基于LabVIEW和Arduino的茶葉紅外殺青機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虞文俊 熊愛華 劉仲壽 裴 剛 羅 斌 金山峰 黃超強(qiáng) 楊普香 吳瑞梅

(1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045；2. 江西省蠶桑茶葉研究所，江西 南昌 330203)

殺青是綠茶初制加工的第一道工序，也是影響綠茶品質(zhì)的關(guān)鍵工序，通過高溫破壞和鈍化鮮茶葉中氧化酶活性，抑制鮮葉中茶多酚等成分的酶促氧化，使鮮葉中大部分水分蒸發(fā)[1]。茶葉殺青過程中溫濕度控制大多由制茶師憑經(jīng)驗(yàn)控制，溫濕度控制波動(dòng)大，易使鮮茶葉受熱不均勻，導(dǎo)致鮮葉殺青不勻透，產(chǎn)生高溫爆點(diǎn)、焦邊、悶黃等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響茶葉品質(zhì)。近來，一些研究者開發(fā)茶葉殺青機(jī)控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)茶葉殺青過程參數(shù)的自動(dòng)控制。葛良志等[2]利用PLC開發(fā)板研發(fā)了茶葉滾筒殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng)。彭秀英等[3]也利用PLC開發(fā)板研發(fā)了茶葉滾筒殺青機(jī)溫度控制系統(tǒng)。PLC開發(fā)板費(fèi)用較高，增加了裝置的成本，且上述研究只對(duì)單一殺青溫度進(jìn)行控制，而滾筒內(nèi)濕度過高，會(huì)使殺青葉悶黃，嚴(yán)重影響茶葉品質(zhì)。因此，滾筒內(nèi)的溫濕度同時(shí)控制才能更好保證茶葉品質(zhì)。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國國家儀器公司開發(fā)的一種硬件軟件化的檢測儀器設(shè)計(jì)開發(fā)軟件[4]，是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境[5]，在該軟件中調(diào)用相關(guān)函數(shù)，可完成數(shù)值分析、信號(hào)處理和設(shè)備驅(qū)動(dòng)等功能，數(shù)據(jù)采集和處理能力功能強(qiáng)大，界面友好，常用于測量、控制儀器或系統(tǒng)組件的控制[6-8]。Arduino 是一個(gè)開源的單片機(jī)電子設(shè)計(jì)平臺(tái)，使用簡單、成本低、尺寸小，便于搭建各種控制平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)與農(nóng)業(yè)機(jī)械控制領(lǐng)域[9-11]。鄔娟等[12]以LabVIEW為上位機(jī)，Arduino為下位機(jī)，研發(fā)了一種羊只反芻行為的無線采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對(duì)羊只反芻信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲(chǔ)等，實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)測羊只反芻行為的功能，提高了羊只的生產(chǎn)能力和養(yǎng)羊業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。玄兆燕等[13]運(yùn)用LabVIEW和Arduino分別作為上、下位機(jī)，研發(fā)了農(nóng)田環(huán)境信息采集系統(tǒng)，通過對(duì)光照度、空氣溫濕度、土壤濕度等進(jìn)行快速采集、顯示，為專家進(jìn)行分析及決策提供了數(shù)據(jù)平臺(tái)，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境的采集。楊培剛[14]以LabVIEW控制平臺(tái)完成了大功率液壓負(fù)載模擬試驗(yàn)，通過控制系統(tǒng)對(duì)壓力、流量等的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)挖掘機(jī)負(fù)載的模擬。徐旻晟等[15]也基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套金槍魚漁船超低溫冷庫制冷監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、顯示、處理和保存等，該系統(tǒng)操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定。

本研究擬采用LabVIEW為上位機(jī)，Arduino為下位機(jī)，開發(fā)茶葉紅外殺青機(jī)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)殺青滾筒內(nèi)溫度、濕度和滾筒轉(zhuǎn)速的同時(shí)控制。該系統(tǒng)由Arduino采集溫度和濕度傳感器信息，將采集數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)LabVIEW進(jìn)行顯示、分析和處理后，再發(fā)送控制指令給Arduino，進(jìn)而調(diào)整殺青滾筒內(nèi)紅外管工作的根數(shù)和排濕風(fēng)扇的正反轉(zhuǎn)，達(dá)到滾筒內(nèi)溫濕控制的目的。該系統(tǒng)通過控制滾筒的正反轉(zhuǎn)，使鮮茶葉在滾筒內(nèi)來回翻轉(zhuǎn)及軸向運(yùn)動(dòng)，使鮮茶葉殺青均勻。

