啤酒發(fā)酵計算機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、課程設(shè)計報告題 目：啤酒發(fā)酵計算機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計課 程：專 業(yè)：班 級：姓 名：學(xué) 號：、課程設(shè)計目的和任務(wù)計算機控制技術(shù)是一門實用性和實踐性都很強的課程，課程設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計算機控制技術(shù)的課程設(shè)計是一個綜合運用知識的過程，它需要控制理論、程序設(shè)計、硬件電路設(shè)計等方面的知識融合。通過本課程設(shè)計，學(xué)生應(yīng)學(xué)習(xí)并掌握：1 掌握總線式工業(yè)控制機控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計，包括工業(yè)控制機、模擬輸入、輸出 通道設(shè)計和元器件選型，掌握模擬量輸入、輸出通道及接口連接線路繪制。2 掌握工業(yè)控制機控制系統(tǒng)軟件方案（數(shù)學(xué)模型分析、控制策略、控制算法等）設(shè)計， 掌握數(shù)據(jù)采集及處理程序、控制算法程序和模擬量

2、輸出程序流程圖及軟件編程。這次課程設(shè)計的任務(wù)是：啤酒發(fā)酵計算機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計二、課程設(shè)計的要求2.1啤酒發(fā)酵工藝簡介啤酒發(fā)酵是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程，通常在錐型發(fā)酵罐中進行。在二十多天的發(fā)酵期間，根據(jù)酵母的活動能力，生長繁殖快慢，確定發(fā)酵給定溫度曲線，如下圖所示。要使酵母 的繁殖和衰減、麥汁中糖度的消耗和雙乙酰等雜質(zhì)含量達到最佳狀態(tài)，必須嚴格控制發(fā)酵各階段的溫度，使其在給定溫度的土 0.5 C范圍內(nèi)。r/°cl2.2系統(tǒng)控制要求(1)現(xiàn)要求控制1個200m3的錐形啤酒發(fā)酵罐，罐測量 3個參數(shù)，即發(fā)酵罐的上、中、下三段溫度，三段溫度的測量范圍：-20 +50 C,共有三個溫度測量點，

3、因此需檢測3個參熱(2)自動控制各個發(fā)酵罐中的上、中、下三段溫度使其按上圖所示的工藝曲線運行，溫度控制誤差不大于土 0.5 C。共有3個控制點。（3 ）控制規(guī)律被控對象可視為純滯后的一階慣性：a、 在恒溫段采用增量型PI控制算法b、 在升溫和降溫段采用增量型PID控制算式c、考慮被控對象為純滯后的一階慣性，還要采用施密斯（ Smith ）預(yù)估計控制算法。（4）系統(tǒng)軟件設(shè)計要求a、 數(shù)據(jù)采集程序：按順序采集三個溫度信號，每個信號采集5次并儲存起來，采樣周期 為 T=2s。b、數(shù)字濾波程序c、溫度標度變換程序d、給定工藝曲線的實時插補計算e、控制算法PID算式加特殊處理施密斯（Smith）預(yù)估控制

4、算式三、硬件總體設(shè)計方案3.1概述根據(jù)設(shè)計要求可以得到系統(tǒng)的總體框圖如下所示:本系統(tǒng)主要由 AT89S52單片機、溫度采集電路、8155擴展電路、液晶顯示接口、鍵盤接口、報警電路、DAC0832,電壓放大和V/I轉(zhuǎn)換等單元組成。3.1控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖3.2主要器件選擇及簡介3. 2.1 單片機 AT89S52AT89S52的引腳分布如圖3-2所示rssIOH 111 31 BliH j1 6H "P1 JI rHUFl .o 1.1 Pl .3 P 1. M miF3 1.5 Pl.<5工./丄'：_> 3/EWTTJ .-5/£1'4&q

