陳 成，桑 普，王書(shū)范，王 誠(chéng)，鐘建偉，2，廖紅華*

(1.湖北民族大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 恩施 445000；2.金皇電氣科技(恩施)有限公司，湖北 恩施 445000)

富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)是一種專門用于加工富硒綠茶的工具，主要是通過(guò)一系列自動(dòng)化工序?qū)Ω晃G茶進(jìn)行塑形、失水、顯毫和提香，最后制作成特別美觀的條狀，對(duì)富硒綠茶品質(zhì)的提升起著重要作用[1-3].富硒綠茶中含有豐富的硒元素，可以有效地凈化毒素、防癌抗癌[4]，但是在加工富硒綠茶的過(guò)程中，加工參數(shù)的差異會(huì)造成不同程度的硒流失[5]，這對(duì)富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)的控制系統(tǒng)及其理?xiàng)l參數(shù)控制精度提出了很高的要求.目前市面上主流的富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)多為振動(dòng)式，且在進(jìn)行理?xiàng)l操作時(shí)需要人工輔助操作，人機(jī)交互功能不完善，難以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化富硒綠茶理?xiàng)l.此外，振動(dòng)式富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)還有理?xiàng)l效率偏低、理?xiàng)l參數(shù)控制精度難以達(dá)到富硒綠茶的質(zhì)量要求等缺點(diǎn)[6-8].為了增強(qiáng)富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)的人機(jī)交互性，任桂英等[9]研究了PLC(programmable logic controller)及工控元件組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)，并將其投入到富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)組中使用，在一定程度上增強(qiáng)了富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)的人機(jī)交互性，但是使用PLC對(duì)富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)進(jìn)行改造的成本偏高.尹凌鵬[10]設(shè)計(jì)了基于PLC的茶葉定量理?xiàng)l控制系統(tǒng)，配備此類控制系統(tǒng)的茶葉理?xiàng)l機(jī)能夠?qū)Σ枞~理?xiàng)l時(shí)間以及進(jìn)行理?xiàng)l的茶葉質(zhì)量進(jìn)行設(shè)置，但是難以滿足特定的三段式富硒綠茶控溫理?xiàng)l工藝，且在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)富硒綠茶理?xiàng)l狀態(tài)與反饋方面有較大欠缺.吳海紅[11]設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，為富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)溫度控制方面的改造提供了新的思路.

因此，本文根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)了一種基于STC8A8K64S4A12單片機(jī)的富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)人機(jī)界面系統(tǒng)，具有溫度控制精確、理?xiàng)l時(shí)間和電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)可調(diào)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)理?xiàng)l狀態(tài)并反饋等優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上為后續(xù)的富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)的升級(jí)與改造奠定基礎(chǔ).

1 富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)控制系統(tǒng)工作原理

所設(shè)計(jì)的富硒綠茶理?xiàng)l控制系統(tǒng)包括STC8A8K64S4A12單片機(jī)、感應(yīng)線圈、富硒綠茶電磁理?xiàng)l加工機(jī)架及外設(shè)、槽鍋升降電機(jī)、槽鍋橫向運(yùn)動(dòng)電機(jī)、溫度采集電路、濕度采集電路與HMI串口觸摸屏.該系統(tǒng)工作原理如圖1所示.

圖1 茶葉理?xiàng)l機(jī)控制系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of the tea shaping control system

富硒綠茶理?xiàng)l控制系統(tǒng)以STC8A8K64S4A12單片機(jī)為核心，在HMI串口觸摸屏上輸入富硒綠茶理?xiàng)l參數(shù)，參數(shù)信息會(huì)通過(guò)RS232串行接口傳輸至STC8A8K64S4A12單片機(jī)內(nèi).STC8A8K64S4A12單片機(jī)會(huì)根據(jù)接收到的參數(shù)信息，經(jīng)由PWM(pulse width modulation)控制模塊輸出PWM信號(hào)控制IGBT(insulated gate bipolar transistor)驅(qū)動(dòng)電路，從而加熱感應(yīng)線圈.通過(guò)諧振電流采樣電路采集電流信息傳輸至ADC(analog-to-digital converter)模塊，利用槽鍋升降控制模塊控制理?xiàng)l機(jī)的槽鍋升降電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng).通過(guò)DAC(digital-to-analog converter)模塊連接調(diào)速電路，調(diào)節(jié)槽鍋橫向運(yùn)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速.用溫度采集電路與濕度采集電路將采集到的數(shù)據(jù)傳回STC8A8K64S4A12單片機(jī)，隨后由串口屏控制模塊通過(guò)RS232串行接口將這些數(shù)據(jù)傳至HMI串口觸摸屏內(nèi)，最終在HMI串口觸摸屏上顯示出來(lái).

