單片機(jī)控制啤酒發(fā)酵系統(tǒng)方案

1、. . . . I / 20畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）單片機(jī)控制啤酒發(fā)酵系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué) 生 姓 名：指導(dǎo)教師：合 作 指 導(dǎo) 教師：專業(yè)名稱：所在學(xué)院： 2013 年 5 月. . . . II / 20目錄摘要 I引言 II第一章啤酒發(fā)酵工藝概述 1第二章硬件電路設(shè)計(jì) 42.1 概述 42.2 模擬量輸入通道 52.2.1 模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)形式 52.2.2 模擬量輸入通道設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題 52.2.3 A/D 轉(zhuǎn)換器 62.3 模擬量輸出通道 72.3.1 模擬量輸出通道設(shè)計(jì) 72.3.2 模擬量輸出通道設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題 82.3.3 D/A 轉(zhuǎn)換器 8第三章系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 103.1

2、計(jì)算機(jī) DDC 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的要求 103.2 數(shù)據(jù)采集 103.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制方式 103.2.2 數(shù)據(jù)采集程序 103.2.3 標(biāo)度變換程序 103.3 給定工藝曲線的實(shí)時(shí)插補(bǔ)計(jì)算 113.4 控制算法 113.5 軟件調(diào)試 12第四章總結(jié) 13致 14參考文獻(xiàn) 15. . . . I / 20摘要我國的啤酒市場非常巨大，國生產(chǎn)啤酒的企業(yè)數(shù)以百計(jì)，但與國外的主要啤酒生產(chǎn)廠家相比大部分企業(yè)技術(shù)落后，大部分處于手動(dòng)控制階段，只有極少數(shù)企業(yè)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化。由于啤酒生產(chǎn)是一個(gè)利用生物加工進(jìn)行生產(chǎn)的過程，生產(chǎn)周期長，過程參數(shù)分散性大，傳統(tǒng)操作方式難以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。近年來，國外的各大啤酒

3、生產(chǎn)廠家紛紛進(jìn)軍中國市場，憑借技術(shù)優(yōu)勢與國的啤酒生產(chǎn)廠家爭奪市場份額。國的啤酒行業(yè)迫切要求進(jìn)行技術(shù)改造，提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，以確保在激烈的市場競爭中立于不敗之地。 發(fā)酵過程計(jì)算機(jī)上控制，特別是微機(jī)控制，己經(jīng)在我國發(fā)酵工業(yè)中推廣應(yīng)用，我國大型的發(fā)酵罐有 7000 多臺(tái)，若都能用微機(jī)控制，發(fā)酵效益的提高是十分可觀的。發(fā)酵過程中微機(jī)控制應(yīng)用，早期的有多 STD 總線的微機(jī)系統(tǒng)，最近的有工業(yè) PC 機(jī)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)比較簡單，價(jià)格便宜，使用靈活方便，但是軟件開發(fā)的工作量較大，用戶修改控制方案較麻煩，近來，有各種不同改進(jìn)型的微機(jī)系統(tǒng)供發(fā)酵過程控制應(yīng)用。隨著的小型集散控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，在

4、發(fā)酵工業(yè)上現(xiàn)已采用先進(jìn)的集散控制系統(tǒng)來控制發(fā)酵過程。例如，用 YEWPAK, N-90, 11L, JX, FOCUS 等中小型集散控系統(tǒng)控制青霉素發(fā)酵，谷氨酸發(fā)酵等。隨著微機(jī)在發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用不斷發(fā)展，各種測量傳感器、二次儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的完善，發(fā)酵罐系統(tǒng)完全自動(dòng)化操作和控制的目的就可以實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞:流量閥,微機(jī)控制,自動(dòng)控制. . . . II / 20引言單片機(jī)誕生于 1971 年，經(jīng)歷了 SCM、MCU、SoC 三大階段，早期的 SCM 單片機(jī)都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51 系列 MCU 系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)

5、的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16 位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90 年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大提高。隨著 INTEL i960 系列特別是后來的 ARM 系列的廣泛應(yīng)用，32 位單片機(jī)迅速取代 16 位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場單片機(jī)，全稱單片微型計(jì)算機(jī)（英語：Single-Chip Microcomputer） ，又稱微控制器（Microcontroller） ，是把中央處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器（Timer/Counter） 、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。與應(yīng)

6、用在個(gè)人電腦中的通用型微處理器相比，它更強(qiáng)調(diào)自供應(yīng)（不用外接硬件）和節(jié)約成本。它的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表部，但存儲(chǔ)量小，輸入輸出接口簡單，功能較低。由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機(jī)的定義已不能滿足，所以在很多應(yīng)用場合被稱為圍更廣的微控制器；由于單芯片微電腦常用于當(dāng)控制器故又名 single chip microcontroller，但是目前在中國大陸仍多沿用“單片機(jī)”的稱呼。單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路

