單片機控制啤酒發(fā)酵系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、畢業(yè)論文（設計） 單片機控制啤酒發(fā)酵系統(tǒng) 畢業(yè)設計 學 生 姓 名： 指導教師： 合 作 指 導 教師： 專業(yè)名稱： 所在學院： 2013 年 5 月 目錄 摘要 .i 引言 .ii 第一章 啤酒發(fā)酵工藝概述 .1 第二章 硬件電路設計 .4 2.1 概述 .4 2.2 模擬量輸入通道 .5 2.2.1 模擬量輸入通道的一般結構形式 .5 2.2.2 模擬量輸入通道設計中應考慮的問題 .5 2.2.3 a/d 轉換器.6 2.3 模擬量輸出通道 .7 2.3.1 模擬量輸出通道設計 .7 2.3.2 模擬量輸出通道設計中應考慮的問題 .8 2.3.3 d/a 轉換器.8 第三章 系統(tǒng)軟件的設計

2、 .10 3.1 計算機 ddc 系統(tǒng)的軟件設計的要求 .10 3.2 數(shù)據(jù)采集 .10 3.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制方式 .10 3.2.2 數(shù)據(jù)采集程序 .10 3.2.3 標度變換程序 .10 3.3 給定工藝曲線的實時插補計算 .11 3.4 控制算法 .11 3.5 軟件調試 .12 第四章 總結 .13 致 謝 .14 參考文獻 .15 摘要 我國的啤酒市場非常巨大，國內生產(chǎn)啤酒的企業(yè)數(shù)以百計，但與國外的主要啤酒生產(chǎn)廠家 相比大部分企業(yè)技術落后，大部分處于手動控制階段，只有極少數(shù)企業(yè)實現(xiàn)半自動化。由于啤 酒生產(chǎn)是一個利用生物加工進行生產(chǎn)的過程，生產(chǎn)周期長，過程參數(shù)分散性大，傳統(tǒng)操

3、作方式 難以保證產(chǎn)品的質量。近年來，國外的各大啤酒生產(chǎn)廠家紛紛進軍中國市場，憑借技術優(yōu)勢與 國內的啤酒生產(chǎn)廠家爭奪市場份額。國內的啤酒行業(yè)迫切要求進行技術改造，提高生產(chǎn)率，保 證產(chǎn)品質量，以確保在激烈的市場競爭中立于不敗之地。 發(fā)酵過程計算機上控制，特別是微機控制，己經(jīng)在我國發(fā)酵工業(yè)中推廣應用，我國大型的 發(fā)酵罐有 7000 多臺，若都能用微機控制，發(fā)酵效益的提高是十分可觀的。發(fā)酵過程中微機控制 應用，早期的有多 std 總線的微機系統(tǒng)，最近的有工業(yè) pc 機系統(tǒng)，這些系統(tǒng)比較簡單，價格便 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 同改進型的微機系統(tǒng)供

4、發(fā)酵過程控制應用。 隨著的小型集散控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用，在發(fā)酵工業(yè)上現(xiàn)已采用先進的集散控 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。隨著微機在發(fā)酵過程控制中的應用不斷發(fā)展，各種測量傳感器、二 次儀表和執(zhí)行機構的完善，發(fā)酵罐系統(tǒng)完全自動化操作和控制的目的就可以實現(xiàn)。 關鍵詞:流量閥,微機控制,自動控制 引言 單片機誕生于 1971 年，經(jīng)歷了 scm、mcu、soc 三大階段，早期的 scm 單片機都是 8 位 或 4 位的。其中最成功的是 intel 的 8031，此后在 8031 上發(fā)

5、展出了 mcs51 系列 mcu 系統(tǒng)。 基于這一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領域要求的提高，開始出現(xiàn) 了 16 位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90 年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā) 展，單片機技術得到了巨大提高。隨著 intel i960 系列特別是后來的 arm 系列的廣泛應用， 32 位單片機迅速取代 16 位單片機的高端地位，并且進入主流市場 單片機，全稱單片微型計算機（英語：single-chip microcomputer） ，又稱微控制器 （microcontroller） ，是把中央處理器、存儲器、定時/計數(shù)器（timer/counter）

