茶葉揉捻機的自動控制系統設計

梁 娟，林 菡，施鍵蘭，林小焱

茶葉揉捻機的自動控制系統設計

梁 娟，林 菡，施鍵蘭，林小焱

(福建農林大學東方學院 計算機科學系，福建 福州 350017)

本文主要研究茶葉揉捻機的自動控制系統，實現6CR-55型茶葉揉捻機的工作壓力檢測、揉捻時間控制、步進電機的控制。為了實現這些功能，本文采用單片機STC89C52作為控制器，采用壓力傳感器進行數據采集，ADC0809芯片對信號進行模/數轉換，顯示部分選用LCD1602。軟件部分運用KEIL uVision4編程工具進行軟件的開發并使用Proteus軟件進行硬件的仿真調試，采用C語言編程實現，最終實現了壓力檢測顯示于液晶屏上，以及步進電機系統的控制和茶葉揉捻時間控制等功能。

自動控制系統；壓力傳感器； LCD1602顯示器；步進電機

0 引言

茶葉揉捻（twisting），是運用搓揉方法破壞茶葉的組織細胞，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。茶葉揉捻機是茶葉生產的一種主要機器。傳統制茶以手工進行揉茶，現代制茶則多以機械式盤式揉茶機處理，而后再人力進行部分加工或挑揀。揉捻機的特征主要包括一卷布桿、蓮花座、和傳動組等[1]。但我國現階段制茶機械的自動化和連續化程度仍然較低，制茶工序繁瑣，生產時間有待縮短，質量有待提高。

本文的自動茶葉揉捻機控制系統是實現6CR-55型茶葉揉捻機的工作壓力檢測，并顯示在液晶屏上、電機控制電路設計和茶葉揉捻時間的控制，包括傳感和步進電機控制系統[2]、軟件系統的設計和開發。

1 自動茶葉揉捻機控制系統總體方案

本文主要研究基于單片機的自動茶葉揉捻機的控制系統設計[3]。首先必須先規劃整體分布，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、壓力監測模塊設計[5]，首先考慮到怎樣才能將壓力信號轉換成數

2 硬件設計

2.1自動茶葉揉捻控制系統設計硬件結構圖

本文是基于STC89C52單片機的自動茶葉揉捻機控制系統設計。壓力傳感器受到外界壓力影響，內部阻值發生變化，改變電壓值，通過芯片自帶的A/D轉換器將模擬信號轉化成數字信號，系統核心是STC89C52單片機，顯示部分選用LCD1602。壓力傳感器將檢測到的數據傳遞給單片機控制系統，經過單片機的處理后，最終由LCD1602實現溫度和濕度的顯示[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現對步進電機的控制和揉捻時間的設定。其中，5V穩壓電源給各個部分供電。硬件整體結構圖如圖2.1所示。

圖2.1 自動茶葉揉捻機控制系統硬件結構

2.2晶振電路設計

晶振電路的主要任務是為STC89C52單片機正常工作需要的時鐘電路提供一定的工作頻率。最小系統晶振可以采用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。設置為定時器模式時，加1計數器是對內部機器周期計數。計數值N乘以機器周期Tcy就是定時時間t。設置為計數器模式時，外部事件計數脈沖由T0或T1引腳輸入到計數器。在每個機器周期的S5P2期間采樣T0、T1引腳電平。當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，則計數器加1，更新的計數值在下一個機器周期的S3P1期間裝入計數器。由于檢測一個從1到0的下降沿需要2個機器周期，因此要求被采樣的電平至少要維持一個機器周期。STC89C52內部有一個用于構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。時鐘可以由內部方式產生或外部方式產生，本設計采用內部方式。如圖2.2所示，在X1和X2兩端跨接晶振，與內部的反相器構成穩定的自激振蕩器。電容C4和C5對頻率起微調作用。電容C4和C5，應盡可能的安裝在單片機芯片附近，以減少寄生電容，保證振蕩器穩定可靠地工作。

圖2.2 晶振電路

2.3復位電路設計

復位電路的功能就是對CPU進行實時檢測，當CPU落入死循環之后，能及時發現并使整個系統復位。51單片機最小系統復位電路的極性電容C3的大小直接影響單片機的復位時間，一般采用10～ 30 uF，51單片機最小系統容值越大需要的復位時間越短。本系統中單片機時鐘頻率為6 MHz，則復位脈沖至少應為4 us。整個復位電路包括芯片內外兩部分。外部電路產生的復位信號（RESET）送至施密特觸發器，再由片內復位電路在每個機器周期的S5P2時刻對施密特觸發器的輸出進行采樣，然后才能得到內部復位操作所需的信號。復位電路STC89C52單片機的復位是由外部的復位電路來實現的。

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，壓力傳感器內部起到分壓作用，從而改變電壓，再經過A/D芯片進行模數轉換，將原來的電壓信號轉換成數字信號傳入單片機中，最終通過單片機將數值顯示在LCD1602顯示屏上。

2.5ADC0809芯片的功能及運用

ADC0809芯片[8]的應用說明：

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

（2）初始化時，使ST和OE信號全為低電平；

（3）送要轉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）是否轉換完畢，我們根據EOC信號來判斷；

（6）當EOC變為高電平時，這時給OE為高電平，轉換的數據就輸出給單片機了。

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位。下降沿啟動A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變為高電平，指示A/D轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平時，輸出三態門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。