7、、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì) 80 年代，由當(dāng)時(shí)的 4 位、8 位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的 32 位 300M 的高速單片機(jī)。單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支領(lǐng)域，根據(jù)目前發(fā)展情況，從不同角度單片機(jī)大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型與工控型/家電型。通用型/專用型這是按單片機(jī)適用圍來區(qū)分的。例如，80C51 是通用型單片機(jī)，它不是為某種專用途設(shè)計(jì)的；專用型單片機(jī)是針對一類產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計(jì)的要求，在片集成 ADC 接口等功能的溫度測量控制電路?？偩€型/非總

8、線型這是按單片機(jī)是否提供并行總線來區(qū)分的。總線型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件與外設(shè)接口集成一片，因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機(jī)稱為非總線型單片機(jī)?？刂菩?家電型這是按照單片機(jī)大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址圍大，運(yùn)算能力強(qiáng)；用于家電的單片機(jī)多為專用型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。顯然，上述分類并不是惟一的和嚴(yán)格的。例如，80C51 類單片機(jī)既是通用型又是總線型，還可以作工控用。而傳統(tǒng)的 8 位單片機(jī)的

9、性能也得到了飛速提高，處理能力比起 80 年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的 32 位 Soc 單片機(jī)主頻已經(jīng)超過 300MHz，性能直追 90 年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價(jià)格跌落至 1 美元，最高端的型號也只有 10 美元。. . . . III / 20當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的 Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)。單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit） ，常用英文字母的縮寫 MCU

10、表示單片機(jī)，單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了 I/O 設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。由于單片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)由芯片僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。 INTEL 的 Z80 是

11、最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，當(dāng)時(shí)的單片機(jī)都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)。因?yàn)楹唵慰煽慷阅懿诲e(cuò)獲得了很大的好評。盡管 2000 年以后 ARM 已經(jīng)發(fā)展出了 32 位的主頻超過 300M 的高端單片機(jī)，直到目前基于 8031 的單片機(jī)還在廣泛的使用。在很多方面單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了廣泛的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多處理器，隨著單片機(jī)家族的發(fā)展壯大，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、 、計(jì)算器

12、、家用電器、電子玩具、掌上電腦以與鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 1-2 部單片機(jī)。汽車上一般配備 40 多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過 PC 機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC 卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以與程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療

13、器械以與各種智能機(jī)械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理與過程控制等領(lǐng)域。. . . . 1 / 20第一章 啤酒發(fā)酵工藝概述1、 啤酒生產(chǎn)工藝簡介啤酒生產(chǎn)過程主要包括糖化、發(fā)酵以與過濾分裝三個(gè)環(huán)節(jié)。(1) 糖化糖化過程是把生產(chǎn)啤酒的主要原料與溫水混合，利用麥芽的水解酶把淀粉、蛋白質(zhì)等分解成可溶性低分子糖類、氨基酸、脈、膚等物質(zhì)，形成啤酒發(fā)酵原液麥汁。 (2) 發(fā)酵圖 1.1 發(fā)酵溫度工藝設(shè)定曲線 啤酒發(fā)酵是一個(gè)微生物代過程，簡單的說是把糖化麥汁經(jīng)酵母發(fā)酵分解成 C2H5

14、OH， CO2， H2O 的過程，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生種類繁多的中間代物雙乙酞、脂肪酸、高級醇、酮等，這些代產(chǎn)物的含量雖然極少，但它們對啤酒的質(zhì)量和口味的影響很大，它們的產(chǎn)生主要取決于發(fā)酵溫度。一般認(rèn)為，低溫發(fā)酵可以降低雙乙酞、脂類等代物的含量，提高啤酒的色澤和口味；高溫發(fā)酵可以加快發(fā)酵速度，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。整個(gè)發(fā)酵過程分前酵和后酵兩個(gè)階段，發(fā)酵溫度的工藝設(shè)定典型曲線如圖 2.1 所示。不同品種、不同工藝所要求的溫度控制曲線會(huì)有所不同。 (1) 前酵 這個(gè)階段又稱為主發(fā)酵。麥汁接種酵母進(jìn)入前酵，接種酵母幾小時(shí)以后開始發(fā)酵，麥汁糖度下降，產(chǎn)生 CO2并釋放生化反應(yīng)熱，使整個(gè)罐的溫度逐漸上升。經(jīng)過

