液壓式茶餅緊壓機(jī)械的單片機(jī)控制設(shè)計(jì)研究

劉崢（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410208）

液壓式茶餅緊壓機(jī)械的單片機(jī)控制設(shè)計(jì)研究

劉崢
（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410208）

基于茶餅緊壓生產(chǎn)的特征，筆者探討基于單片機(jī)操控的液壓式茶餅緊壓機(jī)械。液壓式茶餅緊壓機(jī)械的單片機(jī)設(shè)計(jì)可利用手動(dòng)編制相應(yīng)的緊壓程序，以此即時(shí)改變茶餅緊壓生產(chǎn)的壓力大小，通過(guò)操控緊壓反彈松弛來(lái)生產(chǎn)不同硬質(zhì)的茶餅產(chǎn)品。

液壓式；茶餅緊壓機(jī)械；單片機(jī)；設(shè)計(jì)

隨著茶餅產(chǎn)品需求量增大，對(duì)茶餅緊壓機(jī)械的要求也越來(lái)越苛刻。當(dāng)前，茶餅緊壓生產(chǎn)主要采取人機(jī)結(jié)合的方式，即“人工緊壓+機(jī)械緊壓”。例如，湖南省地區(qū)采取“踩捆成包”緊壓法為人工緊壓。機(jī)械緊壓法因驅(qū)動(dòng)性質(zhì)不同又包括動(dòng)力裝置與非動(dòng)力裝置兩種。湖南省地區(qū)也采取了摩擦輪壓機(jī)來(lái)緊壓茶餅屬于動(dòng)力裝置范疇，此法在大規(guī)模生產(chǎn)中較為適用。而早期的茶餅生產(chǎn)多采取花磚機(jī)械式螺旋手搖機(jī)和《小型螺桿式緊壓茶葉機(jī)的研制》給出的一手輪螺桿選擇緊壓茶餅設(shè)備，它是一種非動(dòng)力裝置。此非動(dòng)力裝置由省力機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)手動(dòng)操作將茶餅緊壓，裝置的整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單化，操作較為便利，但加工效率不高，僅在小規(guī)模作坊中適用。

1　單片機(jī)的技術(shù)原理與基本結(jié)構(gòu)

1.1技術(shù)原理

單片機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，其內(nèi)部構(gòu)造與普通計(jì)算機(jī)無(wú)太多異處，均配有相似功能的運(yùn)行模塊，如CPU、內(nèi)存處理器、并行總線和其他存儲(chǔ)元件等。他們的不同點(diǎn)在于此元件相較于普通計(jì)算機(jī)性能相對(duì)較弱，且花費(fèi)成本較低，通常不會(huì)高于10塊錢。利用單片機(jī)控制電器設(shè)備的過(guò)程非常復(fù)雜，諸如排煙罩、DVD等點(diǎn)用電器均能發(fā)現(xiàn)單片機(jī)的存在。單片機(jī)主要的功用是整個(gè)電氣設(shè)備核心控制部分的中樞元件。