5、uot;丄 1 理廠廠Cl sTT" 1 廿廣時艮 Z/KIZ>3837JO了戸MHXIil3P開02玉K423ZZH 1呻?yún)[I"V匸u HU. U PO丄 pn 3 ro 3 P 口 -4 f . m圖3-2 AT89S52引腳圖3. 2.2溫度傳感器 DS18B20DS18B20的引腳圖如I圖3-3所示。DS18B20遵循嚴格的單線串行通信協(xié)議，每一個DS18B20在出廠時都用激光進行了調(diào)校，并且具有唯一的64位序列號。DS18B20的內(nèi)部1己34Q765使用了在板（ON-BOARD）專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只二極管的集成 電路內(nèi)，三端口分別是

6、地線、數(shù)據(jù)和電容。其外圍電路簡單，可廣泛應(yīng)用于溫度控制和溫度 測量系統(tǒng)中。NC NCNC NCVDE NCDQ GNDDS18B20圖3-3 DS18B20引腳圖行儲和控制邏卿VDD供屯選樣1岳速緩仔曙 Jz± 配盤寄存器8iCRC生成器圖3-4 DS18B20內(nèi)部功能框圖8位CRC校驗碼48位庁列號8位產(chǎn)品序列號MSB LSBMSB LSBMSB LSB溫度報警觸發(fā)器和設(shè)置寄存器都由非易失性電可擦寫存儲器(E2PR0M組成，設(shè)置值可以通過相應(yīng)命令寫入，一旦寫入不會由于掉電而丟失。3. 2.3LED 顯示驅(qū)動 MAX7219MAX7219是一種新型的串行 LED數(shù)碼管驅(qū)動器。它集BC

7、D碼譯碼器、多路掃 描儀、段驅(qū)動和位驅(qū)動于一體，內(nèi)含8X8位雙口靜態(tài)SRAM，每片最多可驅(qū)動 8個LED數(shù)碼管。它與微機的接口十分簡單，僅用3根線即可實現(xiàn)多位數(shù)碼管的顯示。MAX7219與數(shù)碼管可以直接相連，不用三極管驅(qū)動和大量限流電阻，也不用譯碼器、鎖存器和其它硬件電路。因此MAX7219成為儀表、儀器LED顯示的首選接口電路芯片。MAX7219的引腳圖和引腳說明分別如圖 3-8和表3-6所示000000002 4 6 8 0 2 4 石SO24 1 11-1 1 22.2 6NXVW'13 5 7 9 13 1S570-111112S-DICjO二 CJNJD DIGSDIG7 r

8、)TCr5 5ctad三 BHCBISETSJZGC :'SHGDP 三 DOUT圖3-8 MAX7219引腳圖3.3功能電路設(shè)計3. 3.1測溫電路根據(jù)本控制系統(tǒng)的實際需要，然后再考慮到DS18B20獨特的單總線接口、多點組網(wǎng)功能以及很高的測溫精度。本溫度檢測系統(tǒng)是由 AT89S52組成的控制模塊和 3個溫度傳感器mDS1SB20U1DS1SB20U2DS1SB20DS18B20組成的檢測電路組成的。具體連接電路如圖3-9所示。AT89S52單片機的P1.1 口來完成對總線的上拉。由于總線只有1根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的。圖 3-9采用外部電源供電方式，P1.0 口接數(shù)據(jù)總線，

9、只要在數(shù)據(jù)線上加一個4.7K Q的上拉電阻，另外2個腳分別接電源和地，這種電路連接方式可靠、編程簡單3. 3.2顯示與按鍵電路設(shè)計人和單片機之間的對話是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的一個必要的組成部分，主要包括鍵盤和顯示這兩部分。3.3.2.1顯示電路設(shè)計顯示電路系統(tǒng)是實現(xiàn)人機聯(lián)系的主要途徑。顯示系統(tǒng)根據(jù)發(fā)酵罐內(nèi)的反應(yīng)情況，需要實時循環(huán)顯示出三路冷卻液溫度、發(fā)酵罐溫度、罐內(nèi)壓力、液位以及三路閥門的準確位置，并在參數(shù)設(shè)定時顯示更新的數(shù)據(jù)，同時LED顯示器又承擔(dān)對發(fā)酵罐內(nèi)部溫度反應(yīng)工藝曲線的設(shè)定參數(shù)的顯示任務(wù)，以達到更好的人機對話。單片機通過LED驅(qū)動電路把顯示值到數(shù)碼管，通過譯碼選擇某一個數(shù)碼管顯示溫度值的