15、 23 天后進(jìn)入發(fā)酵最為旺盛的高泡期再經(jīng)過 23 天，糖度進(jìn)一步降低，降糖速度變慢，酵母開始沉淀，當(dāng)罐發(fā)酵糖度達(dá)標(biāo)后進(jìn)行降溫轉(zhuǎn)入后酵階段。普通啤酒在前酵階段，一般要求控制在 12左右，降溫速率要求控制在 0.3 0C /h(2) 后酵 當(dāng)罐溫度從前酵的 12降到 5左右時(shí)后酵階段開始，這一階段最重要的是進(jìn)行雙乙酞還原，此外，后酵階段還完成了殘?zhí)前l(fā)酵，充分沉淀蛋白質(zhì)，降低氧含量，提高啤酒穩(wěn)定性。一旦雙乙酞指標(biāo)合格，發(fā)酵罐進(jìn)入第二個(gè)降溫過程，以 0.150C/h 的降溫速率把罐發(fā)酵溫度從 5降到 0-1左右進(jìn)行貯酒，以提高啤酒的風(fēng)味和質(zhì)量。經(jīng)過一段時(shí)間的貯酒，整個(gè)發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。. . . .

16、2 / 20 通常發(fā)酵液溫度在不同的發(fā)酵階段，對罐發(fā)酵液的溫度場要有相應(yīng)的要求：在前酵階段希望發(fā)酵罐從罐頂?shù)焦薜子幸徽臏囟忍荻龋磸目刂粕蠈訙囟葹橹?，以利于發(fā)酵液對流和酵母在罐的均勻混合；在后酵階段，則要求發(fā)酵液由卜到下有一定的負(fù)溫度梯度，即控制以下層溫度為主，便于酵母的沉淀和排除。(3) 啤酒的過濾和灌裝 前、后酵結(jié)束以后，啤酒將通過過濾機(jī)和高溫瞬時(shí)殺菌進(jìn)行生物以與膠體穩(wěn)定處理然后灌裝。啤酒過濾是一種分離過程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母細(xì)胞和其它混濁物從啤酒中分離出去，否則這些物質(zhì)會(huì)在以后的時(shí)間里從啤酒中析出，導(dǎo)致啤酒混濁，目前多采用硅藻土過濾方式。如果啤酒中仍含有微生物(雜菌)，

17、則微生物可以在啤酒中迅速繁殖，導(dǎo)致啤酒混濁，其排泄的代產(chǎn)物甚至使啤酒不能飲用。殺菌就是啤酒在灌裝之前對其進(jìn)行生物穩(wěn)定性處理的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。至此，一個(gè)啤酒和生產(chǎn)周期結(jié)束。2、啤酒發(fā)酵過程溫控對象的特點(diǎn)發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設(shè)備，圖 2.2 為圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖，酵母在罐發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生熱量，使麥汁溫度升高，因此在罐壁設(shè)置有上、中、下三段冷卻套，相應(yīng)的設(shè)立上、中、下三個(gè)測溫點(diǎn)和三個(gè)調(diào)節(jié)閥，通過閥門調(diào)節(jié)冷卻套冷卻液的流量來實(shí)現(xiàn)對酒體溫度的控制。以閥門開度為控制量，酒體溫度為被控量。該廣義對象是一個(gè)三輸入、三輸出的多變量系統(tǒng)，機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)表明啤酒發(fā)酵罐的溫控對象不同于一般的工業(yè)對象，主要有以下幾個(gè)方

18、面的特點(diǎn)：(1) 時(shí)滯很大圖 1.2 圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖 在整個(gè)發(fā)酵過程中，由于生化反作用產(chǎn)生的生化反應(yīng)熱導(dǎo)致罐發(fā)酵溫度的升高，為了維持適宜的發(fā)酵溫度，通常是往發(fā)酵罐冷卻夾套通入酒精水或液態(tài)氨，來帶走多余的反應(yīng)熱。由于罐沒有攪拌裝置和加熱裝置，冷媒發(fā)酵液間主要依靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱量交換，發(fā)酵液部存在一定的對流，影響到測溫點(diǎn)，這就使得控制量的變化后，要經(jīng)過一段時(shí)間，被控量才發(fā)生變化，因此這類系統(tǒng)會(huì)表現(xiàn)出很大的時(shí)滯效應(yīng)。例如一個(gè) 120m3啤酒發(fā)酵罐溫度響應(yīng)的滯后時(shí)間一般在530min 之變化。(2) 時(shí)變性 發(fā)酵罐的溫控特性主要取決于發(fā)酵液生化反應(yīng)的劇烈程度。而啤酒發(fā)酵是從起酵、旺盛、衰減到停止不

