武夷巖茶做青控制系統(tǒng)研制

劉江平，金心怡

1. 廈門工學(xué)院機(jī)械工程系（廈門 361021）；2. 福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院（福州 350002）

武夷巖茶因其具有特色的“巖骨花香”之“巖韻”被稱為烏龍茶的珍品。武夷巖茶加工工序?yàn)槲颉銮唷鷼⑶唷嗄怼姹骸Ｆ渲凶銮嗍切纬晌湟膸r茶香高味濃特有品質(zhì)的關(guān)鍵工序。制茶師傅根據(jù)青葉、氣候條件而采取相應(yīng)的做青工藝，茶葉品質(zhì)受到茶師的加工經(jīng)驗(yàn)、天氣影響，茶葉品質(zhì)不穩(wěn)定[1-8]。

陳孝照[9]設(shè)計(jì)的烏龍茶連續(xù)做青自動(dòng)控制系統(tǒng)，未考慮做青環(huán)境變化的反饋控制。提出的武夷巖茶做青控制系統(tǒng)，建立武夷巖茶做青專家數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)做青工藝參數(shù)，綜合考慮了做青環(huán)境因子對(duì)茶葉品質(zhì)的影響，應(yīng)用模糊控制方法，調(diào)整工藝參數(shù)，用上位機(jī)程序控制武夷巖茶做青，并使計(jì)算機(jī)做出接近于茶師水平的預(yù)測(cè)和決策，實(shí)現(xiàn)做青智能化控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

武夷巖茶做青機(jī)控制系統(tǒng)是由開關(guān)控制柜、單片機(jī)系統(tǒng)（兩者合稱下位機(jī)系統(tǒng)），上位機(jī)系統(tǒng)組成。

單片機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)做青環(huán)境的溫、濕度的采集、顯示，與上位機(jī)進(jìn)行通信，并通過光電耦合驅(qū)動(dòng)做青機(jī)三相電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、加熱器。開關(guān)控制柜主要包括自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。

上位機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，主要完成做青過程的監(jiān)控、實(shí)時(shí)溫濕度曲線顯示、專家數(shù)據(jù)庫(kù)管理、模糊決策、歷史數(shù)據(jù)查詢、運(yùn)行參數(shù)設(shè)定及與下位機(jī)通訊等功能。

做青智能控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 做青控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)模糊控制器

武夷巖茶做青工藝在綜合做青機(jī)進(jìn)行，按照“吹風(fēng)-搖青-晾青”循環(huán)反復(fù)。研究表明，溫度直接影響著青葉的發(fā)酵進(jìn)程，影響搖青時(shí)間的氣候因子首先是溫度，其次才是相對(duì)濕度；做青相對(duì)濕度影響青葉水分散發(fā)和走水速度，影響晾青時(shí)間的氣候因子首先是濕度，其次是溫度[9-12]。

搖（晾）青模糊控制器采用雙輸入單輸出模式的模糊控制器，以專家數(shù)據(jù)庫(kù)的溫度、濕度為依據(jù)，采集做青現(xiàn)場(chǎng)的溫、濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、模糊推理和模糊判決，調(diào)整搖青和晾青時(shí)間，實(shí)現(xiàn)智能控制。搖（晾）青模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

制茶師傅一般是先根據(jù)品種、季節(jié)、氣候、采摘時(shí)段、鮮葉老嫩程度和萎凋程度，初步定出本批鮮葉合適的萎凋工藝參數(shù)和做青工藝參數(shù)，結(jié)合做青過程的環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度）變化，進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)和決策，調(diào)整做青工藝參數(shù)，直至做青結(jié)束。

采用計(jì)算機(jī)控制做青過程，模擬制茶師傅的模糊決策方式，建立包含各影響因子和工藝參數(shù)的專家數(shù)據(jù)庫(kù)。在專家數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)架內(nèi)，將制茶專家的做青知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)儲(chǔ)存，這種數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)當(dāng)具備能夠自動(dòng)補(bǔ)充和更新功能，使之逐步完善。利用傳感器代替人工感覺檢測(cè)做青環(huán)境參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)分析、判斷和模糊決策，對(duì)既定的做青工藝參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)而達(dá)到最佳工藝狀態(tài)的控制目的。

