基于LabVIEW和Arduino的茶葉紅外殺青機控制系統設計

虞文俊 熊愛華 劉仲壽 裴 剛 羅 斌 金山峰 黃超強 楊普香 吳瑞梅

(1. 江西農業大學工學院，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，也是影響綠茶品質的關鍵工序，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[1]。茶葉殺青過程中溫濕度控制大多由制茶師憑經驗控制，溫濕度控制波動大，易使鮮茶葉受熱不均勻，導致鮮葉殺青不勻透，產生高溫爆點、焦邊、悶黃等現象，嚴重影響茶葉品質。近來，一些研究者開發茶葉殺青機控制系統以實現茶葉殺青過程參數的自動控制。葛良志等[2]利用PLC開發板研發了茶葉滾筒殺青機溫度控制系統。彭秀英等[3]也利用PLC開發板研發了茶葉滾筒殺青機溫度控制系統。PLC開發板費用較高，增加了裝置的成本，且上述研究只對單一殺青溫度進行控制，而滾筒內濕度過高，會使殺青葉悶黃，嚴重影響茶葉品質。因此，滾筒內的溫濕度同時控制才能更好保證茶葉品質。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國國家儀器公司開發的一種硬件軟件化的檢測儀器設計開發軟件[4]，是一種圖形化的編程語言和開發環境[5]，在該軟件中調用相關函數，可完成數值分析、信號處理和設備驅動等功能，數據采集和處理能力功能強大，界面友好，常用于測量、控制儀器或系統組件的控制[6-8]。Arduino 是一個開源的單片機電子設計平臺，使用簡單、成本低、尺寸小，便于搭建各種控制平臺，廣泛應用于工業與農業機械控制領域[9-11]。鄔娟等[12]以LabVIEW為上位機，Arduino為下位機，研發了一種羊只反芻行為的無線采集系統，該系統通過對羊只反芻信息進行實時采集、顯示和存儲等，實現了智能監測羊只反芻行為的功能，提高了羊只的生產能力和養羊業的經濟效益。玄兆燕等[13]運用LabVIEW和Arduino分別作為上、下位機，研發了農田環境信息采集系統，通過對光照度、空氣溫濕度、土壤濕度等進行快速采集、顯示，為專家進行分析及決策提供了數據平臺，可廣泛應用于農業環境的采集。楊培剛[14]以LabVIEW控制平臺完成了大功率液壓負載模擬試驗，通過控制系統對壓力、流量等的控制，實現了對挖掘機負載的模擬。徐旻晟等[15]也基于LabVIEW平臺設計開發了一套金槍魚漁船超低溫冷庫制冷監控系統，實現了對數據的實時監測、顯示、處理和保存等，該系統操作簡單、運行穩定。

本研究擬采用LabVIEW為上位機，Arduino為下位機，開發茶葉紅外殺青機控制系統，以實現殺青滾筒內溫度、濕度和滾筒轉速的同時控制。該系統由Arduino采集溫度和濕度傳感器信息，將采集數據上傳至上位機LabVIEW進行顯示、分析和處理后，再發送控制指令給Arduino，進而調整殺青滾筒內紅外管工作的根數和排濕風扇的正反轉，達到滾筒內溫濕控制的目的。該系統通過控制滾筒的正反轉，使鮮茶葉在滾筒內來回翻轉及軸向運動，使鮮茶葉殺青均勻。

1 茶葉紅外殺青機的總體結構及工作原理

1.1 總體結構

茶葉紅外殺青機總體結構如圖1所示。整個裝置由機架、滾筒、紅外加熱系統、傳感系統、驅動系統以及控制系統等組成。滾筒由托輪支撐在支架上，滾筒內壁焊接有螺旋葉片以輸送鮮茶葉。紅外加熱系統由1根不銹鋼空心管和2個半橢圓形法蘭盤組成。不銹銅空心管懸掛于滾筒中心，2個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壁上升過程中掉在輻射管上而燒焦。在腔內空心軸部分鉆2個小孔，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。鮮茶葉進料和出料在滾筒右端完成，由大電機的正反轉驅動滾筒進行正反轉運行，使鮮茶葉在滾筒內來回殺青。排濕風扇用螺栓安裝在帶輪上的右側面，由帶傳動帶動風扇的正反轉。

1.2 工作原理

首先，在控制面板上設定滾筒內規定的殺青溫度上下限值、滾筒內殺青濕度上下限值和殺青時間。點擊啟動按鈕，滾筒開始反向轉動，自動開啟紅外管，將滾筒預熱，當滾筒內當前溫度值達到殺青溫度時，將鮮茶葉倒入滾筒，鮮茶葉在滾筒內翻轉并沿軸向前進，吸收紅外輻射熱量，進行殺青。當腔內溫度超過殺青溫度規定的上限值時，關閉其中的數根紅外管，當腔內溫度低于殺青溫度規定下限值時，再次開啟其中的數根紅外管，保證腔內溫度保持在上限值和下限值之間。鮮茶葉由滾筒的正反轉在滾筒內來回運轉，當滾筒內當前濕度值超過濕度規定上限值時，風扇反轉，排出濕氣，當低于濕度規定下限值時，風扇停止工作。工作到指定殺青時間后，滾筒反向轉動，同時滾筒轉速增大，風扇同時正轉并加大轉速，輔助殺青葉迅速出葉。