單片機(jī)單純指控制芯片，其系統(tǒng)主要為達(dá)成對(duì)某個(gè)應(yīng)用程序的控制而設(shè)計(jì)，總體圍繞單片機(jī)控制芯片搭建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也就是我們所講的單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)研發(fā)系統(tǒng)則是指控制芯片開發(fā)與調(diào)試的實(shí)際工具。自單片機(jī)正式出現(xiàn)以來(lái)，其功能不斷得到完善和改進(jìn)，它的應(yīng)用不斷拓展應(yīng)用程序的控制需求，且因單片機(jī)永遠(yuǎn)集成程度好、性能強(qiáng)勁、效率高和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)將完全取代多片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)完成任務(wù)的自我賦予，即具體的執(zhí)行過(guò)程，它通過(guò)若干條執(zhí)行指令將單片機(jī)執(zhí)行操作的各種命令形式記錄，此點(diǎn)正是由設(shè)計(jì)者來(lái)賦予指令具體的內(nèi)容。通常，一條指令代表一種操作方式，單片機(jī)容納所有可執(zhí)行的指令構(gòu)成整套指令系統(tǒng)，而不同的單片機(jī)將用于與眾不同的指令系統(tǒng)。為能夠保證單片機(jī)可以自行完成任務(wù)，需將待解決問題匯編為一組可被單片機(jī)正確識(shí)別與執(zhí)行的指令，完整的指令集合構(gòu)成程序，程序應(yīng)被提前放置于具有存儲(chǔ)性能的元件內(nèi)，即存儲(chǔ)裝置。存儲(chǔ)裝置主要由多組最小存儲(chǔ)單元構(gòu)成，好比建筑物內(nèi)擁有多個(gè)房間類似，所有的指令都將存放于最小存儲(chǔ)單元內(nèi)，取出與執(zhí)行指令即如走進(jìn)建筑物某個(gè)具體房間一樣對(duì)號(hào)入座，每個(gè)最小存儲(chǔ)單元均配有唯一的地址號(hào)，也稱最小存儲(chǔ)單元地址。如此一來(lái)，我們只需知道最小存儲(chǔ)單元地址，即可找到對(duì)應(yīng)的最小存儲(chǔ)單元，相應(yīng)的指令也可被取出和執(zhí)行。

1.2基本結(jié)構(gòu)

1.2.1運(yùn)算裝置。運(yùn)算裝置主要由計(jì)算邏輯元件、累加裝置和寄存裝置構(gòu)成。計(jì)算邏輯元件的功能主要體現(xiàn)于接收數(shù)據(jù)并予以邏輯計(jì)算，其擁有2組八位數(shù)據(jù)作為主要的輸入來(lái)源，即累加裝置與數(shù)據(jù)寄存裝置。計(jì)算邏輯元件將以上2組八位數(shù)據(jù)進(jìn)行“對(duì)比”、“減法”、“加法”或“與”等操作，最終結(jié)果直接存儲(chǔ)于累加裝置。比如說(shuō)，2組八位數(shù)據(jù)6與7進(jìn)行“加法”操作，相加前須將6輸入累加裝置，而7則存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)寄存裝置。執(zhí)行“加法”指令，計(jì)算邏輯元件將6 與7的“加法”操作結(jié)果13輸入累加裝置，以此取代6。計(jì)算裝置主要用于兩項(xiàng)基本功能：其一，執(zhí)行算術(shù)過(guò)程；其二，執(zhí)行邏輯運(yùn)算與測(cè)試。運(yùn)算裝置所有的執(zhí)行過(guò)程都啟動(dòng)于控制裝置的指令信號(hào)。與此同時(shí)，每個(gè)計(jì)算操作過(guò)程得到一個(gè)結(jié)果，每個(gè)邏輯運(yùn)算過(guò)程也將得到一項(xiàng)判決。

1.2.2控制裝置?？刂蒲b置主要由應(yīng)用程序計(jì)數(shù)裝置、指令寄存裝置、指令譯碼裝置、時(shí)序發(fā)生裝置和操作控制裝置構(gòu)成，實(shí)際發(fā)揮著“決策中心”的作用，統(tǒng)籌整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用于智慧作用，其最關(guān)鍵的功能包括由內(nèi)存區(qū)的指令，同時(shí)定位下個(gè)指令的具體位置；測(cè)試、譯碼與輸出對(duì)應(yīng)的操作控制指令，可方便于下一步執(zhí)行操作；指控CPU、內(nèi)存與數(shù)據(jù)接發(fā)裝置之間的信號(hào)走向。微型處理中樞利用并行總線將運(yùn)算裝置、計(jì)數(shù)裝置和寄存裝置等緊密聯(lián)系，同時(shí)利用外部總線和其他存儲(chǔ)裝置、接發(fā)端口電路互聯(lián)。通常，外部總線也可稱之為系統(tǒng)總線，有數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB與控制總線CB三種分類，利用接發(fā)端口電路即可完成系統(tǒng)與其他裝置的互聯(lián)。