19、斷變化的間歇生產(chǎn)過程，在不同的發(fā)酵階段，酵母活力不同，造成酒體溫度特性變化，因此對象特性具有明顯的時(shí)變性。(3) 大時(shí)間常數(shù) 發(fā)酵罐體積大，發(fā)酵液體通過罐壁與冷卻水進(jìn)行熱交換的過程比較慢。. . . . 3 / 20第二章 硬件電路設(shè)計(jì)2.1 概述根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，控制系統(tǒng)得結(jié)構(gòu)框圖如圖 2-1 所示。. . . . 4 / 2032業(yè)A/D業(yè)業(yè)業(yè)CRTIPC-8500業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)PCBUSPCBUSIPC 548832業(yè)A/D業(yè)8業(yè)D/A業(yè)8業(yè)D/A業(yè)8業(yè)D/A業(yè)8業(yè)D/A業(yè)IPC 5488IPC 5486IPC 5486IPC 5486IPC 548632業(yè)I/V業(yè)32業(yè)I/V業(yè)CMB

20、5419-1BCMB5419-1BDFQ-2100DFQ-2100DFQ-2100DFQ-2100DFQ-2100DFQ-2100DFQ-2100DFQ-2100RTTB-EKTRTTB-EKTCECY-150GCECY-150GCECU-3410GCECU-3410GZDLP-6BZDLP-6BZDLP-6BZDLP-6BZDLP-6BZDLP-6BZDLP-6BZDLP-6BRptRptT1T30P1P10H1H10TV1TV8TV9TV16TV17TV24TV25TV30圖 2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 在系統(tǒng)總體構(gòu)思時(shí)，主要遵從以下幾點(diǎn)原則： 1. 可靠性設(shè)計(jì)原則 設(shè)計(jì)過程的首要考慮的因素是可

21、靠性，由于啤酒發(fā)酵是一個(gè)連續(xù)生產(chǎn)過程，要求設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行，正常情況下一年才停機(jī)大修一次，因此，對硬件可靠性提出較高的要求。 為了達(dá)到可靠性要求，在設(shè)計(jì)時(shí)采取了以下措施：a. 盡量采用標(biāo)準(zhǔn)的元器件和電路；. . . . 5 / 20b. 簡化設(shè)計(jì)； 此外，設(shè)計(jì)中盡量使用集成度高的元件或模塊，減少元件的數(shù)量。這既符合抗干擾需要也符合可靠性原則。當(dāng)然，也不能盲目地追求新奇器件，還要考慮其性能價(jià)格比、貨源等問題，以便于投入生產(chǎn)。 2. 技術(shù)先進(jìn)、生命周期長 3. 性能/價(jià)格比高2.2 模擬量輸入通道2.2.1 模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)形式 單路模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)(1) 傳感器其作用是把工業(yè)現(xiàn)場的各種

22、非電量檢測出來，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)得電信號。如熱電偶能把溫度的高低轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的熱電動(dòng)勢、應(yīng)變橋式荷重傳感器能把受力的大小轉(zhuǎn)換位相應(yīng)得電位差。(2) 信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路的作用是將傳感器輸出的信號作適當(dāng)?shù)奶幚?，使之成為適合 A/D 轉(zhuǎn)換得電壓信號。主要包括信號的濾波、放大、隔離、變換以與線形化處理容，其中有些環(huán)節(jié)如濾波、線形化處理等可通過軟件實(shí)現(xiàn)。(3) 采樣保持器（S/H）一般來講，要輸入的模擬信號都是變化的。計(jì)算機(jī)在對模擬信號進(jìn)行離散采樣時(shí)，需要得到它某一時(shí)刻的瞬時(shí)值，并能將這一瞬時(shí)值保持到 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束。采樣保持器就是實(shí)現(xiàn)這一功能的電路。當(dāng)輸入的模擬量信號變化緩慢時(shí)，也可省去采樣保持器。

23、2.2.2 模擬量輸入通道設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題模擬量輸入通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號采集通道，在設(shè)計(jì)中必須考慮到信號的拾取方式、信號的調(diào)理、A/D 轉(zhuǎn)換以與電源的配置等問題。1. 信號的拾取方式在模擬量輸入通道中，首先要將工業(yè)現(xiàn)場的各種非電物理量，如壓力、溫度、液位、流量等轉(zhuǎn)換成電量。根據(jù)這一要求，信號的拾取可以通過敏感元件、傳感器與測量儀表來實(shí)現(xiàn)。(1) 通過敏感元件拾取被測信號。敏感元件能將被測的物理量變換成電流、電壓或R、L、C 參數(shù)變化。一般來講，敏感元件體積小，可以隨擁護(hù)要求與環(huán)境特點(diǎn)做成各種形狀的探頭。如果被測環(huán)境較特殊，而無現(xiàn)成的傳感器可用，只能選擇合適的敏感元件。對于 R、L、C參