1.1 HMI串口觸摸屏選型

人機(jī)界面(human machine interface,HMI)是人與機(jī)器信息交互的重要媒介，能夠?qū)C(jī)器語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為人們能夠理解的形式，被廣泛運(yùn)用于各類機(jī)器智能化與自動(dòng)化的改造中[12].HMI串口觸摸屏是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能的主要工具，在智能化行業(yè)已有取代傳統(tǒng)機(jī)械式操控器件的趨勢(shì)[13]，其硬件系統(tǒng)是由HMI液晶顯示屏、HR2046顯示屏控制器、各類存儲(chǔ)器、GD32F103RBT6微處理器以及RS232串行接口電路等部分組成的.其中存儲(chǔ)器包括基于25Q256JVFQ芯片的Flash閃存存儲(chǔ)器,基于Winbond W9864G6KH-6芯片的SDRAM (synchronous dynamic random access memory)同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，基于ATMEL 24C08NSU27的帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory).HMI串口觸摸屏硬件框圖如圖2所示.

圖2 HMI串口觸摸屏硬件框圖Fig.2 Block diagram of HMI serial touch screen hardware

選用TJC8048K070_011R型號(hào)的HMI串口觸摸屏，其分辨率通常為800×480像素，波特率為9 600 bit/s，工作電壓允許范圍為4.65～6.55 V，工作電流為510 mA，正常工作的溫度范圍在-20～70 ℃內(nèi)，擁有8路拓展IO口.其主控芯片為GD32F103R8T6，最高頻率可以達(dá)到72 MHz，主要負(fù)責(zé)對(duì)控制、通信等系統(tǒng)模塊進(jìn)行調(diào)度.

1.2 單片機(jī)介紹

控制系統(tǒng)單片機(jī)選用STC8A8K64S4A12，該單片機(jī)擁有8K字節(jié)的片內(nèi)RAM，64 K字節(jié)的片內(nèi)Flash，4個(gè)互相獨(dú)立的串口外設(shè)UART(universal asynchronous receiver/transmitter)，15路轉(zhuǎn)換精度為12位的ADC，9個(gè)定時(shí)器以及12路PWM，其中有8路是15位帶死區(qū)控制的PWM，4路是10位CCP(capture，compare，pulse width modulation)的PWM.溫度范圍在-40～85 ℃，并且具有內(nèi)部晶振，無(wú)需搭建復(fù)位電路.

2 HMI串口觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)的實(shí)際功能需求，利用人機(jī)界面設(shè)計(jì)軟件USART HMI(universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter human machine interface)對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括密碼登錄界面、參數(shù)設(shè)置界面、主界面、運(yùn)行監(jiān)控界面以及出錯(cuò)報(bào)警界面，系統(tǒng)界面結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)界面結(jié)構(gòu)Fig.3 Block diagram of system interface structure

首先需要設(shè)計(jì)的是界面的背景，在網(wǎng)上挑選合適的圖片將其下載下來(lái)，此時(shí)可以直接在USART HMI中將這個(gè)圖片導(dǎo)入并設(shè)為背景，然后在軟件中繼續(xù)對(duì)圖片進(jìn)行編輯以及頁(yè)面布局等操作，但是為了方便與節(jié)約時(shí)間，所以選擇在Visio中對(duì)此圖片進(jìn)行編輯，在圖片上方添加標(biāo)題，在圖片中部畫出相應(yīng)的網(wǎng)格線以區(qū)分模塊，在圖片下方或角落挑選出合適的位置放置開(kāi)始、暫停、結(jié)束等圖標(biāo)，隨后再將編輯好的圖片作為背景在軟件中添加進(jìn)去，最后在軟件中根據(jù)圖片上的位置布局添加文本框、按鍵或按鈕，并對(duì)按鍵按鈕進(jìn)行功能定義.HMI界面設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示.

圖4 HMI界面設(shè)計(jì)流程Fig.4 Flow chart of HMI interface design

3 STC8A8K64S4A12單片機(jī)控制流程

HMI串口觸摸屏與單片機(jī)之間采取串行通訊的方式，STC8A8K64S4A12單片機(jī)在主控板上經(jīng)MAX232芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，再與HMI串口觸摸屏的RS232串行接口連接，具體連接方式如圖5所示.

圖5 HMI串口觸摸屏與單片機(jī)的連接方式Fig.5 Connection mode between HMI serial touch screen and single chip microprocessor

在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)自動(dòng)理?xiàng)l的實(shí)際流程，此流程的先后順序?yàn)椋菏紫让艽a驗(yàn)證，其次輸入?yún)?shù)，隨后茶葉理?xiàng)l機(jī)開(kāi)始自動(dòng)理?xiàng)l并對(duì)理?xiàng)l參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋，最后當(dāng)各項(xiàng)理?xiàng)l參數(shù)均已達(dá)成時(shí)結(jié)束理?xiàng)l，如圖6所示.

