毕业论文：茶叶杀青机的温度场分析及其控制的研究

毕 业 论 文
（科 学 研 究 报 告）
题 目 茶叶杀青机的温度场分析及其控制的研究
院(系)别 机电及自动化学院
专 业 机械电子
级 别 2008

摘 要
铁观音属于乌龙茶类，是中国十大名茶之一乌龙茶类的代表。其制作工艺中的杀青就是以高温破坏茶中酵素作用,用炒青机将茶青的菁味炒到消退，茶香浮现。因此杀青的时间和温度直接决定了茶叶的品质。按照茶叶杀青需求模块化设计，采用温度传感器、湿度传感器、单片机和电磁阀等构建茶叶杀青的全自动温度闭环控制系统。该系统能够精准控制杀青温度并实时显示。整个温控系统通过SILICON LAB编译软件编写c语言程序烧入C8051F020单片机进行控制。为了能够更好地控制滚筒内的茶叶杀青温度，对滚筒内外壁的温度通过ANSYS进行温度场分析，从而有效地控制杀青温度，提高茶叶杀青的效率和品质，也为实际应用提供了科学的参考依据。

关键词 杀青机 温度控制 单片机 电磁阀 温度场

ABSTRACT
Iron Goddess of Mercy, belonging to oolong tea , is one of the top ten tea oolong class representatives. Its production process in the fi*ing is the role of the enzyme in the high-temperature destruction of the tea, Cha Jing taste Scoop subsided with Roasted machine will emerge tea. Therefore, fi*ing the time and temperature directly determines the quality of tea. In accordance with the demand for tea fi*ing modular design, the use of a temperature sensor, humidity sensor, microcon
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杀青后，茶叶应该达到:叶色由鲜绿变为暗绿；叶表失去光泽；叶质柔软萎卷；折梗不断，捏成团，松手后可缓慢散开，略带粘性；清香显露；无红梗、红叶[1]。
传统的杀青方法采用炭火对杀青铁锅加热，由炒茶师傅凭经验在锅内翻动青叶完成，对温度、时间的控制完全凭炒茶师傅的经验。这种原始的方法不仅效率低，而且生产出的茶叶品质也难以得到保障。而如今大多数茶厂，规模生产一般使用杀青机进行杀青，有锅式、炒式、滚筒式三种。其中滚筒式杀青机由于自动化程度相对较高，成本合理等优点被广泛使用。但是就福建省内市场上的杀青机而言，大多数只是对杀青时间进行了简单的人为定时控制，本质上还是需要依靠操作师傅的经验来决定杀青时间和杀青温度，而且现有产品几乎没有对滚筒内的湿度进行考虑，然而滚筒内的湿度却是保证茶叶杀青品质一个重要的因素[2]。
本课题旨在研制一套全智能的滚筒式杀青机控制系统，根据湿度、温度两个参数，智能的判断杀青的温度和时间，从而更加有效的保证杀青的品质。
1.2 国内外研究现状及分析
1.2.1 国内杀青机研究动态
中国作为一个茶叶大国，在茶叶机械方面的发展起步也较早。上个世纪50年代就开始研究茶叶杀青机。按照杀青原理和主要结构类型分，目前国内常见的杀青机主要有锅式杀青机、滚筒式杀青机、网袋式蒸汽杀青机、微波式杀青机和热风式杀青机。各类杀青机由于它们的工作原理、机械结构的不同，杀青性能和效果差异较大，分述如下：
1）锅式杀青机
锅式杀青机曾是20世纪70年代我国茶叶加工中使用的最普遍的杀青机，但锅式杀青机存在明显的缺点：出叶不净而产生焦叶，不能连续作业且作业效率低[4]。
2）滚筒式杀青机
为了克服锅式杀青机存在的不足，并有利于连续化作业，我国又研制成功滚筒式茶叶杀青机，在国内普遍推广，并被广泛用作其它杀青茶类的杀青作业，后来又被小型化设计，用于名优茶的杀青。
3）网带式蒸汽杀青机
20世纪90年代，国内名优茶发展迅速，同时我国从日本引进数十条茶叶生产线，用以生产蒸青绿茶返销日本。这时候国内有关科研部门开始尝试使用日本蒸青机进行杀青，但发现蒸青后的茶叶表面水分含量高，很难顺利进入下一步揉捻工序。在这样的情况下，有关科研部门专门研制了一种实验型的网带式蒸青机用于鲜叶蒸青，然后进行脱水、揉捻、炒干或烘干。实验表明，所制茶产品，色泽绿、香气较独特。90年代后期，浙江省有关茶机生产厂吸取这种蒸青机和配套工艺试验研究经验，研制开发出网带式蒸汽杀青机，并在生产中使用。
4）微波式杀青机
进入21世纪，我国微波式杀青机的研究提上日程，江苏先后研制成功系列微波式杀青设备，在绿茶产区使用，尤其在四川等茶区，应用效果较好。
5）热风式杀青机
为了保证杀青质量，浙江省有关茶机生产企业，近几年又研制开发成功一种热风式杀青机，由于杀青原理新颖，杀青叶香气良好，普及速度较快，是目前生产上应用的最新型的杀青机。
在上述的几种杀青机中，由于滚筒式杀青机的结构简单，成本低廉，因此直至目前，滚筒杀青机仍然是我国茶叶加工中应用最普遍的杀青机类型。如何提高滚筒式杀青机的效率也成为一个热点，同样也是难点的问题。
现有杀青机存在的问题：杀青温度和杀青时间都是凭制茶师傅的经验人为控制，自动化程度不高，有时候会产生差错，出现焦叶等情况，杀青茶叶的品质不能够得到保障；滚筒内的湿度对最终的杀青叶品质具有很重要的影响，在福建省内现有的杀青机控制系统中，普遍忽略了滚筒内湿度对杀青品质的影响，都只是通过手动控制排湿扇的开关，一方面自动化程度不高，另一方面不节能。
1.2.2 国外茶叶机械发展现状
日本作为一个产茶大国，在茶叶生产方面有许多先进的管理和技术。日本茶农的生产组织方式有2种：一是栽培加工一体化的个体生产，二是农协联合生产。农协毛茶加工厂是由茶农联合，在政府扶持下建立的农协的茶农将鲜叶交给工厂加工，茶叶出售后按其鲜叶数量、 等级分成。毛茶生产线，从鲜叶进厂开始，整个加工过程全部连续化、自动化生产。2条生产线只需2名工人坐在计算机前监控。茶叶加工生产标准化程度高，特别是加工过程管理的工业化，茶叶加工基本上都由高度自动化的蒸青生产线来完成。茶叶原料不落地，使产品卫生得到了可靠保证[5].