24、量型敏感元件，要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，使這類參數(shù)變換成電流或電壓量。(2) 通過傳感器失去被測信號。這是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中使用最多的一種信號拾取方式。它將敏感元件、測量電路、傳輸構(gòu)件等配以合適的外殼做成各種外形，以滿足不同的要求。一般. . . . 6 / 20傳感器均為電量輸出，可以是電壓或電流，有的還直接輸出頻率信號，無需再通過 A/D 轉(zhuǎn)換即可輸入計(jì)算機(jī)。2. 信號的調(diào)理在模擬量輸入通道中，信號調(diào)理的任務(wù)是將傳感器輸出的電信號或 R、L、C 參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為滿足 A/D 轉(zhuǎn)換要求的電壓信號。在一般的測控系統(tǒng)中，信號調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了信號放大和濾波外，還有諸如零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤

25、差修正、量程切換等。但在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，許多環(huán)節(jié)都可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)。因此，模擬量輸入通道號調(diào)理的重點(diǎn)為小信號放大、變換與信號的濾波等。2.2.3 A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換的基本概念A(yù)/D 轉(zhuǎn)換的功能是把模擬量電壓轉(zhuǎn)換為 N 位數(shù)字量電壓。1. A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬量電壓是連續(xù)的。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器完成依次轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，A/D 轉(zhuǎn)換只能間斷地進(jìn)行，因此輸出的數(shù)字量電壓是不連續(xù)的，稱為離散量。采樣之后，A/D 轉(zhuǎn)換所得的結(jié)果是一個(gè)個(gè)孤立的點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)代表某個(gè)數(shù)字量，其值與采樣時(shí)刻的模擬量相對應(yīng)。如果在相鄰兩次采樣時(shí)刻之間，A/D 轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量保持前一時(shí)刻的值，那么 A/D

26、 轉(zhuǎn)換的輸出就是一條階梯形的曲線。2. 兩次采樣的時(shí)隔時(shí)間稱為采樣周期。為了使輸出量能充分反映輸入量的變化情況，采樣周期要根據(jù)輸入量變化的快慢來決定。而一次 A/D 轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間顯然必須小于采樣周期。3. 擬量表示為相應(yīng)的數(shù)字量，稱為量化，數(shù)字量的最低位即最小有效位 1LSB，與此相對應(yīng)的模擬電壓值稱為 1 個(gè)量化單位。如果模擬電壓小于此值，不能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。這表示了這個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨能力。 A/D 轉(zhuǎn)換的主要性能指標(biāo)1. 分辨率 習(xí)慣上以輸出的二進(jìn)制位數(shù)或 BCD 碼位數(shù)表示。如一個(gè)輸出為 8 位二進(jìn)制的 A/D 轉(zhuǎn)換器，稱其分辨率為 8 位?；蛘哂脤?yīng)于 1LSB 的輸入

27、模擬電壓來表示。分辨率也可以用百分?jǐn)?shù)來表示，例如 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率百分?jǐn)?shù)位（1/256）*100%=0.39%。2. 量化誤差A(yù)/D 轉(zhuǎn)換是用數(shù)字量對模擬量進(jìn)行量化。由于存在著最小量化單位，在轉(zhuǎn)換中就會(huì)出現(xiàn)誤差。3. 轉(zhuǎn)換精度這是指一個(gè)實(shí)際的 A/D 轉(zhuǎn)換器與理想的 A/D 轉(zhuǎn)換器相比的轉(zhuǎn)換誤差。絕對精度一般以 LSB為單位給出。性隊(duì)精度則是絕對精度與滿量程的比值。不同廠家（公司）生產(chǎn)的 A/D 轉(zhuǎn)換器 6其轉(zhuǎn)換精度指標(biāo)的表達(dá)方式可能不同。有的給出綜合誤差指標(biāo)；有的給出分項(xiàng)誤差指標(biāo)，有失. . . . 7 / 20調(diào)誤差（零點(diǎn)誤差） 、增益誤差（滿量程誤差） 、非線性誤差和微分非