1 茶葉紅外殺青機(jī)的總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

茶葉紅外殺青機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)裝置由機(jī)架、滾筒、紅外加熱系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成。滾筒由托輪支撐在支架上，滾筒內(nèi)壁焊接有螺旋葉片以輸送鮮茶葉。紅外加熱系統(tǒng)由1根不銹鋼空心管和2個(gè)半橢圓形法蘭盤組成。不銹銅空心管懸掛于滾筒中心，2個(gè)半橢圓形法蘭盤分別安裝在空心管兩端，法蘭盤上開有5個(gè)通孔，紅外輻射管安裝在法蘭盤的通孔中；法蘭盤上半部固定有半圓弧不銹鋼薄片，以防止鮮茶葉在滾筒內(nèi)壁上升過程中掉在輻射管上而燒焦。在腔內(nèi)空心軸部分鉆2個(gè)小孔，紅外傳感器和溫濕度傳感器的接線從控制柜由空心軸穿過，懸掛在空心管上。鮮茶葉進(jìn)料和出料在滾筒右端完成，由大電機(jī)的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)滾筒進(jìn)行正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，使鮮茶葉在滾筒內(nèi)來回殺青。排濕風(fēng)扇用螺栓安裝在帶輪上的右側(cè)面，由帶傳動(dòng)帶動(dòng)風(fēng)扇的正反轉(zhuǎn)。

1.2 工作原理

首先，在控制面板上設(shè)定滾筒內(nèi)規(guī)定的殺青溫度上下限值、滾筒內(nèi)殺青濕度上下限值和殺青時(shí)間。點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，滾筒開始反向轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)開啟紅外管，將滾筒預(yù)熱，當(dāng)滾筒內(nèi)當(dāng)前溫度值達(dá)到殺青溫度時(shí)，將鮮茶葉倒入滾筒，鮮茶葉在滾筒內(nèi)翻轉(zhuǎn)并沿軸向前進(jìn)，吸收紅外輻射熱量，進(jìn)行殺青。當(dāng)腔內(nèi)溫度超過殺青溫度規(guī)定的上限值時(shí)，關(guān)閉其中的數(shù)根紅外管，當(dāng)腔內(nèi)溫度低于殺青溫度規(guī)定下限值時(shí)，再次開啟其中的數(shù)根紅外管，保證腔內(nèi)溫度保持在上限值和下限值之間。鮮茶葉由滾筒的正反轉(zhuǎn)在滾筒內(nèi)來回運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)滾筒內(nèi)當(dāng)前濕度值超過濕度規(guī)定上限值時(shí)，風(fēng)扇反轉(zhuǎn)，排出濕氣，當(dāng)?shù)陀跐穸纫?guī)定下限值時(shí)，風(fēng)扇停止工作。工作到指定殺青時(shí)間后，滾筒反向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)滾筒轉(zhuǎn)速增大，風(fēng)扇同時(shí)正轉(zhuǎn)并加大轉(zhuǎn)速，輔助殺青葉迅速出葉。

1. 機(jī)架 2. 風(fēng)扇罩 3. 排濕風(fēng)扇 4. 滾筒 5. 紅外加熱系統(tǒng) 6. 傳感系統(tǒng) 7. 進(jìn)料斗 8. 出料斗 9. 托輪 10. 大電機(jī) 11. 小鏈輪 12. 鏈條 13. 大鏈輪 14. 小電機(jī) 15. 皮帶 16. 控制系統(tǒng)

圖1 茶葉紅外殺青機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

Figure 1 Schematic diagram of tea cylinder water-removing machine using infrared source

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、Arduino UNO開發(fā)板、固態(tài)繼電器模塊、交流接觸器、max6675測溫模塊、Dht11溫濕度傳感器、電壓放大模塊、變頻器等組成，硬件系統(tǒng)電路見圖2所示。其工作原理如下：Arduino UNO開發(fā)板將采集到的溫度、濕度信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，由LabVIEW程序進(jìn)行顯示、處理，處理后的結(jié)果再傳輸給Arduino UNO開發(fā)板，開發(fā)板輸出控制信號(hào)控制繼電器，繼電器控制變頻器和交流接觸器的開閉，變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來控制滾筒正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和排濕風(fēng)扇正反轉(zhuǎn)，交流接觸器控制紅外管的開停。