圖2 搖（晾）青模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

武夷巖茶做青機(jī)智能控制系統(tǒng)的下位機(jī)是主要由AT89S51單片機(jī)系統(tǒng)和電器開關(guān)控制柜構(gòu)成。做青機(jī)智能控制系統(tǒng)下位機(jī)的功能如下：

1) 溫、濕度的采集和LED顯示，選擇DHT90高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出。測(cè)量溫度范圍-40～120 ℃，相對(duì)濕度為0%～100%。

2) 與上位機(jī)進(jìn)行通信，選擇串行接口作為計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信。

3) 控制4路線路，分別是做青機(jī)、加熱器、風(fēng)機(jī)和備用電路；；MOC3041芯片是MOTOROLA公司推出的帶有光耦合的雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器，MOC3041芯片的工作過程：當(dāng)P1.0為低電平時(shí)，MOC3041內(nèi)部導(dǎo)通，G端出現(xiàn)同步觸發(fā)脈沖，載荷設(shè)備啟動(dòng)。當(dāng)P1.0為高電平時(shí)，MOC3041內(nèi)部截止，可控硅斷開，關(guān)閉載荷設(shè)備。系統(tǒng)一共控制4路輸出，分別為搖青機(jī)、加熱器、風(fēng)機(jī)和備用電路。

4) 電氣控制柜實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制切換。開關(guān)控制柜包括4路控制電路，其中2路用于驅(qū)動(dòng)380 V的做青機(jī)的三相異步電動(dòng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)工作，1路用于驅(qū)動(dòng)220 V電熱器工作，另1路備用。控制柜面板上具有：1）手動(dòng)和自動(dòng)切換按鈕；2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)按鈕和指示燈；3）急停按鈕；4）做青機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)的倒順開關(guān)。

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

烏龍茶做青機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)的主要功能如下：

1) 做青工藝參數(shù)的設(shè)定和做青過程的監(jiān)控。

2) 實(shí)時(shí)溫濕度曲線顯示。

3) 根據(jù)做青溫濕度變化，模糊決策，及時(shí)調(diào)整做青工藝。

4) 專家數(shù)據(jù)庫(kù)和工藝數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和管理。

3.1 上位機(jī)的窗體結(jié)構(gòu)

上位機(jī)窗體包括登陸窗體、系統(tǒng)主窗體、專家數(shù)據(jù)庫(kù)窗體、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)窗體、設(shè)置窗體、歷史曲線窗體、添加用戶窗體、修改密碼窗體、幫助窗體共9個(gè)窗體界面。系統(tǒng)主窗體統(tǒng)一協(xié)調(diào)、控制和調(diào)用各個(gè)窗體、模板、函數(shù)等。各窗體之間的調(diào)用及連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 上位機(jī)窗體結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)主窗體

3.2.1 系統(tǒng)主窗體界面設(shè)計(jì)主窗體界面如圖4所示，分成如下幾個(gè)部分。

1) 初始參數(shù)輸入欄

位于左側(cè)。當(dāng)一批鮮葉運(yùn)到茶廠裝進(jìn)綜合做青機(jī)后，用戶可以通過下拉組合框控件（Combo Box），選擇品種（肉桂、水仙等）、嫩度（嫩、中、老）、季節(jié)（春、夏、秋、冬）、氣候（晴、陰、雨）、時(shí)段（早、午、晚）、萎凋程度（輕、中、重）。按下專家數(shù)據(jù)命令按鈕，如果專家數(shù)據(jù)庫(kù)有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，就會(huì)自動(dòng)填入做青工藝參數(shù)中；也可以點(diǎn)擊歷史數(shù)據(jù)命令按鈕，用戶可以查看歷史數(shù)據(jù)庫(kù)有沒有對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)；如果2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)都沒有對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)，用戶可以手動(dòng)輸入做青工藝參數(shù)。