28、線性誤差。(1) 失調(diào)誤差又稱為零點(diǎn)誤差，這是指當(dāng)輸入模擬量從 0 逐漸增長使輸出數(shù)字量從 00 跳至 01 時(shí)，輸入模擬量實(shí)際數(shù)值與理想的模擬量數(shù)值（即 1LSB 的對應(yīng)值）之差。這反映了 A/D 轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)的偏差。一定溫度下的失調(diào)誤差可以通過電路調(diào)整來消除。(2) 增益誤差當(dāng)輸入數(shù)字量達(dá)到滿量程時(shí)，所對應(yīng)的輸入模擬量與理想的模擬量數(shù)值之差，稱為增益誤差或滿量程誤差。計(jì)算此項(xiàng)誤差時(shí)應(yīng)將失調(diào)誤差除去。一定溫度下的增益誤差也可以通過電路調(diào)整來消除。(3) 非線性誤差這是指實(shí)際轉(zhuǎn)換特性與理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差，它可能出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換曲線的某處。此項(xiàng)誤差不包括量化誤差、失調(diào)誤差和增益誤差。它不能通過電

29、路調(diào)整來消除。4. 轉(zhuǎn)換時(shí)間這是指 A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。2.3 模擬量輸出通道2.3.1 模擬量輸出通道設(shè)計(jì)模擬量輸出通道的一般形式：1. 單路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)(1) 寄存器用于保存計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量控制信號。目前的 D/A 轉(zhuǎn)換器芯片一般都帶有輸入寄存器，因此，在模擬量輸出通道中，一般不需要再安排專門的寄存器電路。(2) D/A 轉(zhuǎn)換器它是模擬量輸出通道的核心部件。其作用是將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。轉(zhuǎn)換后的模擬量有電壓和電流兩種形式。(3) 放大/變換電路D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量信號往往無法直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蜃儞Q。例如，

30、常用的電動(dòng)執(zhí)行器需要 010mA 或 420mA 電流信號來控制，這就需要把 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號變換成上述圍地信號。. . . . 8 / 202.3.2 模擬量輸出通道設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題關(guān)于模擬量輸出通道的設(shè)計(jì),像模擬量輸入通道的實(shí)際一樣,基于現(xiàn)代微電子技術(shù)的成就,其主要任務(wù)是根據(jù)通道的技術(shù)要求,合理地選擇通道的結(jié)構(gòu)以與按照一定的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則，恰當(dāng)?shù)剡x擇所需的集成電路，并把它們與微處理器正確地連接起來。設(shè)計(jì)常不需要進(jìn)行繁雜的參數(shù)計(jì)算，而需要清楚地掌握和理解集成電路的功能和特點(diǎn)。在模擬量輸出通道的設(shè)計(jì)中，選擇合適的 D/A 轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要，一般來講，對于 D/A 轉(zhuǎn)換電路，應(yīng)考慮以

31、下問題：(1) 通道技術(shù)要求所需要的分辨率、精度以與線性度。(2) 連接電平和 CPU 能否直接接口，數(shù)據(jù)是串行輸入還是并行輸入。(3) 輸出是電流形式還是電壓形式，滿刻度值的大小，能否滿足通道的技術(shù)要求等。 (4) 參考電壓類型。(5) 輸出電壓是單極性的還是雙極性的。(6) 速度是夠滿足通道技術(shù)要求。(7) 此外，在硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，還必須考慮通道的驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。合理的軟件設(shè)計(jì)可以簡化硬件電路。2.3.3 D/A 轉(zhuǎn)換器 D/A 轉(zhuǎn)換得基本知識D/A 轉(zhuǎn)換的基本原理是應(yīng)用電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，將 N 位數(shù)字量逐位轉(zhuǎn)換為模擬量并求和，從而實(shí)現(xiàn)將 N 位數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)得模擬量。由于數(shù)字量不是連續(xù)的，

32、其轉(zhuǎn)換后的模擬量自然也不會(huì)連續(xù)，同時(shí)由于計(jì)算機(jī)每次輸出數(shù)據(jù)和 D/A 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，因此實(shí)際上 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量隨時(shí)間的變化不是連續(xù)的，而是呈階梯狀。 D/A 轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)1. 分辨率其定義是當(dāng)輸出數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化（即 1LSB）時(shí)，所對應(yīng)得輸出模擬量的變化量，即等于：模擬量輸出的滿量程值/2N （N數(shù)字量位數(shù)） 。分辨率也可以用相對值（即 1/2N）百分率來表示。在實(shí)際使用中，又常用數(shù)字量的位數(shù)來作為分辨率。2. 轉(zhuǎn)換精度這是指一個(gè)實(shí)際的 D/A 轉(zhuǎn)換器與理想的 D/A 轉(zhuǎn)換器相比較的轉(zhuǎn)換誤差。精度反映 D/A 轉(zhuǎn)換的總誤差。其主要誤差因素可分為失調(diào)誤