6、、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算機。與應用在個人電腦中的通用型微處理器相比， 它更強調自供應（不用外接硬件）和節(jié)約成本。它的最大優(yōu)點是體積小，可放在儀表內部，但 存儲量小，輸入輸出接口簡單，功能較低。由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機的定義已不能滿 足，所以在很多應用場合被稱為范圍更廣的微控制器；由于單芯片微電腦常用于當控制器故又 名 single chip microcontroller，但是目前在中國大陸仍多沿用“單片機”的稱呼。 單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處 理器 cpu 隨機存儲器 ram、只讀存儲器 rom、多種

7、 i/o 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能 （可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、a/d 轉換器等電路）集成到一 塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域的廣泛應用。從上世紀 80 年 代，由當時的 4 位、8 位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的 32 位 300m 的高速單片機。 單片機作為計算機發(fā)展的一個重要分支領域，根據(jù)目前發(fā)展情況，從不同角度單片機大致 可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。 通用型/專用型 這是按單片機適用范圍來區(qū)分的。例如，80c51 是通用型單片機，它不是為某種專用途設 計的；專用型單片機是針對一類產(chǎn)品甚至某一個產(chǎn)品設

8、計生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計的 要求，在片內集成 adc 接口等功能的溫度測量控制電路。 總線型/非總線型 這是按單片機是否提供并行總線來區(qū)分的。總線型單片機普遍設置有并行地址總線、 數(shù)據(jù) 總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多 單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成一片內，因此在許多情況下可以不要并行擴展總 線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。 控制型/家電型 這是按照單片機大致應用的領域進行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算能力強； 用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設接口集成度高

9、。 顯然， 上述分類并不是惟一的和嚴格的。例如，80c51 類單片機既是通用型又是總線型，還可以作工 控用。 而傳統(tǒng)的 8 位單片機的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 型號出廠價格跌落至 1 美元，最高端的型號也只有 10 美元。 當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(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 應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用 專用的 windows 和 linux 操作系統(tǒng)。 單片微型計

10、算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（microcontroller unit） ，常用英文 字母的縮寫 mcu 表示單片機，單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片， 而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機 只缺少了 i/o 設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、 為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳 選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領域。 由于單片機在工業(yè)控制領域的廣泛應用，單片機由芯片內僅有 cpu 的專用處理器發(fā)展而來。 最早的設計理念是通過將大量外圍

11、設備和 cpu 集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易 集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。 intel 的 z80 是最早按照這種思想設計出的處理器，當時的單片機都是 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 系列單片機系統(tǒng)。因為簡單可靠 而性能不錯獲得了很大的好評。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，直到目前基于 8031 的單片機還在廣泛的使用。在很多方面單片機比專用處理器更 適合應用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了廣泛的應用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多處理器，

12、 隨著單片機家族的發(fā)展壯大，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。 現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、電話、計算 器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都配有 1-2 部單片機。 汽車上一般 配備 40 多部單片機，復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù) 量不僅遠超過 pc 機和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。 目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈 的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時 控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 ic

13、卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、 全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控 制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機械了。因此，單片機的學習、開發(fā)與應 用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。 單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過 程控制等領域。 . 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)酵以及過濾分裝三個環(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、蛋白質等分解 成可溶性低分子糖類、氨基酸、

14、脈、膚等物質，形成啤酒發(fā)酵原液麥汁。 (2) 發(fā)酵 圖 1.1 發(fā)酵溫度工藝設定曲線 啤酒發(fā)酵是一個微生物代謝過程，簡單的說是把糖化麥汁經(jīng)酵母發(fā)酵分解成 c2h5oh， co2， h2o 的過程，同時還會產(chǎn)生種類繁多的中間代謝物雙乙酞、脂肪酸、高級醇、酮等，這些代謝產(chǎn) 物的含量雖然極少，但它們對啤酒的質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。 一般認為，低溫發(fā)酵可以降低雙乙酞、脂類等代謝物的含量，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)濟效益。整個發(fā)酵過程分前酵和后酵兩個階段，發(fā)酵 溫度的工藝設定典型曲線如圖 2.1 所示。不同品種、不同工藝所要求的溫度控制