10、某一位，可以動態(tài)循環(huán)掃描，軟件實現(xiàn)方式顯示設(shè)定值，動態(tài)顯示的掃描頻率一般在50Hz以上，每個數(shù)碼管能有1 ms的導(dǎo)通時間，從而肉眼感覺不到閃爍。本課題采用一種基于MAX7219 芯片的LED串行顯示技術(shù)。nBlnl蠱益tswlr黑4兀L_|aiW-2?KFLED顯示是由 Maxim 公司生產(chǎn)的 MAX7219 來驅(qū)動的。 MAX7219 與單片機之間的數(shù)據(jù)傳送最快最有效的方法是串行外設(shè)接口SPI ,對不帶SPI接口能力的單片機，需要軟件合成SPI操作與MAX7219接口。硬件連接電路如圖 3-10所示。其中AT89S52單片機的P 1.5 口作串行數(shù)據(jù)輸出。3. 2.3按鍵電路設(shè)計鍵盤是單片機

11、應(yīng)用系統(tǒng)中一個至關(guān)重要的部分。它能實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)計算機的主要手段。圖3-11為按鍵接口電路。TP?獨立式按鍵就是各按鍵相互獨立。八個鍵分別是日歷時鐘、溫度時鐘、啟動時刻設(shè)定、 定時時間設(shè)定、恒溫設(shè)定、確認六個功能鍵和增、減數(shù)字兩個控制鍵。3. 3.4報警電路設(shè)計圖3-12是本系統(tǒng)溫度報警器電路原理圖。本電路由音樂片及外圍原件構(gòu)成。溫度傳感器采用測量范圍為0100 C的電接點玻璃溫度計。溫度計最大額定電壓為36V，額定電流為20mA。音樂片采用MX-0 1或786153系列音樂片集成塊。上限報警電路由IC2, VD5, VT1, VT2構(gòu)成，下限報警電路由IC3, VD

12、6, VT3,VT4等構(gòu)成。兩只電接點玻璃溫度計分別設(shè)定 在上下限溫度給定值，并插在被檢測系統(tǒng)的有關(guān)部分，將溫度計電極分別接在上下限溫度控制點SKD1和SKD2上。啤酒發(fā)酵罐內(nèi)部麥汁溫度正常時，接在SKD1的電接點溫度計開路，VT1基極無偏流而截止，發(fā)光二極管VD5不發(fā)光，音樂片IC2不被觸發(fā)；接在SKD2上的控制下限溫度的電 接點溫度計接通，VT3基極和發(fā)射極短路，lb等于零，VT3截至，發(fā)光二極管 VD6不亮， IC3音樂片不觸發(fā)。這時，上下限報警電路均不做聲。如果被檢測系統(tǒng)的溫度達到上限給定的值，上限控制接點SDK2接通，由電阻R2提供偏流，使晶體管VT1導(dǎo)通，上限發(fā)光二極管 VD5發(fā)光

13、報警，同時VT1觸發(fā)音樂片IC2的2 腳，使3腳輸出音頻電流，通過晶體管VT2放大，推動揚聲器 BY發(fā)出音樂報警聲。如果被檢測系統(tǒng)的溫度還沒有調(diào)節(jié)到低于上限給定值，聲光報警信號始終不止。如果被檢測系統(tǒng)溫度低于下限給定值，與上面情況相反。電源采用220V交流電路電容C1降壓。VD1-VD2橋式整流，電容 C2濾波，三端穩(wěn)壓集成塊 IC1穩(wěn)壓后，輸出5 V 直流電壓，1.5A電流。由于電壓絕大部分降到電容C1上，所以，C1取值基本上取決于輸出電流值。C1要求耐壓大于400V其容量按音樂片最大工作電流計，選擇3uF。為了使音樂片聲音宏亮，VT2和VT4選用中功率晶體管，如3DG12B等，3>0

