基于STC8A8K64S4A12单片机的富硒绿茶理条机人机界面设计

陈 成，桑 普，王书范，王 诚，钟建伟，2，廖红华*

(1.湖北民族大学 智能科学与工程学院，湖北 恩施 445000；2.金皇电气科技(恩施)有限公司，湖北 恩施 445000)

富硒绿茶理条机是一种专门用于加工富硒绿茶的工具，主要是通过一系列自动化工序对富硒绿茶进行塑形、失水、显毫和提香，最后制作成特别美观的条状，对富硒绿茶品质的提升起着重要作用[1-3].富硒绿茶中含有丰富的硒元素，可以有效地净化毒素、防癌抗癌[4]，但是在加工富硒绿茶的过程中，加工参数的差异会造成不同程度的硒流失[5]，这对富硒绿茶理条机的控制系统及其理条参数控制精度提出了很高的要求.目前市面上主流的富硒绿茶理条机多为振动式，且在进行理条操作时需要人工辅助操作，人机交互功能不完善，难以实现全自动化富硒绿茶理条.此外，振动式富硒绿茶理条机还有理条效率偏低、理条参数控制精度难以达到富硒绿茶的质量要求等缺点[6-8].为了增强富硒绿茶理条机的人机交互性，任桂英等[9]研究了PLC(programmable logic controller)及工控元件组成的自动控制系统，并将其投入到富硒绿茶理条机组中使用，在一定程度上增强了富硒绿茶理条机的人机交互性，但是使用PLC对富硒绿茶理条机进行改造的成本偏高.尹凌鹏[10]设计了基于PLC的茶叶定量理条控制系统，配备此类控制系统的茶叶理条机能够对茶叶理条时间以及进行理条的茶叶质量进行设置，但是难以满足特定的三段式富硒绿茶控温理条工艺，且在实时监测富硒绿茶理条状态与反馈方面有较大欠缺.吴海红[11]设计了一种基于51单片机的温度控制系统，为富硒绿茶理条机温度控制方面的改造提供了新的思路.

因此，本文根据实际需求设计了一种基于STC8A8K64S4A12单片机的富硒绿茶理条机人机界面系统，具有温度控制精确、理条时间和电机转速等参数可调、实时监测理条状态并反馈等优点，在一定程度上为后续的富硒绿茶理条机的升级与改造奠定基础.

1 富硒绿茶理条机控制系统工作原理

所设计的富硒绿茶理条控制系统包括STC8A8K64S4A12单片机、感应线圈、富硒绿茶电磁理条加工机架及外设、槽锅升降电机、槽锅横向运动电机、温度采集电路、湿度采集电路与HMI串口触摸屏.该系统工作原理如图1所示.

图1 茶叶理条机控制系统工作原理Fig.1 Working principle of the tea shaping control system

富硒绿茶理条控制系统以STC8A8K64S4A12单片机为核心，在HMI串口触摸屏上输入富硒绿茶理条参数，参数信息会通过RS232串行接口传输至STC8A8K64S4A12单片机内.STC8A8K64S4A12单片机会根据接收到的参数信息，经由PWM(pulse width modulation)控制模块输出PWM信号控制IGBT(insulated gate bipolar transistor)驱动电路，从而加热感应线圈.通过谐振电流采样电路采集电流信息传输至ADC(analog-to-digital converter)模块，利用槽锅升降控制模块控制理条机的槽锅升降电机转动.通过DAC(digital-to-analog converter)模块连接调速电路，调节槽锅横向运动电机的转速.用温度采集电路与湿度采集电路将采集到的数据传回STC8A8K64S4A12单片机，随后由串口屏控制模块通过RS232串行接口将这些数据传至HMI串口触摸屏内，最终在HMI串口触摸屏上显示出来.

1.1 HMI串口触摸屏选型

人机界面(human machine interface,HMI)是人与机器信息交互的重要媒介，能够将机器语言转化为人们能够理解的形式，被广泛运用于各类机器智能化与自动化的改造中[12].HMI串口触摸屏是实现人机交互功能的主要工具，在智能化行业已有取代传统机械式操控器件的趋势[13]，其硬件系统是由HMI液晶显示屏、HR2046显示屏控制器、各类存储器、GD32F103RBT6微处理器以及RS232串行接口电路等部分组成的.其中存储器包括基于25Q256JVFQ芯片的Flash闪存存储器,基于Winbond W9864G6KH-6芯片的SDRAM (synchronous dynamic random access memory)同步动态随机存储器，基于ATMEL 24C08NSU27的带电可擦可编程只读存储器EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory).HMI串口触摸屏硬件框图如图2所示.

图2 HMI串口触摸屏硬件框图Fig.2 Block diagram of HMI serial touch screen hardware

选用TJC8048K070_011R型号的HMI串口触摸屏，其分辨率通常为800×480像素，波特率为9 600 bit/s，工作电压允许范围为4.65～6.55 V，工作电流为510 mA，正常工作的温度范围在-20～70 ℃内，拥有8路拓展IO口.其主控芯片为GD32F103R8T6，最高频率可以达到72 MHz，主要负责对控制、通信等系统模块进行调度.