33、差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。(1) 失調(diào)誤差（或零點(diǎn)誤差）. . . . 9 / 20其定義是黨輸入數(shù)字量為全 0 碼時(shí)，其模擬量實(shí)際輸出值與理想輸出值得偏差。對于單極性 D/A 轉(zhuǎn)換器，模擬量輸出的理想值是零。對于雙極性 D/A 轉(zhuǎn)換，此理想值是負(fù)的滿量程值。一定溫度下的失調(diào)誤差可以通過外部調(diào)整措施進(jìn)行補(bǔ)償。(2) 增益誤差（或滿量程誤差）當(dāng)輸入數(shù)字量為全 1 碼（即滿量程）時(shí)，實(shí)際輸出電壓值與理想值之間的偏差稱為增益誤差。此誤差是由于 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出與輸入傳遞特性曲線的斜率（稱為增益）存在誤差所引起的。計(jì)算增益誤差時(shí)應(yīng)將失誤誤差除去。一定溫度下的增益誤差也可通過外部調(diào)整

34、措施實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。3. 建立時(shí)間當(dāng) D/A 轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，輸出模擬量達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值即進(jìn)入規(guī)定的精度圍所需要的時(shí)間。4. 溫度系數(shù)以上各項(xiàng)性能指標(biāo)一般是在環(huán)境溫度為 250C 下測定的就。環(huán)境溫度的變化會(huì)對 D/A 轉(zhuǎn)換精度產(chǎn)生影響，這一影響分別用失調(diào)溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)和微分非線性溫度系數(shù)來表示。這些系數(shù)的含義是環(huán)境溫度變換 10C 時(shí)該項(xiàng)誤差的相對變化率，單位是 ppm/c 。. . . . 10 / 20第三章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)3.1 計(jì)算機(jī) DDC 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的要求1. 實(shí)時(shí)性DDC 系統(tǒng)是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，所以它的軟件應(yīng)是實(shí)時(shí)性控制軟件。計(jì)算機(jī)必須對生產(chǎn)過程（或裝置）的各種工藝

35、參數(shù)與時(shí)采集，不能丟失有用的信息；CPU 要盡快地進(jìn)行邏輯判斷或按規(guī)定的控制酸法進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，完成處理過程，輸出控制信號，以便對生產(chǎn)過程（或裝置）不失時(shí)機(jī)的加以控制。因此，實(shí)時(shí)性的概念對計(jì)算機(jī) DDC 系統(tǒng)具有特被重要的意義。2. 可靠性軟件的可靠性是指在一定時(shí)間圍，軟件執(zhí)行無故障的可能性和每次遇到故障時(shí)對擁護(hù)造成的影響大小?？煽啃愿叩能浖€應(yīng)該具有自動(dòng)容錯(cuò)、糾錯(cuò)功能，在誤操作時(shí)（如按錯(cuò)鍵、輸入錯(cuò)誤參數(shù)等）不會(huì)造成生產(chǎn)過程（或裝置）的嚴(yán)重失調(diào)。3. 人機(jī)交往功能軟件設(shè)計(jì)應(yīng)該方便操作人員與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“對話” ，生產(chǎn)過程的狀態(tài)要在控制面板上隨時(shí)顯示，而操作員也能在連機(jī)情況下修改程序與調(diào)節(jié)參數(shù)，變

36、更控制方案。3.2 數(shù)據(jù)采集3.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制方式1. 軟件延時(shí)定時(shí)控制2. 硬件定時(shí)、軟件查詢3. 多中斷控制方式4. 單中斷控制方式5. DMA 控制方式3.2.2 數(shù)據(jù)采集程序首先按順序采集 30 個(gè)溫度信號，然后再采集 10 個(gè)壓力信號，最后采集 10 個(gè)液位信號，這些信號共采集 5 遍存儲(chǔ)起來，采樣周期 T=2s。3.2.3 標(biāo)度變換程序變送器輸出的 420mA(DC)信號，經(jīng) I/V 變換后產(chǎn)生 15V（DC）信號，進(jìn)行 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換后，即得 12 位二進(jìn)制 x，其對應(yīng)的實(shí)際物理量要按下面方法求得（對于 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，. . . . 11 / 20

37、05V（DC）時(shí)輸出為 000FFFH） 。1. 溫度的標(biāo)度變換溫度的量程圍為-20+500C，其標(biāo)度變換計(jì)算公式為50( 20)(819)( 20)4095819yx (3-1)0(0.02136837.5)xC2. 壓力的標(biāo)度變換壓力的量程圍為 00.25Mpa，其標(biāo)度變換計(jì)算公式為0.250(819)04095819Px (3-2)52(7.63126 100.0625)(7.63126 1062.5)xmPaxKPa3. 液位的標(biāo)度變換液位的量程圍（差壓）為 00.2Mpa，其標(biāo)度變換公式為60.2 100(819)0. .(4095819)HxD g (3-3)61.0550000.