3 茶葉紅外殺青機(jī)控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本研究采用Arduino開發(fā)板為下位機(jī)、LabVIEW為上位機(jī)開發(fā)茶葉紅外殺青機(jī)控制系統(tǒng)，利用LabVIEW完成控制系統(tǒng)的前面板和控制程序設(shè)計(jì)，具體實(shí)現(xiàn)功能如下：

(1) 殺青機(jī)的啟動(dòng)和停止，當(dāng)殺青過程出現(xiàn)故障也可實(shí)現(xiàn)急停。

(2) 排濕風(fēng)扇的正反轉(zhuǎn)和急停。

(3) 自動(dòng)完成殺青滾筒內(nèi)溫度和濕度的采集。

(4) 實(shí)時(shí)顯示殺青滾筒內(nèi)的溫度和濕度值，并顯示出滾筒內(nèi)實(shí)時(shí)溫度和濕度的波形圖、歷史溫度和濕度的平均值、最大值和最小值。

圖2 硬件電路原理圖

(5) 對(duì)比分析滾筒內(nèi)實(shí)測濕度值與殺青濕度規(guī)定值的上限值和下限值，若實(shí)測濕度比下限值小，則排濕風(fēng)扇不開啟。若實(shí)測濕度比上限濕度高，排濕風(fēng)扇開啟，進(jìn)行排濕。若實(shí)測濕度在規(guī)定上限值和下限值之間，則排濕風(fēng)扇保持原有狀態(tài)。

(6) 對(duì)比分析滾筒內(nèi)實(shí)測溫度值與殺青滾筒溫度規(guī)定值的上限值和下限值，若實(shí)測溫度比下限溫度小，則1、2組紅外管保持加熱狀態(tài)，同時(shí)可點(diǎn)擊前面板上的3、4、5組紅外管開啟按鈕，使3組中的1組或多組紅外管保持加熱狀態(tài)；若實(shí)測溫度比上限值高，則1、2組紅外管停止加熱，同時(shí)可點(diǎn)擊前面板上的3、4、5組紅外管停止按鈕，使3組中的1組或多組紅外管停止加熱。若實(shí)測溫度在上限值和下限值之間，則1、2組紅外管保持原來狀態(tài)，3、4、5組紅外管可根據(jù)殺青情況進(jìn)行開啟或關(guān)閉操作。

(7) 鮮茶葉在殺青過程中，殺青滾筒保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)殺青結(jié)束時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速增大，使殺青葉迅速出葉。

4 殺青機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

4.1 LabVIEW前面板框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前面板框架中的控件分為輸入控件和顯示控件，如圖3所示。輸入控件包括開始/停止按鈕、滾筒和風(fēng)扇急停按鈕、紅外管啟閉按鈕、濕度和溫度上限值和下限值設(shè)置框、滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)置框、殺青時(shí)間設(shè)置框以及滾筒模式變換間隔設(shè)置框。顯示控件包括運(yùn)行時(shí)間顯示框、實(shí)測溫度波形圖標(biāo)及顯示框和顯示計(jì)、實(shí)測濕度波形圖標(biāo)及顯示框和顯示計(jì)、溫度的歷史最大值和最小值及平均值顯示框、濕度的歷史最大值和最小值及平均值顯示框、紅外管的運(yùn)行狀態(tài)顯示框、滾筒轉(zhuǎn)速顯示框、滾筒和風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)顯示框、串口顯示框和紅外管工作根數(shù)顯示框。

4.2 LabVIEW控制程序設(shè)計(jì)

4.2.1 自動(dòng)搜尋連接串口程序設(shè)計(jì) 本控制系統(tǒng)以LabVIEW控制平臺(tái)為上位機(jī)，由USB轉(zhuǎn)串口線連接下位機(jī)。點(diǎn)擊控制面板開始按鈕，LabVIEW系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用子VI[圖4(a)]，搜尋所連接的串口，并將串口號(hào)顯示在前面板中。子VI的部分程序設(shè)計(jì)見圖4(b)。

圖3 茶葉紅外殺青機(jī)前面板

圖4 搜尋串口程序和子VI程序框圖

4.2.2 滾筒內(nèi)溫度采集、顯示及紅外管根數(shù)控制程序設(shè)計(jì)