14、左右。IC2和IC3可公用一個揚聲器，選 4Q或8Q電動揚聲器。為區(qū)別上下限溫度報警。VD5和VD6選用兩種顏色的發(fā)光二極管，一般上限的選紅色的，下限的選綠色的較好一些。3. 3.5接口電路設(shè)計3. 3. 5. 1與上位機通訊接口為了提高整個溫度控制系統(tǒng)的管理和控制能力，許多廠家的整個啤酒發(fā)酵系統(tǒng)采用了主從分布式集散控制系統(tǒng)。3. 3.5 .1.1RS-232C 總線接口RS232-C是目前最常用的串行接口標準，它的電氣接口使用單端的、不平衡的發(fā)送器和接收器。RS232-C的傳輸電平采用負邏輯，規(guī)定+5V+15V為邏輯0"-5V-15V為邏輯“1",數(shù)據(jù)傳輸速率局限在 20

15、Kb/s以下。由于單片機和 PC機的RS-232接口不能直接“握手”必須進行電平轉(zhuǎn)換。采用了自升壓電平轉(zhuǎn)換集成芯片ICL232 。Fig.3-13 ICL232 CMOS chip feet encapsulation chart3. 3. 5.1.2RS-422 總線接口RS-422標準是美國電子工業(yè)防會于 1978年公布的，是為了在本質(zhì)上提高串行通訊電 氣特性，又在數(shù)據(jù)格式上與 RS-232兼容。RS-422在發(fā)送端通過傳輸線驅(qū)動器，把邏輯電 平變換成分別為同相和反相的一對差分信號，在接收端通過傳輸線接收器把差分信號轉(zhuǎn)換成邏輯電平。差分信號的差分電壓低于某一閩值或高于某一閩值分別表示兩個邏

16、輯電平。INAVCC01I4TId011麗A/O(MTTD2ouCDOT>CNILoltbFB頂2GN廠1?C圖3-14DS3486芯片封裝圖3-15 DS3487芯片封作為單片機與上位機之間的以RS-422標準的接口，電路采用 DS3486,DS3487來對其電平轉(zhuǎn)換器件。 DS3487用于把單片機輸出的 TTL電平轉(zhuǎn)換成 RS-422 電平，DS3486用于RS-422電平轉(zhuǎn)換成單片機的 TTL電平。它們具有三態(tài)控制的發(fā)送、接受驅(qū)動器，具有四個獨立的接收器、發(fā)送器、遵從平衡/非平衡電壓數(shù)字接口電路電氣特性的EIA標準，輸出為與74LS兼容的三態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)對應(yīng)的輸出控制引腳達到邏輯零條件

17、時， 被強制為高阻抗狀態(tài)。DS3486的芯片管腳封裝如圖 3-14所示，DS3487的外部封裝如圖 3-15所示，其封裝圖與 DS3486相似。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)構(gòu)成本系統(tǒng)的軟件由主程序 MAIN、外部中斷服務(wù)子程序 JINT、定時/計數(shù)器TO中斷 服務(wù)子程序JTO、定時/計時器T1中斷服務(wù)子程序 JT1、串行中斷服務(wù)子程序JSR、按鍵處理模塊、顯示模塊、報警模塊和讀數(shù)據(jù)子程序RDBYT，寫數(shù)據(jù)子程序 WRBYT等構(gòu)成。其中外部中斷服務(wù)子程序JINT中又包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、PID計算子程序。各模塊功能說明如下：主程序模塊：完成系統(tǒng)的自檢、初始化和協(xié)調(diào)各功能模塊工作。外部中斷