15、曲線會有所不 同。 (1) 前酵 這個階段又稱為主發(fā)酵。麥汁接種酵母進入前酵，接種酵母幾小時以后開始發(fā)酵，麥汁糖 度下降，產(chǎn)生 co2并釋放生化反應熱，使整個罐內的溫度逐漸上升。經(jīng)過 23 天后進入發(fā)酵最 為旺盛的高泡期再經(jīng)過 23 天，糖度進一步降低，降糖速度變慢，酵母開始沉淀，當罐內發(fā)酵 糖度達標后進行降溫轉入后酵階段。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 當罐內溫度從前酵的 12降到 5左右時后酵階段開始，這一階段最重要的是進行雙乙酞 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，降低氧含量，提高啤酒穩(wěn)定性。 一旦雙

16、乙酞指標合格，發(fā)酵罐進入第二個降溫過程，以 0.150c/h 的降溫速率把罐內發(fā)酵溫度從 5降到 0-1左右進行貯酒，以提高啤酒的風味和質量。經(jīng)過一段時間的貯酒，整個發(fā)酵環(huán) 節(jié)基本結束。 通常發(fā)酵液溫度在不同的發(fā)酵階段，對罐內發(fā)酵液的溫度場要有相應的要求：在前酵階段 希望發(fā)酵罐內從罐頂?shù)焦薜子幸徽臏囟忍荻?，即從控制上層溫度為主，以利于發(fā)酵液對流和 酵母在罐內的均勻混合；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、后酵結束以后，啤酒將通過過濾機和高溫瞬時殺菌進行生物以及膠體穩(wěn)定處理然后灌 裝。啤酒過濾是一種分

17、離過程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母細胞和其它混濁物從啤 酒中分離出去，否則這些物質會在以后的時間里從啤酒中析出，導致啤酒混濁，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)，則微生物可以在啤酒中迅速繁殖，導致啤酒 混濁，其排泄的代謝產(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行生物穩(wěn)定性 處理的最后一個環(huán)節(jié)。 至此，一個啤酒和生產(chǎn)周期結束。 2、啤酒發(fā)酵過程溫控對象的特點 發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設備，圖 2.2 為圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖，酵母在罐內發(fā)生反應而產(chǎn)生 熱量，使麥汁溫度升高，因此在罐壁設置有上、中、下三段冷卻套，相應的設立上、中、下三 個測溫點和三個調節(jié)閥，

18、通過閥門調節(jié)冷卻套內冷卻液的流量來實現(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。該廣義對象是一個三輸入、三輸出的多變量系統(tǒng)，機理 分析和實驗表明啤酒發(fā)酵罐的溫控對象不同于一般的工業(yè)對象，主要有以下幾個方面的特點： (1) 時滯很大 圖 1.2 圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖 在整個發(fā)酵過程中，由于生化反作用產(chǎn)生的生化反應熱導致罐內發(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)酵罐冷卻夾套內通入酒精水或液態(tài)氨，來帶走多余的反應熱。 由于罐內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進行熱量交換，發(fā)酵液內部 存在一定的對流，影響到測溫點，這就使得控制量的變化后，要經(jīng)過一段時間，

19、被控量才發(fā)生 變化，因此這類系統(tǒng)會表現(xiàn)出很大的時滯效應。例如一個 120m3啤酒發(fā)酵罐溫度響應的滯后時間 一般在 530min 之內變化。 (2) 時變性 發(fā)酵罐的溫控特性主要取決于發(fā)酵液內生化反應的劇烈程度。而啤酒發(fā)酵是從起酵、旺盛、 衰減到停止不斷變化的間歇生產(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變性。 (3) 大時間常數(shù) 發(fā)酵罐體積大，發(fā)酵液體通過罐壁與冷卻水進行熱交換的過程比較慢。 第二章 硬件電路設計 2.1 概述 根據(jù)總體設計要求，控制系統(tǒng)得結構框圖如圖 2-1 所示。 32業(yè)a/d業(yè) 業(yè)業(yè) crt ipc-8500 業(yè)業(yè) 業(yè)業(yè)業(yè)

20、業(yè)業(yè)業(yè) pcbus pcbus ipc 5488 32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 5488 ipc 5486 ipc 5486 ipc 5486 ipc 5486 32業(yè)i/v業(yè) 32業(yè)i/v業(yè) cmb5419-1b cmb5419-1b dfq-2100 dfq-2100 dfq-2100 dfq-2100 dfq-2100 dfq-2100 dfq-2100 dfq-2100 rttb-ekt rttb-ekt cecy-150g cecy-150g cecu-3410g cecu-3410g zdlp-6b zdlp-6b zdlp-6b