2.6LDC1602驅動電路設計

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，從而達到顯示的目的。LCD的驅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著一個電極，對其通電，便可使光線通過。LCD通常有兩種驅動方式，一種是帶有驅動芯片的LCD模塊，用總線方式來驅動，用總線接口與單片機總線進行接口，帶緩存。另一種方式是LCD顯示屏，沒有驅動電路，需要與驅動電路配合使用。一般帶有驅動模塊的LCD顯示屏使用這種驅動方式，模塊給出的是總線接口，便于與單片機的總線進行接口，而且自帶顯示緩存，只需要將要顯示的內容送到顯示緩存中就可以實現內容的顯示。由于只有八條數據線，因此常常通過引腳信號來實現地址與數據線復用，以達到把相應的數據送到相應顯示緩存的目的。

1602LCD是指顯示的內容為16X2，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。目前市面上字符液晶絕大多數是基于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用于市面上大部分的字符型液晶。

從系統結構上講，由于顯示器模塊中已經有顯示存儲器，顯存中的每一個單元對應LCD上的一個點，只要顯存中的內容改變，顯示結果便進行刷新。專門開辟顯示內存，在需要刷新的時候由程序進行顯示更新。這樣，不但可以減輕總線負荷，而且也比較合理，在有需要的時候進行統一的顯示更新。

2.7步進電機控制模塊設計

步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械位移的機電執行元件。每當一個脈沖信號施加于電機的控制繞組時，其轉軸就轉過一個固定的角度（步距角），順序連續地發給脈沖，則電機軸一步接一步地運轉。

本系統采用單片機來控制步進電機，實現了軟件與硬件相結合的控制方法。用軟件代替環形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。系統中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅動線路。由于單片機的強大功能，還可設計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉、反轉、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉、反轉速度等狀態。環形分配器其功能由單片機系統實現，采用軟件編程的辦法實現脈沖的分配。

本方案有以下優點：(1)單片機軟件編程可以使復雜的控制過程實現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)用軟件代替環形分配器，通過對單片機的設定，用同一種電路實現了多相步進電機的控制和驅動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；(3)單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統的交互性。

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，通過調整滑動傳感器的阻值，來實現改變壓力傳感器的壓力數值采集。其中由于所用的芯片較多端口不夠，所以在仿真圖中，沒有附加電機的其他功能，但在系統的實物中附加了步進電機的正轉、反轉、加速、減速、停止等功能，使系統更完善,仿真總電路圖見圖2.3。

2.9揉捻時間控制

茶葉揉捻機時間控制系統設計主要是通過調用程序來設置揉捻時間的長短，從而控制揉捻機的工作。通過設計4個按鍵（A、B、C、D），按一次A鍵系統自動加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，其數值顯示在LCD顯示屏上，從而實現茶葉揉捻機揉捻時間控制系統的設計。

圖2.3 仿真總電路圖

3 軟件設計

軟件部分運用了KEIL uVision4這個編程工具進行軟件的開發和運用Proteus軟件進行硬件仿真調試[10]，用C語言進行編程，從而實現茶葉揉捻機的自動控制系統，系統簡易流程圖見圖3.1。其中，步進電機控制子流程圖見圖3.2，揉捻時間控制子流程圖見圖3.3。

圖3.1 系統主流程圖

圖3.2 步進電機控制子流程圖

4 硬件、軟件調試

4.1硬件調試

對照原理圖，檢查各個元器件的焊接細節及狀況，保證通路接通，接地電平相同，防止虛焊。硬件檢查無問題后，導入測試程序，保證硬件的正常使用。注意以下幾點：一是焊接時要先排版布線再焊接，并仔細檢查，防止不必要的錯誤；二是保證數據的穩定傳輸，傳感器的串行數據線要加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，將寫好的程序導入硬件，進行編譯，觀察是否達到了預期的效果。在程序編譯無錯誤之后，全速運行程序，使LCD數碼管上顯示正常，實現控制系統的仿真設計。

5 結論

本文是基于STC89C52單片機控制系統的設計，通過壓力傳感器檢測到壓力信號，并將信號通過模數轉換處理，再經過STC89C52芯片處理，在LCD1602上顯示壓力值，同時能顯示揉捻時間值。合理設置揉捻時間長短或者調整時間，如果達到運行時間電機就會自動停止轉動，從而實現揉捻時間控制系統的功能設計。

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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目(JA15647)

梁娟(1984年-)，女，講師，主要研究方向：單片機控制技術、圖像處理、視頻監控等；林菡(1984年-)，女，講師，主要研究方向：計算機技術、圖像識別、物聯網技術等；施鍵蘭(1984年-)，女，講師，主要研究方向：計算機算法等。字信號傳入單片機芯片中，采用的是ADC0809芯片，并通過液晶顯示屏將數值顯示出來；二、步進電機控制系統設計，實現電機的正轉、反轉、加速、減速，停止功能的控制；三、揉捻時間控制系統，完成設計時間的設定功能[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，設置中斷，設計并焊接硬件電路，完成設計。

本文著錄格式：梁娟，林菡，施鍵蘭，等. 茶葉揉捻機的自動控制系統設計[J]. 軟件，2017，38（2）：42-46