1.2.3寄存裝置。累加裝置主要作為微型處理中樞應(yīng)用最多的寄存裝置。執(zhí)行算術(shù)過(guò)程與邏輯運(yùn)算過(guò)程中它具備兩方面的作用：其一，運(yùn)算開始前，記錄操作數(shù)；運(yùn)算完畢，存儲(chǔ)相應(yīng)的運(yùn)算結(jié)果。數(shù)據(jù)寄存裝置經(jīng)數(shù)據(jù)總線即可實(shí)現(xiàn)暫存單元向存儲(chǔ)裝置、接發(fā)信號(hào)裝置取送數(shù)據(jù)的過(guò)程，它也可記錄譯碼指令，也可存儲(chǔ)發(fā)送存儲(chǔ)裝置的數(shù)據(jù)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(shù)等指標(biāo)，指令寄存裝置主要用作存儲(chǔ)正在執(zhí)行的指令集合。比如，某條指令正在執(zhí)行狀態(tài)，可將其其取出并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)寄存裝置，再轉(zhuǎn)發(fā)于指令寄存裝置。如果系統(tǒng)運(yùn)行并執(zhí)行指定的指令，須譯碼操作碼來(lái)確認(rèn)操作，這一過(guò)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(shí)質(zhì)是譯碼裝置的輸入過(guò)程，主要用作定位下條指令的具體地址，從而確保應(yīng)用程序可繼續(xù)執(zhí)行，因而也可將其稱之為指令地址計(jì)數(shù)裝置。應(yīng)用程序運(yùn)行且執(zhí)行指令前應(yīng)將首地址輸入計(jì)算機(jī)，保證可以準(zhǔn)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(dāng)前訪問內(nèi)存單元與I/O裝置地址的記錄工作。

顯而易見，CPU讀取存儲(chǔ)裝置內(nèi)存數(shù)據(jù)、指令或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)都將依靠地址寄存裝置和數(shù)據(jù)寄存裝置發(fā)揮作用。與此同時(shí)，我們將外設(shè)裝置的地址信息視作內(nèi)存地址單元，CPU和外設(shè)裝置實(shí)現(xiàn)信息交換的過(guò)程也離不開地址寄存裝置和數(shù)據(jù)寄存裝置。

2　液壓式茶餅緊壓機(jī)械的工作原理

茶餅緊壓機(jī)械產(chǎn)出產(chǎn)品品質(zhì)的好壞與緊壓程度聯(lián)系緊密，緊壓加工過(guò)程施加壓力過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響茶餅品質(zhì)。茶餅內(nèi)茶葉與氧氣的反應(yīng)是最主要因素，其氧化過(guò)程有賴于“金花”含量多少，太少可能引起茶餅內(nèi)部的“霉化”現(xiàn)象。緊壓加工壓力過(guò)小或施壓時(shí)間過(guò)短，無(wú)法保障徹底的氧化過(guò)程，對(duì)“金花”含量的影響不大，然而因緊壓不足導(dǎo)致茶餅質(zhì)地過(guò)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(nèi)容是整機(jī)工作。本文探討液壓式茶餅緊壓機(jī)械正是考慮到這樣的問題，并輔以緊壓保壓回路，延續(xù)緊壓工序的加工時(shí)間，根據(jù)茶餅類別、溫度和形狀由人工設(shè)置操控系統(tǒng)，即時(shí)改進(jìn)緊壓控制程序。一般地，加工車間室溫維持25℃，緊壓時(shí)間可設(shè)定為60s至120s不等，經(jīng)此處理的茶餅，因緊壓前后的反彈松弛問題被控制，產(chǎn)出的茶餅質(zhì)地良好。

液壓緊壓茶機(jī)械主要包括電氣控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、緊壓模具和機(jī)件等組成部件，而茶餅的緊壓加工工序主要囊括五項(xiàng)內(nèi)容，即裝料、送模、緊壓、退模和落料。液壓式茶餅緊壓機(jī)械的工作原理則是經(jīng)汽蒸處理的茶葉送入緊壓模具內(nèi)，向右推動(dòng)緊壓模具直至極限刻度，由液壓驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)上模向下擠壓，向左推動(dòng)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(cāng)內(nèi)。