1.2 单片机介绍

控制系统单片机选用STC8A8K64S4A12，该单片机拥有8K字节的片内RAM，64 K字节的片内Flash，4个互相独立的串口外设UART(universal asynchronous receiver/transmitter)，15路转换精度为12位的ADC，9个定时器以及12路PWM，其中有8路是15位带死区控制的PWM，4路是10位CCP(capture，compare，pulse width modulation)的PWM.温度范围在-40～85 ℃，并且具有内部晶振，无需搭建复位电路.

2 HMI串口触摸屏人机界面设计

根据富硒绿茶理条机的实际功能需求，利用人机界面设计软件USART HMI(universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter human machine interface)对人机界面进行设计，主要包括密码登录界面、参数设置界面、主界面、运行监控界面以及出错报警界面，系统界面结构框图如图3所示.

图3 系统界面结构Fig.3 Block diagram of system interface structure

首先需要设计的是界面的背景，在网上挑选合适的图片将其下载下来，此时可以直接在USART HMI中将这个图片导入并设为背景，然后在软件中继续对图片进行编辑以及页面布局等操作，但是为了方便与节约时间，所以选择在Visio中对此图片进行编辑，在图片上方添加标题，在图片中部画出相应的网格线以区分模块，在图片下方或角落挑选出合适的位置放置开始、暂停、结束等图标，随后再将编辑好的图片作为背景在软件中添加进去，最后在软件中根据图片上的位置布局添加文本框、按键或按钮，并对按键按钮进行功能定义.HMI界面设计流程图如图4所示.

图4 HMI界面设计流程Fig.4 Flow chart of HMI interface design

3 STC8A8K64S4A12单片机控制流程

HMI串口触摸屏与单片机之间采取串行通讯的方式，STC8A8K64S4A12单片机在主控板上经MAX232芯片将TTL电平转换为RS232电平，再与HMI串口触摸屏的RS232串行接口连接，具体连接方式如图5所示.

图5 HMI串口触摸屏与单片机的连接方式Fig.5 Connection mode between HMI serial touch screen and single chip microprocessor

在进行程序设计时结合富硒绿茶理条机自动理条的实际流程，此流程的先后顺序为：首先密码验证，其次输入参数，随后茶叶理条机开始自动理条并对理条参数进行实时监测与反馈，最后当各项理条参数均已达成时结束理条，如图6所示.

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

1) 输入初始密码与密码验证.在密码登录界面输入密码时，会有一串指令或字符串发送到单片机，随后通过相应程序的运行或计算再将指令返回至HMI串口触摸屏，最后对界面内容进行刷新[14].并不是简单地密码输入框中多出几个数字，单片机会根据接收到的信息对输入密码的正误进行判断，如果密码正确，则进入主界面进行参数设置，反之则报错，直至密码输入正确为止.

2) 初始参数设置及修改.根据特定的三段式富硒绿茶控温理条工艺要求，在富硒绿茶理条控制系统中先设置初始理条参数，如各温区的温度、理条时间、理条电机转速等，在操作时可根据实际需要对初始参数进行相应的修改以达到更好的理条效果.

3) 理条状态实时监测与反馈.当单片机上电运行时，理条环境中的温度与湿度等理条参数会先被单片机采集，随后其数据会通过RS232串口发送给HMI串口触摸屏，并在指定区域显示出来，当达到理条参数的要求时结束理条.

4 系统调试

将基于USART HMI设计的富硒绿茶理条机人机界面文件*.HMI下载到HMI串口触摸屏，而后进行测试.基于USART HMI设计的界面图及下载到HMI串口触摸屏中显示图如图7所示.

(a) 基于USART HMI设计的开机密码界面 (b) HMI串口触摸屏的开机密码界面

(c) 基于USART HMI设计的系统运行界面 (d) HMI串口触摸屏的系统运行界面图7 基于USART HMI设计的界面图及下载到HMI串口触摸屏中的显示图Fig.7 Interface diagram design by USART HMI and display diagram downloaded to HMI serial touch screen

通过图7可知，图7(a)与图7(b)、图7(c)与图7(d)布局严格一致.经测试其功能，各功能按键能正常运行.系统运行测试时，基于STC8A8K64S4A12单片机的茶叶理条机控制系统运行截图如图8所示.

图8 基于STC8A8K64S4A12单片机的茶叶理条机控制系统运行截图Fig.8 Operation screenshot of tea shaping control system based on STC8A8K64S4A12

图8中，系统运行以温区1为例，设定温度为300 ℃，实际温度为40 ℃；设定运行时间为4 min，剩余运行时间为228 s；相对湿度显示为20%；理条电机转速设定值为100 r/min，显示转速60 r/min.

5 结语

以富硒绿茶电磁理条控制系统为对象，利用USART HMI软件设计了一种基于STC8A8K64S4A12单片机的茶叶理条机人机界面，该茶叶理条机人机界面具有密码登录验证、参数设置与反馈、运行状态监控与出错报警功能.单片机与HMI串口触摸屏之间采用RS232串行通讯方式，成本低，能实现HMI串口触摸屏与单片机之间数据传递与信息交互的功能，操作简单，易于上手.