第二章 滚筒杀青机温湿度控系统的设计
2.1系统整体描述
温度传感器监控茶叶杀青温度，实时输出温度信号给信号处理模块，进行AD转换；根据信号处理模块处理所得的信号，决定是否驱动电磁阀门控制燃气流量的大小。若需要，则进行DA转换，控制电磁阀，从而达到改变茶叶杀青温度，控制加热时间的目的。




图2.1
2.2 传感器的选择
2.2.1温度传感器可选
热电偶；RTD；温度IC
表2.1 几种传感器优缺点比较表
传感器类型 优点 缺点 可测温度范围
热电偶 温度范围较大，能适应各种不同的环境，拥有众多外形结构，且无需供电，成本低廉。 存在较大的非线性，最不灵敏，最不稳定，不适合应用在需求高精度的情况下。冷端需要进行温度补偿 -180℃~2800℃
RTD 在四者中最精确，最稳定，非线性也要优于热电偶 温度变化相对较慢，需要电流源，采用四线测量，而且价格比较昂贵 -200℃~600℃
温度IC 线性度最好，价格便宜 测试范围有限，只能测试250°C以下的温度，反应较慢，需要外加电源，同时还会产生自热。 <250℃
在这个温控系统中，要求测温的精度高，同时能够最大的测温范围最大到300℃，综合考虑这些因素，选择RTD作为温度传感器。
2.2.2 Pt100与Pt1000的区别
相同点：两种都是以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数.
不同点:
1.在0摄氏度时的电阻不一样,Pt100是100欧,Pt1000是1000欧;
2.温度范围不一样,Pt100是-200至850度,Pt1000是-50至300度
2.2.3 Pt100的精度等级说明
表2..2 精度等级比较表

2.2.4 待选产品
1．主要技术参数，如表2.3所示。
表2.3 主要技术参数
名称 分度号 测温范围 允许偏差
铂电阻 Pt100 —200~500℃ A级 B级
±(0.15+0.002∣t︱) ℃ ±(0.30+0.005∣t∣) ℃
2．热响应时间
热响应时间是在阶跃温度作用下，热电阻的输出变化值相当于阶跃变化的50％时,所需的时间，用 来表示。
表2.4 热电阻热响应时间参考值
直径(mm) Φ3 Φ4 Φ5 Φ6 Φ8
(s)
≤3 ≤5 ≤8 ≤12 ≤18
注：当铠装元件与外保护管组成带护套的铠装热电阻整机时，由于保护管的直径和壁厚远大于铠装套，因此热响应时间主要取决于保护管的动态响应[6]
3．常温绝缘电阻
热电阻在环境温度为15—35°C，相对湿度不大于80%，试验电压为10—100V（直流）电极与外套管之间的绝缘电阻>100MΩ绝缘电阻：常温≥2000MΩ，高温(500℃)≥300MΩ。
2.3 湿度传感器的选择
HS1101-HS1100：是基于独特工艺设计的电容元件，专利的固态聚合物结构。
 高精度2%；极好的线性输出
 1--99%RH湿度量程；-40到100摄氏度的温度工作范围
 响应时间5秒；湿度输出受温度影响极小
 5VDC供电，0〜20%RH典型输出1〜1.6VDC
 精度：±2%RH（1〜20%RH范围）
 相对于同类产品价格极低
 适合用于低湿及露点测量需要的场合，如干燥箱、电缆充气设备中干燥气 ……（未完，全文共23127字，当前仅显示4160字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：茶叶杀青机的温度场分析及其控制的研究》）