶餅緊壓機械的單片機設計

3.1液壓部分

液壓式茶餅緊壓機械實現茶餅緊壓的送模過程與退模過程均由人工操作，僅在緊壓過程中應用液壓系統。因此，液壓系統采取單缸液壓裝置。液壓系統內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，單片機系統即可按照壓力繼電裝置來調節三位四通電磁閥擺到中位，從而保障整個系統的安全運行。液壓系統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通電，單缸液壓自上而下運動，出現活塞桿觸碰行程開關或液壓回路壓力值超過設定壓力值中任意一種情況即可觸發三位四通電磁閥擺至中位并由報警系統發生警報，整個壓餅生產流程即刻停止。

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、報警系統和其他設定程序等多項功能。系統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控整個220V電氣部分。該部分的組成構件涉及輸入模塊、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外設鍵盤（主要用作各類指令輸入或其他相關控制程序的具體設定任務），顯示模塊則采用四位數碼管設備（主要用作于屏顯和設定時間參數），報警模塊則在整個程序設定和加工流程完畢即發出警報信號，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控電機和繼電裝置的啟閉）。

4　結束語

總而言之，液壓式茶餅緊壓機械的單片機設計需要結合具體生產車間情況、產品類型和產品質地等要求來設計。值得注意的是，即使我們引入單片機輔助加工，也須由人工來設定緊壓程序。我們知道，液壓式茶餅緊壓機械的技術要點應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原理與基本結構、液壓式茶餅緊壓機械的工作原理及單片機設計，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品訂立標準。

［1］周佩鈞，梁讀勇.金剛石壓機的單片機控制系統設計［J］.中南礦冶學院學報，2014（3）：380-384.

［2］王利全，陳志平，施滸立.基于51單片機的空氣壓縮機控制器［J］.機電工程，2011（6）：58-60.

［3］朱貴憲周顯政.基于單片機控制的通用電力系統設計［J］.安陽工學院學報，2011（2）7-9，20.

［4］陳文峰，屠幼英.黑茶緊壓茶浸提物對胰蛋白酶活性的影響［J］.中國茶葉，2012（3）：89-92.

［5］胡智清，湯興初等.小型螺桿式緊壓茶葉機的研制［J］.農機化研究，2013（10）：228-229.

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。