(1) 滾筒內(nèi)溫度采集及顯示程序設(shè)計(jì)：在“狀態(tài)機(jī)”(while循環(huán)+條件結(jié)構(gòu))模式下，采用LabVIEW軟件自帶的VISA函數(shù)，對(duì)下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送控制指令。首先，調(diào)用VISA設(shè)備清零函數(shù)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，再調(diào)用VISA寫入函數(shù)，將控制指令0x55A110發(fā)送給下位機(jī)(控制指令采用“幀頭+操作碼”的通信協(xié)議，0x55A1為幀頭，操作碼0x10為溫度采集，下均同)，下位機(jī)控制溫度傳感器采集溫度，延時(shí)300 ms，再調(diào)用VISA讀取函數(shù)，讀取下位機(jī)上傳過來的溫度數(shù)據(jù)，在當(dāng)前溫度值顯示框、顯示計(jì)中顯示。溫度采集、顯示程序設(shè)計(jì)如圖5(a)所示。

(2) 紅外管根數(shù)控制程序設(shè)計(jì)： 采用“順序結(jié)構(gòu)+條件結(jié)構(gòu)”調(diào)整5組紅外管的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)滾筒內(nèi)當(dāng)前溫度值高于上限值時(shí)，LabVIEW控制平臺(tái)向下位機(jī)發(fā)送0x55A108控制指令，1、2組紅外管自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)滾筒內(nèi)當(dāng)前溫度值低于溫度下限值時(shí)，LabVIEW控制平臺(tái)向下位機(jī)發(fā)送0x55A132控制指令，1、2組紅外管自動(dòng)開啟。根據(jù)滾筒內(nèi)鮮茶葉殺青情況，依次點(diǎn)擊3、4、5組紅外管開關(guān)按鈕。當(dāng)點(diǎn)擊其中的1組或多組紅外管啟動(dòng)按鈕時(shí)， LabVIEW控制平臺(tái)向下位機(jī)發(fā)送0x55A134和0x55A138控制指令，開啟相應(yīng)的紅外管；當(dāng)滾筒內(nèi)溫度過高，點(diǎn)擊其中的1組或多組紅外管停止按鈕，LabVIEW控制平臺(tái)向下位機(jī)發(fā)送0x55A136和0x55A140控制指令，關(guān)閉相應(yīng)的紅外管。紅外管運(yùn)行狀態(tài)確定后，紅外管工作根數(shù)顯示框中會(huì)顯示當(dāng)前紅外管工作的根數(shù)。圖5(b)為開關(guān)紅外管程序設(shè)計(jì)。

4.2.3 濕度采集、顯示及風(fēng)扇排濕控制程序設(shè)計(jì)

(1) 滾筒內(nèi)濕度采集及顯示程序設(shè)計(jì)：濕度采集和顯示程序設(shè)計(jì)原理與溫度采集和顯示相似。首先調(diào)用VISA設(shè)備清零函數(shù)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，再調(diào)用VISA寫入函數(shù)，將控制指令0x55A111發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)控制濕度傳感器采集濕度。延時(shí)300 ms，再調(diào)用VISA讀取函數(shù)，讀取下位機(jī)上傳過來的濕度數(shù)據(jù)，并在當(dāng)前濕度值顯示框、顯示計(jì)中顯示。濕度采集、顯示程序設(shè)計(jì)見圖6(a)。

(2) 風(fēng)扇排濕控制程序設(shè)計(jì)：當(dāng)濕度值高于濕度上限值時(shí)，LabVIEW控制平臺(tái)向下位機(jī)發(fā)送0x55A102控制指令，使排濕風(fēng)扇正轉(zhuǎn)，排出濕氣；當(dāng)濕度值低于濕度下限值時(shí)，LabVIEW控制平臺(tái)向下位機(jī)發(fā)送0x55A103控制指令，排濕風(fēng)扇停止工作。排濕風(fēng)扇控制程序設(shè)計(jì)見圖6(b)。