38、xD g式中，D 為啤酒（麥汁）的密度，單位為 Kg/m3; g 為重力加速度，單位為 m/s2;H 的單位為m。3.3 給定工藝曲線的實(shí)時(shí)插補(bǔ)計(jì)算給定工藝曲線由多段折線組成，每一段都是直線，故采用直線插補(bǔ)算法來計(jì)算各個(gè)采樣周期的給定值 r(k): (3-4)1111( )()nnnknnnrrr krtttt其中，和分別是第 n 段折線的兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)。1nknttt11(,)nntr( ,)nnt r3.4 控制算法 PID 算式加特殊處理. . . . 12 / 20采用增量型 PID 控制算式 (3-5)012()( )(1)(2)eeeu Kqkqkqk式中 01(1)DpTTqKTT

39、12(1)DpTqKT 2DpTqKT( )( )( )e kr ky k其中：r(k)為第 K 個(gè)采樣周期的實(shí)測溫度值它由式（4-4）確定；y(k)為第 K 個(gè)采樣周期的實(shí)測溫度值，它由式（4-1）確定； T 為采樣周期（T=2s） 。根據(jù)被控對象的特點(diǎn)，在 PID 算式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行以下特殊處理：在保溫段，r(k)不變，采用 PI 控制算式；降溫段采用 PID 控制算式；為了減小被控對象純滯后的影響，在給定溫度曲線轉(zhuǎn)折處作特殊處理，即由保溫段轉(zhuǎn)至降溫段時(shí)提前開大調(diào)節(jié)閥，而在降溫段轉(zhuǎn)至保溫段時(shí)提前關(guān)小調(diào)節(jié)閥，其目的是使溫度轉(zhuǎn)折時(shí)平滑過渡。增量式 PID 在算法上有不少優(yōu)點(diǎn)：1. 計(jì)算機(jī)發(fā)生故

40、障時(shí)，影響圍小。由于它每次只輸出控制增量，即對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量，輸出變化圍不大（0） ，所以，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程。maxu2. 手動(dòng)-自動(dòng)切換時(shí)沖擊小。由于它每次輸出的最大幅度為，所以，當(dāng)控制從手動(dòng)maxu切換到自控時(shí)，可做到無擾動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。計(jì)算工作量小。算式中不需要累加。3.5 軟件調(diào)試軟件設(shè)計(jì)的全過程可以分為 4 個(gè)階段，它們是：分析問題、繪制流程圖、編輯程序（產(chǎn)生程序代碼） 、軟件調(diào)試。軟件調(diào)試的基本原則是：先分調(diào)，后總調(diào)；先模擬試驗(yàn)，后現(xiàn)場試驗(yàn)。程序編寫完畢，首先要按模塊和子程序進(jìn)行分段試驗(yàn)，可用一些事先準(zhǔn)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或附加一部分程序來產(chǎn)生模擬的

41、外部信號和狀態(tài)，以檢驗(yàn)這些模塊和子程序的功能和獨(dú)立工作能力。對于有時(shí)間限制的程序，還要通過計(jì)算或測試來確定其執(zhí)行速度，以免影響實(shí)時(shí)控制的要求。. . . . 13 / 20第四章 總結(jié)啤灑發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程。發(fā)酵期間，根據(jù)酵母的活動(dòng)能力，繁殖快慢，確定發(fā)酵給定的溫度。要使酵母的繁殖與哀減，麥汁中糖度的消耗和雙乙酞等雜質(zhì)含量達(dá)到最佳狀態(tài)，必須嚴(yán)格控制發(fā)酵各個(gè)階段的溫度。因此，啤灑發(fā)酵過程，除生產(chǎn)工藝水平外，生產(chǎn)工序控制指標(biāo)的優(yōu)劣，將直接影響啤灑生產(chǎn)的質(zhì)量，必須嚴(yán)格加以控制。目前，我國啤灑生產(chǎn)規(guī)模逐年擴(kuò)大，但是，大部分啤灑生產(chǎn)廠家仍然采用常規(guī)儀表進(jìn)行生產(chǎn)控，依靠人工視各個(gè)參數(shù)，人為因素較多。所以，人工控制方式將難以保證生產(chǎn)工藝的正確執(zhí)行，從而導(dǎo)致啤灑質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)，并且，很難提高生產(chǎn)能力，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。為此，我們對啤灑生產(chǎn)的發(fā)酵過程提出采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，使啤灑發(fā)酵生產(chǎn)控制與生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理集于一身，這樣才能適應(yīng)當(dāng)前啤灑現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求，使企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，生產(chǎn)管理以與市場