21、zdlp-6b zdlp-6b zdlp-6b zdlp-6b zdlp-6b rpt rpt t1 t30 p1 p10 h1 h10 tv1 tv8 tv9 tv16 tv17 tv24 tv25 tv30 圖 2-1 系統(tǒng)結構框圖 在系統(tǒng)總體構思時，主要遵從以下幾點原則： 1. 可靠性設計原則 設計過程的首要考慮的因素是可靠性，由于啤酒發(fā)酵是一個連續(xù)生產(chǎn)過程，要求設備長時 間運行，正常情況下一年才停機大修一次，因此，對硬件可靠性提出較高的要求。 為了達到可靠性要求，在設計時采取了以下措施： a. 盡量采用標準的元器件和電路； b. 簡化設計； 此外，設計中盡量使用集成度高的元件或模塊，減

22、少元件的數(shù)量。這既符合抗干擾需要也符 合可靠性原則。當然，也不能盲目地追求新奇器件，還要考慮其性能價格比、貨源等問題，以 便于投入生產(chǎn)。 2. 技術先進、生命周期長 3. 性能/價格比高 2.2 模擬量輸入通道 2.2.1 模擬量輸入通道的一般結構形式 單路模擬量輸入通道的結構 (1) 傳感器 其作用是把工業(yè)現(xiàn)場的各種非電量檢測出來，并轉換成相應得電信號。如熱電偶能把溫度 的高低轉換成相應的熱電動勢、應變橋式荷重傳感器能把受力的大小轉換位相應得電位差。 (2) 信號調理電路 信號調理電路的作用是將傳感器輸出的信號作適當?shù)奶幚?，使之成為適合 a/d 轉換得電壓 信號。主要包括信號的濾波、放大、隔

23、離、變換以及線形化處理內容，其中有些環(huán)節(jié)如濾波、 線形化處理等可通過軟件實現(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。計算機在對模擬信號進行離散采樣時，需要得 到它某一時刻的瞬時值，并能將這一瞬時值保持到 a/d 轉換結束。采樣保持器就是實現(xiàn)這一功 能的電路。當輸入的模擬量信號變化緩慢時，也可省去采樣保持器。 2.2.2 模擬量輸入通道設計中應考慮的問題 模擬量輸入通道是計算機控制系統(tǒng)的信號采集通道，在設計中必須考慮到信號的拾取方式、 信號的調理、a/d 轉換以及電源的配置等問題。 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

24、、溫度、液位、流量 等轉換成電量。根據(jù)這一要求，信號的拾取可以通過敏感元件、傳感器及測量儀表來實現(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，可以隨擁護要求及環(huán)境特點做成各種形狀的探 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 參量型敏感元件，要設計相應的電路，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。這是計算機控制系統(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 傳感器均

25、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 轉換即 可輸入計算機。 2. 信號的調理 在模擬量輸入通道中，信號調理的任務是將傳感器輸出的電信號或 r、l、c 參數(shù)的變化轉 換為滿足 a/d 轉換要求的電壓信號。 在一般的測控系統(tǒng)中，信號調理的任務較復雜，除了信號放大和濾波外，還有諸如零點校 正、線性化處理、溫度補償、誤差修正、量程切換等。但在計算機控制系統(tǒng)中，許多環(huán)節(jié)都可 以通過軟件來實現(xiàn)。因此，模擬量輸入通道中信號調理的重點為小信號放大、變換及信號的濾 波等。 2.2.3 a/d 轉換器 a/d 轉換的基本概念 a/d 轉換的功能是把模擬量電壓轉換為 n 位數(shù)字

26、量電壓。 1. a/d 轉換器的模擬量電壓是連續(xù)的。由于 a/d 轉換器完成依次轉換需要一定的時間， a/d 轉換只能間斷地進行，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 換所得的結果是一個個孤立的點。每個點的縱坐標代表某個數(shù)字量，其值與采樣時刻的模擬量 相對應。如果在相鄰兩次采樣時刻之間，a/d 轉換輸出的數(shù)字量保持前一時刻的值，那么 a/d 轉 換的輸出就是一條階梯形的曲線。 2. 兩次采樣的時隔時間稱為采樣周期。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 轉換所需要的時間顯然必須小于采樣周期。 3. 擬量表示為相