1. 機架 2. 風扇罩 3. 排濕風扇 4. 滾筒 5. 紅外加熱系統 6. 傳感系統 7. 進料斗 8. 出料斗 9. 托輪 10. 大電機 11. 小鏈輪 12. 鏈條 13. 大鏈輪 14. 小電機 15. 皮帶 16. 控制系統

圖1 茶葉紅外殺青機總體結構圖

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

2 硬件電路設計

硬件系統由計算機、Arduino UNO開發板、固態繼電器模塊、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，硬件系統電路見圖2所示。其工作原理如下：Arduino UNO開發板將采集到的溫度、濕度信號傳輸給計算機，由LabVIEW程序進行顯示、處理，處理后的結果再傳輸給Arduino UNO開發板，開發板輸出控制信號控制繼電器，繼電器控制變頻器和交流接觸器的開閉，變頻器控制電機的轉速，來控制滾筒正反轉、轉速調節和排濕風扇正反轉，交流接觸器控制紅外管的開停。

3 茶葉紅外殺青機控制系統功能實現

本研究采用Arduino開發板為下位機、LabVIEW為上位機開發茶葉紅外殺青機控制系統，利用LabVIEW完成控制系統的前面板和控制程序設計，具體實現功能如下：

(1) 殺青機的啟動和停止，當殺青過程出現故障也可實現急停。

(2) 排濕風扇的正反轉和急停。

(3) 自動完成殺青滾筒內溫度和濕度的采集。

(4) 實時顯示殺青滾筒內的溫度和濕度值，并顯示出滾筒內實時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) 對比分析滾筒內實測濕度值與殺青濕度規定值的上限值和下限值，若實測濕度比下限值小，則排濕風扇不開啟。若實測濕度比上限濕度高，排濕風扇開啟，進行排濕。若實測濕度在規定上限值和下限值之間，則排濕風扇保持原有狀態。

(6) 對比分析滾筒內實測溫度值與殺青滾筒溫度規定值的上限值和下限值，若實測溫度比下限溫度小，則1、2組紅外管保持加熱狀態，同時可點擊前面板上的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；若實測溫度比上限值高，則1、2組紅外管停止加熱，同時可點擊前面板上的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，3、4、5組紅外管可根據殺青情況進行開啟或關閉操作。

(7) 鮮茶葉在殺青過程中，殺青滾筒保持勻速轉動；當殺青結束時，滾筒轉速增大，使殺青葉迅速出葉。

4 殺青機控制程序設計

4.1 LabVIEW前面板框架結構設計

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置框、滾筒轉速設置框、殺青時間設置框以及滾筒模式變換間隔設置框。顯示控件包括運行時間顯示框、實測溫度波形圖標及顯示框和顯示計、實測濕度波形圖標及顯示框和顯示計、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、紅外管的運行狀態顯示框、滾筒轉速顯示框、滾筒和風扇運行狀態顯示框、串口顯示框和紅外管工作根數顯示框。

4.2 LabVIEW控制程序設計

4.2.1 自動搜尋連接串口程序設計 本控制系統以LabVIEW控制平臺為上位機，由USB轉串口線連接下位機。點擊控制面板開始按鈕，LabVIEW系統自動調用子VI[圖4(a)]，搜尋所連接的串口，并將串口號顯示在前面板中。子VI的部分程序設計見圖4(b)。

圖3 茶葉紅外殺青機前面板

圖4 搜尋串口程序和子VI程序框圖

4.2.2 滾筒內溫度采集、顯示及紅外管根數控制程序設計

(1) 滾筒內溫度采集及顯示程序設計：在“狀態機”(while循環+條件結構)模式下，采用LabVIEW軟件自帶的VISA函數，對下位機進行數據采集和發送控制指令。首先，調用VISA設備清零函數，對設備進行初始化，再調用VISA寫入函數，將控制指令0x55A110發送給下位機(控制指令采用“幀頭+操作碼”的通信協議，0x55A1為幀頭，操作碼0x10為溫度采集，下均同)，下位機控制溫度傳感器采集溫度，延時300 ms，再調用VISA讀取函數，讀取下位機上傳過來的溫度數據，在當前溫度值顯示框、顯示計中顯示。溫度采集、顯示程序設計如圖5(a)所示。