2) 做青工藝欄

位于中部。包括3個(gè)部分：第1部分為自動(dòng)萎凋工藝，第1階段為吹熱風(fēng)（加熱器開、風(fēng)機(jī)開）——翻轉(zhuǎn)（加熱器開、風(fēng)機(jī)開、搖青機(jī)開），根據(jù)需要可以進(jìn)行多次循環(huán)；第2階段為冷卻階段（風(fēng)機(jī)開、加熱器關(guān)、搖青機(jī)關(guān)）；第2部分為做青工藝，依次從第1～第6搖，其中吹風(fēng)時(shí)間由多到少，搖青時(shí)間、晾青時(shí)間由少到多，做青中可以由進(jìn)度條查看該工藝已經(jīng)完成多長(zhǎng)時(shí)間；第3部分為溫度和濕度框，標(biāo)有專家數(shù)據(jù)庫(kù)中該做青工藝的溫度和濕度，方便查看。

3) 設(shè)備運(yùn)行顯示欄

位于右上角。當(dāng)用戶按下開機(jī)后，系統(tǒng)通信成功，設(shè)備開始運(yùn)行，用戶可以直觀地看到當(dāng)前做青機(jī)各個(gè)設(shè)備的開啟情況。某個(gè)設(shè)備如果正在運(yùn)行，其后的指示燈顯紅色狀態(tài)，否則呈灰色狀態(tài)。如果做青中有特殊情況，可以按下暫停按鈕。同時(shí)面板中有實(shí)時(shí)采集的溫度和相對(duì)濕度數(shù)值；面板中的圖形切換，使界面看起來更生動(dòng)。

4) 溫濕度采集欄

位于下方。橫坐標(biāo)為采集時(shí)間，可以調(diào)整，默認(rèn)為8 s。縱坐標(biāo)為溫度和相對(duì)濕度。實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)曲線顯示，可以直觀地告訴用戶做青間各環(huán)境參數(shù)的變化趨勢(shì)，各參數(shù)用不同顏色的曲線實(shí)時(shí)顯示。

5) 模糊控制欄

系統(tǒng)根據(jù)采集的平均溫濕度，與專家數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)工藝的溫濕度對(duì)比，相應(yīng)地調(diào)整搖青和晾青時(shí)間，顯示調(diào)整后的做青工藝參數(shù)差值。如界面中所示，二晾采集的平均溫度為26.1 ℃，相對(duì)濕度為86.9%，而專家數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)定溫度為26 ℃，相對(duì)濕度80%，溫度不變，濕度偏大，應(yīng)略延長(zhǎng)晾青時(shí)間。把二晾時(shí)間由45 min延長(zhǎng)至47.5 min。

6) 菜單欄

包括做青控制（新建控制、暫停、繼續(xù)、進(jìn)入下一階段、停機(jī)、退出）、數(shù)據(jù)庫(kù)（專家數(shù)據(jù)庫(kù)、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史曲線）、設(shè)置（通訊設(shè)置和采集溫、濕度時(shí)間設(shè)置）、用戶管理（添加用戶、修改密碼）、幫助文件。

圖4 武夷巖茶做青控制系統(tǒng)主窗體界面

3.2.2 主界面程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

當(dāng)按下開機(jī)按鈕后，打開串行端口，啟動(dòng)定時(shí)器，循環(huán)執(zhí)行各程序模塊，使控制系統(tǒng)有條不絮的運(yùn)行。程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在做青開始后，保存當(dāng)前時(shí)間為做青開始時(shí)間，同時(shí)也是第一搖吹風(fēng)工藝開始時(shí)間。在做青設(shè)備運(yùn)行模塊中，根據(jù)當(dāng)前工藝階段，開啟對(duì)應(yīng)的做青設(shè)備。做青進(jìn)度條顯示當(dāng)前工藝的完成進(jìn)度。當(dāng)?shù)谝粨u吹風(fēng)工藝時(shí)間結(jié)束，進(jìn)入下一工藝即搖青工藝，依次進(jìn)行直到第六搖晾青工藝結(jié)束，做青結(jié)束，保存做青工藝參數(shù)在做青數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖5 武夷巖茶做青控制系統(tǒng)主窗體程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)調(diào)試與做青試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