27、應的數(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 應的模擬電壓值稱為 1 個量化單位。如果模擬電壓小于此值，不能轉換為相應的數(shù)字量。這表 示了這個 a/d 轉換器的分辨能力。 a/d 轉換的主要性能指標 1. 分辨率 習慣上以輸出的二進制位數(shù)或 bcd 碼位數(shù)表示。如一個輸出為 8 位二進制的 a/d 轉換器， 稱其分辨率為 8 位?；蛘哂脤?1lsb 的輸入模擬電壓來表示。分辨率也可以用百分數(shù)來表示， 例如 8 位 a/d 轉換器的分辨率百分數(shù)位（1/256）*100%=0.39%。 2. 量化誤差 a/d 轉換是用數(shù)字量對模擬量進行量化。由于存在著最小量化單位，在轉

28、換中就會出現(xiàn)誤差。 3. 轉換精度 這是指一個實際的 a/d 轉換器與理想的 a/d 轉換器相比的轉換誤差。絕對精度一般以 lsb 為單位給出。性隊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 轉換器 6 其轉換精度指標的表達方式可能不同。有的給出綜合誤差指標；有的給出分項誤差指標，有失 調誤差（零點誤差） 、增益誤差（滿量程誤差） 、非線性誤差和微分非線性誤差。 (1) 失調誤差 又稱為零點誤差，這是指當輸入模擬量從 0 逐漸增長使輸出數(shù)字量從 00 跳至 01 時， 輸入模擬量實際數(shù)值與理想的模擬量數(shù)值（即 1lsb 的對應值）之差。這反映了 a/d 轉換器零點 的偏差。

29、一定溫度下的失調誤差可以通過電路調整來消除。 (2) 增益誤差 當輸入數(shù)字量達到滿量程時，所對應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。計算此項誤差時應將失調誤差除去。一定溫度下的增益誤差也可以通過電路 調整來消除。 (3) 非線性誤差 這是指實際轉換特性與理想轉換特性之間的最大偏差，它可能出現(xiàn)在轉換曲線的某處。此 項誤差不包括量化誤差、失調誤差和增益誤差。它不能通過電路調整來消除。 4. 轉換時間 這是指 a/d 轉換器完成一次轉換所需要的時間。其倒數(shù)為轉換速率。 2.3 模擬量輸出通道 2.3.1 模擬量輸出通道設計 模擬量輸出通道的一般形式： 1. 單路模擬量輸出

30、通道的結構 (1) 寄存器 用于保存計算機輸出的數(shù)字量控制信號。目前的 d/a 轉換器芯片內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 轉換器 它是模擬量輸出通道的核心部件。其作用是將計算機輸出的數(shù)字量轉換為模擬量。轉換后 的模擬量有電壓和電流兩種形式。 (3) 放大/變換電路 d/a 轉換器輸出的模擬量信號往往無法直接驅動執(zhí)行機構，需要進行適當?shù)姆糯蠡蜃儞Q。例 如，常用的電動執(zhí)行器需要 010ma 或 420ma 電流信號來控制，這就需要把 d/a 轉換器輸出 的電壓信號變換成上述范圍地信號。 2.3.2 模擬量輸出通道設計中應考慮的

31、問題 關于模擬量輸出通道的設計,像模擬量輸入通道的實際一樣,基于現(xiàn)代微電子技術的成就,其 主要任務是根據(jù)通道的技術要求,合理地選擇通道的結構以及按照一定的技術、經(jīng)濟準則，恰當 地選擇所需的集成電路，并把它們與微處理器正確地連接起來。設計中通常不需要進行繁雜的 參數(shù)計算，而需要清楚地掌握和理解集成電路的功能和特點。 在模擬量輸出通道的設計中，選擇合適的 d/a 轉換器至關重要，一般來講，對于 d/a 轉換 電路，應考慮以下問題： (1) 通道技術要求所需要的分辨率、精度以及線性度。 (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

32、值的大小，能否滿足通道的技術要求等。 (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要求。 (7) 此外，在硬件設計的同時，還必須考慮通道的驅動程序的設計。合理的軟件設計可以 簡化硬件電路。 2.3.3 d/a 轉換器 d/a 轉換得基本知識 d/a 轉換的基本原理是應用電阻解碼網(wǎng)絡，將 n 位數(shù)字量逐位轉換為模擬量并求和，從而實 現(xiàn)將 n 位數(shù)字量轉換為相應得模擬量。 由于數(shù)字量不是連續(xù)的，其轉換后的模擬量自然也不會連續(xù)，同時由于計算機每次輸出數(shù) 據(jù)和 d/a 轉換器進行轉換需要一定的時間，因此實際上 d/a 轉換器輸出的模擬量隨時間的變化 不