圖6 程序流程Fig.6 The software flow diagram

1) 輸入初始密碼與密碼驗(yàn)證.在密碼登錄界面輸入密碼時(shí)，會(huì)有一串指令或字符串發(fā)送到單片機(jī)，隨后通過(guò)相應(yīng)程序的運(yùn)行或計(jì)算再將指令返回至HMI串口觸摸屏，最后對(duì)界面內(nèi)容進(jìn)行刷新[14].并不是簡(jiǎn)單地密碼輸入框中多出幾個(gè)數(shù)字，單片機(jī)會(huì)根據(jù)接收到的信息對(duì)輸入密碼的正誤進(jìn)行判斷，如果密碼正確，則進(jìn)入主界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，反之則報(bào)錯(cuò)，直至密碼輸入正確為止.

2) 初始參數(shù)設(shè)置及修改.根據(jù)特定的三段式富硒綠茶控溫理?xiàng)l工藝要求，在富硒綠茶理?xiàng)l控制系統(tǒng)中先設(shè)置初始理?xiàng)l參數(shù)，如各溫區(qū)的溫度、理?xiàng)l時(shí)間、理?xiàng)l電機(jī)轉(zhuǎn)速等，在操作時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)初始參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的修改以達(dá)到更好的理?xiàng)l效果.

3) 理?xiàng)l狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋.當(dāng)單片機(jī)上電運(yùn)行時(shí)，理?xiàng)l環(huán)境中的溫度與濕度等理?xiàng)l參數(shù)會(huì)先被單片機(jī)采集，隨后其數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)RS232串口發(fā)送給HMI串口觸摸屏，并在指定區(qū)域顯示出來(lái)，當(dāng)達(dá)到理?xiàng)l參數(shù)的要求時(shí)結(jié)束理?xiàng)l.

4 系統(tǒng)調(diào)試

將基于USART HMI設(shè)計(jì)的富硒綠茶理?xiàng)l機(jī)人機(jī)界面文件*.HMI下載到HMI串口觸摸屏，而后進(jìn)行測(cè)試.基于USART HMI設(shè)計(jì)的界面圖及下載到HMI串口觸摸屏中顯示圖如圖7所示.

(a) 基于USART HMI設(shè)計(jì)的開(kāi)機(jī)密碼界面 (b) HMI串口觸摸屏的開(kāi)機(jī)密碼界面

(c) 基于USART HMI設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行界面 (d) HMI串口觸摸屏的系統(tǒng)運(yùn)行界面圖7 基于USART HMI設(shè)計(jì)的界面圖及下載到HMI串口觸摸屏中的顯示圖Fig.7 Interface diagram design by USART HMI and display diagram downloaded to HMI serial touch screen

通過(guò)圖7可知，圖7(a)與圖7(b)、圖7(c)與圖7(d)布局嚴(yán)格一致.經(jīng)測(cè)試其功能，各功能按鍵能正常運(yùn)行.系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試時(shí)，基于STC8A8K64S4A12單片機(jī)的茶葉理?xiàng)l機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行截圖如圖8所示.

圖8 基于STC8A8K64S4A12單片機(jī)的茶葉理?xiàng)l機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行截圖Fig.8 Operation screenshot of tea shaping control system based on STC8A8K64S4A12

圖8中，系統(tǒng)運(yùn)行以溫區(qū)1為例，設(shè)定溫度為300 ℃，實(shí)際溫度為40 ℃；設(shè)定運(yùn)行時(shí)間為4 min，剩余運(yùn)行時(shí)間為228 s；相對(duì)濕度顯示為20%；理?xiàng)l電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值為100 r/min，顯示轉(zhuǎn)速60 r/min.

5 結(jié)語(yǔ)

以富硒綠茶電磁理?xiàng)l控制系統(tǒng)為對(duì)象，利用USART HMI軟件設(shè)計(jì)了一種基于STC8A8K64S4A12單片機(jī)的茶葉理?xiàng)l機(jī)人機(jī)界面，該茶葉理?xiàng)l機(jī)人機(jī)界面具有密碼登錄驗(yàn)證、參數(shù)設(shè)置與反饋、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控與出錯(cuò)報(bào)警功能.單片機(jī)與HMI串口觸摸屏之間采用RS232串行通訊方式，成本低，能實(shí)現(xiàn)HMI串口觸摸屏與單片機(jī)之間數(shù)據(jù)傳遞與信息交互的功能，操作簡(jiǎn)單，易于上手.