18、服務(wù)子程序 JINT:在這個中斷服務(wù)程序部分里要完成對被測量的讀取、變 換、Fuzzy-PID計算和限幅任務(wù)。主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、Fuzzy-PID計算子程序來完成。定時/計數(shù)器TO:完成對系統(tǒng)運行時間的計時。串行口中斷服務(wù)子程序JSR:其主要是接收來自集散控制系統(tǒng)的主機的信息，向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從主機設(shè)定或修改每個發(fā)酵罐反映參數(shù)的功能和向主機提供集散控制管理 的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊：完成定時采集上、中、下三層溫度、壓力的液位及四個閥門工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及存儲；對測量值進行判斷是否超過限值，利用發(fā)光二極管指示工作狀態(tài)和超限報警信號。數(shù)據(jù)處理模塊：判斷當(dāng)前的測量

19、值處于發(fā)酵工藝曲線的哪一段折線上，然后根據(jù)相應(yīng)的線性化公式計算出此次采樣的線性值。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定值的誤差進行Fuzzy-PID運算，計算出閥門的開度，從而輸出相應(yīng)的控制量。Fuzzy-PID計算子程序：根據(jù)測量值與設(shè)定值的偏差，利用Fuzzy-PID運算公式，計算出系統(tǒng)應(yīng)輸出的控制量。按鍵處理模塊：在發(fā)酵的最初階段，需要對發(fā)酵過程中的溫度按照控制工藝要求進行相應(yīng)的設(shè)定，需要輸入3層溫度隨時間的變化關(guān)系，參數(shù)設(shè)定權(quán)限的密碼系統(tǒng)的PID參數(shù)。另外還要進行運行的開始與停止空罐降溫和洗罐等命令的操作等。顯示模塊：根據(jù)采樣所得的結(jié)果，要求對采樣結(jié)果進行實時顯示，以及輸入?yún)?shù)的顯示，對當(dāng)前輸入位進行

20、閃爍顯示，對操作進行提示。讀數(shù)據(jù)子程序 RDBYT，寫數(shù)據(jù)子程序 WRBYT:實現(xiàn)單片機與串行 EZPROM的數(shù)據(jù)傳遞功能，作為整個裝置掉電之后的保護措施。4. 1.1主程序MAIN圖4-1主程序流程圖主程序的具體要求簡述如下 定義系統(tǒng)運行過程中所需要的變量，以及顯示器需要的段碼 分配硬件系統(tǒng)所擁有的相關(guān)資源，如寄存器、ROM、中斷資源和堆棧等 完成系統(tǒng)的自檢； 在程序運行過程中，按照發(fā)酵工藝的要求，依次完成對系統(tǒng)各模塊的調(diào)用，并將結(jié)果提供給用戶參考 ； 在各模塊調(diào)用過程中，實現(xiàn)調(diào)用過程的現(xiàn)場保護，以確保子程序運行完成返回主程序時能夠正確執(zhí)行 ； 保存系統(tǒng)運行過程中的必要參數(shù)，如發(fā)酵工藝參數(shù)，

21、密碼等。4. 1.2采樣程序模塊采樣模塊主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換控制和數(shù)字濾波兩個部分。系統(tǒng)中所使用的ADC是與SPI總線相兼容的串行接口，而AT89S52單片機內(nèi)沒有提供這一類串行口。于是，在本系統(tǒng)的具體實施中采用了并行口線的位控方式，用軟件來仿真SPI的時序。這種方法可以減少硬件的開銷，是典型的以“以軟代硬”的做法。其缺點是程序相對比較復(fù)雜，目_運行速度有所限制。不過，由于本系統(tǒng)對采樣速度要求不高，因此對本系統(tǒng)不會造成影響。在數(shù)字濾波中使用較多的是算術(shù)平均值法和中值法。為此，在本系統(tǒng)的溫度檢測過程中采用了中值平均數(shù)字濾波，通過軟件對輸入的數(shù)據(jù)進行必要的處理運算。具體流程如圖4-2所示，連續(xù)采集50