上位機(jī)的調(diào)試主要是系統(tǒng)軟件的調(diào)試，以了解上位機(jī)與下位機(jī)的通信是否成功。在茶葉參數(shù)輸入框架中選擇輸入初始參數(shù)：品種——大紅袍、嫩度——嫩、季節(jié)——冬、氣候——晴、采摘時(shí)段——中午、萎凋程度——中，點(diǎn)擊專家數(shù)據(jù)庫(kù)，專家數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)自動(dòng)顯示對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)。

按下“開機(jī)”按鈕，在搖青階段，面板上做青機(jī)指示燈亮，同時(shí)，單片機(jī)的搖青指示燈也亮，溫濕度顯示與上位機(jī)面板上的溫濕度相同，電氣控制柜驅(qū)動(dòng)搖青機(jī)正常工作。說明系統(tǒng)的上、下位機(jī)通信正常。

模糊控制器的調(diào)試，如圖6所示，采集的平均溫度為14.5 ℃，相對(duì)濕度為49.4%，而專家數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)定溫度為15 ℃，相對(duì)濕度75%，做青環(huán)境發(fā)生變化，系統(tǒng)調(diào)用模糊控制器進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到溫度偏差為-0.5 ℃，濕度偏差為-25.6%，然后進(jìn)行模糊判決，得出實(shí)際控制量變值為-0.15 min，微調(diào)工藝后，大紅袍做青第3搖的搖青時(shí)間由3 min縮短為2.85 min。

調(diào)試結(jié)果表明，上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4.2 做青試驗(yàn)驗(yàn)證

在武夷山巖上茶葉研究所進(jìn)行智能控制做青工藝試驗(yàn)。武夷巖茶加工工藝流程為萎凋→做青→殺青→揉捻→烘焙，其操作步驟如下：

鮮葉經(jīng)日光萎凋后置于晾青架攤晾之后，放入綜合做青機(jī)；上位機(jī)輸入以下初始參數(shù)：品種——肉桂；嫩度——中；季節(jié)——秋；天氣——晴；時(shí)段——晚；萎凋程度——中；從專家數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)入做青工藝參數(shù)；啟動(dòng)做青智能控制，直至做青結(jié)束，全程時(shí)間為5.93 h；以手工控制做青為對(duì)照，做青結(jié)束后，統(tǒng)一進(jìn)行滾筒殺青，單動(dòng)單柱式揉捻機(jī)進(jìn)行揉捻，自動(dòng)百葉鏈板式烘干機(jī)烘干成毛茶。

如表1所示，智能控制在工藝參數(shù)的控制趨勢(shì)上與手工控制基本一致。2種做青方式得到的毛茶，經(jīng)感官審評(píng)后，均達(dá)到特級(jí)肉桂標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 武夷巖茶做青控制系統(tǒng)調(diào)試界面

表1 不同做青方法工藝參數(shù)對(duì)比表

5 結(jié)論

試驗(yàn)表明，模糊控制能很好地處理生產(chǎn)中不確定的環(huán)境參數(shù)變化帶來的影響，自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整工藝參數(shù)調(diào)整，與人工控制趨勢(shì)基本一致，減少人工參與，有利于茶葉品質(zhì)的穩(wěn)定。做青控制系統(tǒng)可保存大量地生產(chǎn)數(shù)據(jù)，伴隨著歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的積累和專家數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)化，等于也在不斷積累經(jīng)驗(yàn)，滿足茶葉品質(zhì)穩(wěn)定性要求。上位機(jī)界面提供了生動(dòng)操作界面，操作功能豐富，這是單片機(jī)控制系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)不足之處在于巖茶品種眾多，工藝數(shù)據(jù)庫(kù)需要不斷完善。