3　液壓式茶餅緊壓機(jī)械的單片機(jī)設(shè)計(jì)

3.1液壓部分

液壓式茶餅緊壓機(jī)械實(shí)現(xiàn)茶餅緊壓的送模過(guò)程與退模過(guò)程均由人工操作，僅在緊壓過(guò)程中應(yīng)用液壓系統(tǒng)。因此，液壓系統(tǒng)采取單缸液壓裝置。液壓系統(tǒng)內(nèi)配置一套具有安全保護(hù)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(guò)大，單片機(jī)系統(tǒng)即可按照壓力繼電裝置來(lái)調(diào)節(jié)三位四通電磁閥擺到中位，從而保障整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。液壓系統(tǒng)的實(shí)際工作原理則是啟動(dòng)開啟鍵，液壓回路三位四通電磁閥實(shí)現(xiàn)通電，單缸液壓自上而下運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)活塞桿觸碰行程開關(guān)或液壓回路壓力值超過(guò)設(shè)定壓力值中任意一種情況即可觸發(fā)三位四通電磁閥擺至中位并由報(bào)警系統(tǒng)發(fā)生警報(bào)，整個(gè)壓餅生產(chǎn)流程即刻停止。

3.2電氣部分

液壓式茶餅緊壓機(jī)械的單片機(jī)電氣部分主要具備控制中心、計(jì)時(shí)裝置、報(bào)警系統(tǒng)和其他設(shè)定程序等多項(xiàng)功能。系統(tǒng)采用單片機(jī)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(jiān)控整個(gè)220V電氣部分。該部分的組成構(gòu)件涉及輸入模塊、單片機(jī)模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、電機(jī)控制模塊和繼電模塊控制模塊等多種功能模塊。單片機(jī)模塊則采用89c51芯片，輸入模塊則采用4×4外設(shè)鍵盤（主要用作各類指令輸入或其他相關(guān)控制程序的具體設(shè)定任務(wù)），顯示模塊則采用四位數(shù)碼管設(shè)備（主要用作于屏顯和設(shè)定時(shí)間參數(shù)），報(bào)警模塊則在整個(gè)程序設(shè)定和加工流程完畢即發(fā)出警報(bào)信號(hào)，電機(jī)控制模塊與繼電裝置模塊均采用單片機(jī)裝置（利用光電耦合過(guò)程來(lái)監(jiān)控電機(jī)和繼電裝置的啟閉）。

4　結(jié)束語(yǔ)

總而言之，液壓式茶餅緊壓機(jī)械的單片機(jī)設(shè)計(jì)需要結(jié)合具體生產(chǎn)車間情況、產(chǎn)品類型和產(chǎn)品質(zhì)地等要求來(lái)設(shè)計(jì)。值得注意的是，即使我們引入單片機(jī)輔助加工，也須由人工來(lái)設(shè)定緊壓程序。我們知道，液壓式茶餅緊壓機(jī)械的技術(shù)要點(diǎn)應(yīng)為如何控制茶餅緊壓前后的反彈松弛問題，本文通過(guò)闡述單片機(jī)的技術(shù)原理與基本結(jié)構(gòu)、液壓式茶餅緊壓機(jī)械的工作原理及單片機(jī)設(shè)計(jì)，旨在通過(guò)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(jìn)一步推廣此類機(jī)械產(chǎn)品訂立標(biāo)準(zhǔn)。

［1］周佩鈞，梁讀勇.金剛石壓機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中南礦冶學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（3）：380-384.

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

［3］朱貴憲周顯政.基于單片機(jī)控制的通用電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.安陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（2）7-9，20.

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

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

劉崢，男，湖南瀏陽(yáng)人，碩士，講師，研究方向：機(jī)電一體化，電氣自動(dòng)化。