4.2.4 滾筒正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制

(1) 滾筒正反轉(zhuǎn)程序設(shè)計(jì)：使用“順序結(jié)構(gòu)+條件結(jié)構(gòu)”實(shí)現(xiàn)滾筒正反轉(zhuǎn)控制，當(dāng)殺青運(yùn)行時(shí)間與滾筒模式變換間隔時(shí)間(由滾筒轉(zhuǎn)速確定)比值的余數(shù)為0時(shí)，向“條件結(jié)構(gòu)”輸入一個(gè)“假值”，此時(shí)LabVIEW控制平臺(tái)向下位機(jī)發(fā)送0x55A104控制指令，滾筒反轉(zhuǎn)。當(dāng)殺青進(jìn)行一段時(shí)間，殺青運(yùn)行時(shí)間逐漸延長，當(dāng)兩者比值的余數(shù)為1時(shí)，向“條件結(jié)構(gòu)”輸入一個(gè)“真值”，此時(shí)LabVIEW控制平臺(tái)向下位機(jī)發(fā)送0x55A106控制指令，使?jié)L筒正轉(zhuǎn)，以此類推，滾筒依次實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)殺青時(shí)間超過規(guī)定殺青時(shí)間時(shí)，LabVIEW控制平臺(tái)向下位機(jī)發(fā)送0x55A106控制指令，使?jié)L筒正轉(zhuǎn)，同時(shí)滾筒轉(zhuǎn)速增大，并向下位機(jī)發(fā)送0x55A106控制指令，使排濕風(fēng)扇正轉(zhuǎn)，加快排葉過程。圖7(a)為滾筒正轉(zhuǎn)程序設(shè)計(jì)圖，圖7(b)為滾筒反轉(zhuǎn)程序設(shè)計(jì)圖。

圖5 滾筒內(nèi)溫度采集與顯示程序、紅外管開啟程序和紅外管關(guān)閉程序框圖

Figure 5 The program flowchart of acquisition and display of temperature the program flowchart of opening infrared tube and the program flowchart of closing infrared tubes off

圖6 濕度采集與顯示程序和排濕風(fēng)扇控制程序框圖

Figure 6 The program flowchart of the acquisition and display of humidity and the program flowchart of moisture removal fan

(2) 滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序設(shè)計(jì)：在調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)速輸入控件中輸入需調(diào)整值(0～255)后，調(diào)用VISA寫入函數(shù)輸入到下位機(jī)，下位機(jī)運(yùn)用該值作為PWM的輸出，再經(jīng)過電壓放大模塊進(jìn)行放大后，將電壓值輸入給變頻器，進(jìn)而調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速。因?yàn)殡妷?～5 V對(duì)應(yīng)的PWM值為0～255，Arduino UNO R3輸入電壓為5 V，而變頻器調(diào)壓范圍為0～10 V，所以需要電壓放大模塊進(jìn)行放大，經(jīng)過轉(zhuǎn)化運(yùn)算，即可在對(duì)應(yīng)滾筒轉(zhuǎn)速顯示框中顯示出滾筒轉(zhuǎn)速。圖7(c)為調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速的程序設(shè)計(jì)圖。

5 殺青機(jī)程序調(diào)試及茶葉品質(zhì)感官審評(píng)

經(jīng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，殺青機(jī)在控制系統(tǒng)的控制下，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，溫濕度檢測靈敏度高，反應(yīng)速度快，可使鮮茶葉在殺青過程中，滾筒內(nèi)溫度和濕度值控制在規(guī)定范圍內(nèi)。鮮茶葉經(jīng)本殺青機(jī)自動(dòng)殺青后，再經(jīng)揉捻、烘干工序，初制的茶葉經(jīng)評(píng)茶師感官審評(píng)，結(jié)果為茶葉顏色翠綠、滋味醇厚、帶有清香。

圖7 滾筒正反轉(zhuǎn)程序和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序框圖

Figure 7 The program flowchart of positive rolling, the program flowchart of inverse rolling and the program flowchart of regulating roller speed

6 結(jié)論

本研究通過LabVIEW和Arduino相結(jié)合，開發(fā)了一套茶葉紅外殺青機(jī)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低，可快速同時(shí)調(diào)控滾筒內(nèi)的溫度和濕度，使?jié)L筒內(nèi)的溫度和濕度保持在規(guī)定值內(nèi)，控制系統(tǒng)同時(shí)能實(shí)現(xiàn)滾筒的正反轉(zhuǎn)，使殺青葉在滾筒內(nèi)來回運(yùn)轉(zhuǎn)，保證殺青均勻。經(jīng)過樣機(jī)殺青實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有良好的茶葉殺青效果。