(2) 紅外管根數控制程序設計： 采用“順序結構+條件結構”調整5組紅外管的運行狀態。當滾筒內當前溫度值高于上限值時，LabVIEW控制平臺向下位機發送0x55A108控制指令，1、2組紅外管自動關閉；當滾筒內當前溫度值低于溫度下限值時，LabVIEW控制平臺向下位機發送0x55A132控制指令，1、2組紅外管自動開啟。根據滾筒內鮮茶葉殺青情況，依次點擊3、4、5組紅外管開關按鈕。當點擊其中的1組或多組紅外管啟動按鈕時， LabVIEW控制平臺向下位機發送0x55A134和0x55A138控制指令，開啟相應的紅外管；當滾筒內溫度過高，點擊其中的1組或多組紅外管停止按鈕，LabVIEW控制平臺向下位機發送0x55A136和0x55A140控制指令，關閉相應的紅外管。紅外管運行狀態確定后，紅外管工作根數顯示框中會顯示當前紅外管工作的根數。圖5(b)為開關紅外管程序設計。

4.2.3 濕度采集、顯示及風扇排濕控制程序設計

(1) 滾筒內濕度采集及顯示程序設計：濕度采集和顯示程序設計原理與溫度采集和顯示相似。首先調用VISA設備清零函數，對設備進行初始化，再調用VISA寫入函數，將控制指令0x55A111發送給下位機，下位機控制濕度傳感器采集濕度。延時300 ms，再調用VISA讀取函數，讀取下位機上傳過來的濕度數據，并在當前濕度值顯示框、顯示計中顯示。濕度采集、顯示程序設計見圖6(a)。

(2) 風扇排濕控制程序設計：當濕度值高于濕度上限值時，LabVIEW控制平臺向下位機發送0x55A102控制指令，使排濕風扇正轉，排出濕氣；當濕度值低于濕度下限值時，LabVIEW控制平臺向下位機發送0x55A103控制指令，排濕風扇停止工作。排濕風扇控制程序設計見圖6(b)。

4.2.4 滾筒正反轉及轉速調節控制

(1) 滾筒正反轉程序設計：使用“順序結構+條件結構”實現滾筒正反轉控制，當殺青運行時間與滾筒模式變換間隔時間(由滾筒轉速確定)比值的余數為0時，向“條件結構”輸入一個“假值”，此時LabVIEW控制平臺向下位機發送0x55A104控制指令，滾筒反轉。當殺青進行一段時間，殺青運行時間逐漸延長，當兩者比值的余數為1時，向“條件結構”輸入一個“真值”，此時LabVIEW控制平臺向下位機發送0x55A106控制指令，使滾筒正轉，以此類推，滾筒依次實現正反轉。當殺青時間超過規定殺青時間時，LabVIEW控制平臺向下位機發送0x55A106控制指令，使滾筒正轉，同時滾筒轉速增大，并向下位機發送0x55A106控制指令，使排濕風扇正轉，加快排葉過程。圖7(a)為滾筒正轉程序設計圖，圖7(b)為滾筒反轉程序設計圖。

圖5 滾筒內溫度采集與顯示程序、紅外管開啟程序和紅外管關閉程序框圖

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) 滾筒轉速調節程序設計：在調整滾筒轉速輸入控件中輸入需調整值(0～255)后，調用VISA寫入函數輸入到下位機，下位機運用該值作為PWM的輸出，再經過電壓放大模塊進行放大后，將電壓值輸入給變頻器，進而調節滾筒轉速。因為電壓0～5 V對應的PWM值為0～255，Arduino UNO R3輸入電壓為5 V，而變頻器調壓范圍為0～10 V，所以需要電壓放大模塊進行放大，經過轉化運算，即可在對應滾筒轉速顯示框中顯示出滾筒轉速。圖7(c)為調節滾筒轉速的程序設計圖。

5 殺青機程序調試及茶葉品質感官審評

經樣機實驗驗證，殺青機在控制系統的控制下，控制系統運行穩定，溫濕度檢測靈敏度高，反應速度快，可使鮮茶葉在殺青過程中，滾筒內溫度和濕度值控制在規定范圍內。鮮茶葉經本殺青機自動殺青后，再經揉捻、烘干工序，初制的茶葉經評茶師感官審評，結果為茶葉顏色翠綠、滋味醇厚、帶有清香。

圖7 滾筒正反轉程序和轉速調節程序框圖

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

6 結論

本研究通過LabVIEW和Arduino相結合，開發了一套茶葉紅外殺青機的控制系統，該系統結構簡單、操作方便、成本低，可快速同時調控滾筒內的溫度和濕度，使滾筒內的溫度和濕度保持在規定值內，控制系統同時能實現滾筒的正反轉，使殺青葉在滾筒內來回運轉，保證殺青均勻。經過樣機殺青實驗驗證，該系統運行穩定，具有良好的茶葉殺青效果。