22、次同一通道的溫度值，去掉其中10個最大值和10個最小值，然后計算中間的30個數(shù)據(jù)的平均值。此方法的實質(zhì)是先用中值濾波的原理除去尖脈沖干擾引起的誤差，然后把剩下的采樣數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均，這樣就融合了算術(shù)平均值法和中值濾波法的優(yōu)點。圖4-2數(shù)字濾波流程圖五、控制算法模糊PID本文仿真所采用的數(shù)學(xué)模型由參考文獻15所提供，即罐高度為 8m,直徑為5 m時的露天發(fā)酵罐。利用本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)仿真實驗參考文獻中的數(shù)學(xué)模型，從而可以驗證本文設(shè)計控制系統(tǒng)的可行性。在發(fā)酵罐內(nèi)部的上、中、下三段設(shè)置有三段蛇形管，相應(yīng)地設(shè)立 上、中、下三個測溫點和三個電磁閥。發(fā)酵前期和后期的數(shù)學(xué)模型分別為G1和G2。其具體公式為

23、 143044尸力-0.615915嚴°7466.73/ + 435.89$+14844.18$，+ 286.25$+10.2301嚴°0.914839嚴°294987/+ 139.0血+1 814296*+51595$+1-0615915廠°_0：85914財汕%）二48418/72825 + 1624178? + 450 76y +1-0.914839尸汕-0.41655財叫814796/ + 575.95$+ 1 767975, + 444.95$+1仿真主程序如圖5-1所示圖5-1仿真主程序圖Fig.5 一 1 Simulate main pro

24、gram仿真結(jié)果圖5-2發(fā)酵前期仿真溫度曲線Fig.5-2 Simulate temperature curve in the prophase ferme nt發(fā)酵前期，以上、中部溫度為被控量，發(fā)酵罐的壓力等其它工況正常的情況下仿真結(jié)果如圖5-3所示。由發(fā)酵前期仿真結(jié)果看出，中部與上部溫度基本相同，滿足工藝要求，即上、中溫度保持均衡，抑制發(fā)酵液的對流有利于降糖及雙乙酞還原。5-3所示。發(fā)酵后期，以中、下部溫度為被控制量，其仿真結(jié)果如圖圖5-3發(fā)酵后期仿真溫度曲線Fig.5 3 Simulate temperature curve in the an aphase of beer ferme

25、ntati on發(fā)酵工藝要求一旦雙乙酞符合工藝指標，就可以對發(fā)酵液進行冷卻操作，使酵母沉淀即進入發(fā)酵后期的控制。這時，為了加快酵母的沉淀而不使其懸浮，應(yīng)使罐內(nèi)發(fā)酵液上面熱下面冷，即下部溫度要低于中、上部溫度，由發(fā)酵后期仿真結(jié)果圖5-3可以看出，中、下溫差約為30C,可以滿足工藝要求，另由發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)決定了其內(nèi)中、上部具有相同的溫度場， 所以在發(fā)酵后期，上部閥門采取與中部閥門相同的控制策略。由仿真結(jié)果圖可以看出，本文所提出的控制策略能夠使發(fā)酵罐內(nèi)部麥汁溫度從開始的不符合發(fā)酵工藝要求的溫度平穩(wěn)的過渡到符合工藝要求的溫度，基本滿足發(fā)酵工藝的要求，并在400h左右時趨于穩(wěn)定狀態(tài)，從而保證了該控制策略的實用性和有效性。六、實驗結(jié)果本論文在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計上，以 AT89S52單片機為核心，單片機外圍配備相應(yīng)的硬件電 路，從而組成了以單片機為核心的啤酒發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)。由于本系統(tǒng)負責(zé)采