33、是連續(xù)的，而是呈階梯狀。 d/a 轉換器的主要性能指標 1. 分辨率 其定義是當輸出數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化（即 1lsb）時，所對應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。在實際使用中，又常用數(shù)字量的位數(shù)來作為分辨率。 2. 轉換精度 這是指一個實際的 d/a 轉換器與理想的 d/a 轉換器相比較的轉換誤差。精度反映 d/a 轉換 的總誤差。其主要誤差因素可分為失調誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。 (1) 失調誤差（或零點誤差） 其定義是黨輸入數(shù)字量為全 0 碼時，其模擬量實際輸出值與理想輸

34、出值得偏差。對于單極 性 d/a 轉換器，模擬量輸出的理想值是零。對于雙極性 d/a 轉換，此理想值是負的滿量程值。 一定溫度下的失調誤差可以通過外部調整措施進行補償。 (2) 增益誤差（或滿量程誤差） 當輸入數(shù)字量為全 1 碼（即滿量程）時，實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。計算增益誤差時應將失誤誤差除去。一定溫度下的增益誤差也可通過外部調整措施實現(xiàn)補 償。 3. 建立時間 當 d/a 轉換器的輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，輸出模擬量達到穩(wěn)定數(shù)值即進入規(guī)定的精度范圍內 所需要的時間。 4. 溫度系數(shù)

35、 以上各項性能指標一般是在環(huán)境溫度為 250c 下測定的就。環(huán)境溫度的變化會對 d/a 轉換精 度產(chǎn)生影響，這一影響分別用失調溫度系數(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 時該項誤差的相對變化率，單位是 ppm/c 。 第三章 系統(tǒng)軟件的設計 3.1 計算機 ddc 系統(tǒng)的軟件設計的要求 1. 實時性 ddc 系統(tǒng)是實時控制系統(tǒng)，所以它的軟件應是實時性控制軟件。計算機必須對生產(chǎn)過程（或 裝置）的各種工藝參數(shù)及時采集，不能丟失有用的信息；cpu 要盡快地進行邏輯判斷或按規(guī)定的 控制酸法進行數(shù)值運算，完成處理過程，輸出控制信號，以便對生產(chǎn)過程（或裝置）不

36、失時機 的加以控制。因此，實時性的概念對計算機 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間范圍內，軟件執(zhí)行無故障的可能性和每次遇到故障時對擁護 造成的影響大小。可靠性高的軟件還應該具有自動容錯、糾錯功能，在誤操作時（如按錯鍵、 輸入錯誤參數(shù)等）不會造成生產(chǎn)過程（或裝置）的嚴重失調。 3. 人機交往功能 軟件設計應該方便操作人員與計算機系統(tǒng)的“對話” ，生產(chǎn)過程的狀態(tài)要在控制面板上隨時 顯示，而操作員也能在連機情況下修改程序及調節(jié)參數(shù)，變更控制方案。 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. 軟件延時定時控制 2. 硬件定時、軟件查詢 3. 多中

37、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 個溫度信號，然后再采集 10 個壓力信號，最后采集 10 個液位信號，這 些信號共采集 5 遍存儲起來，采樣周期 t=2s。 3.2.3 標度變換程序 變送器輸出的 420ma(dc)信號，經(jīng) i/v 變換后產(chǎn)生 15v（dc）信號，進行 12 位 a/d 轉 換后，即得 12 位二進制 x，其對應的實際物理量要按下面方法求得（對于 12 位 a/d 轉換器， 05v（dc）時輸出為 000fffh） 。 1. 溫度的標度變換 溫度的量程范圍為-20+500c，其標度變換計算公式為 50(

38、 20) (819)( 20) 4095819 yx (3-1) 0 (0.02136837.5)xc 2. 壓力的標度變換 壓力的量程范圍為 00.25mpa，其標度變換計算公式為 0.250 (819)0 4095819 px (3-2) 5 2 (7.63126 100.0625) (7.63126 1062.5) xmpa xkpa 3. 液位的標度變換 液位的量程范圍（差壓）為 00.2mpa，其標度變換公式為 6 0.2 100 (819)0 . .(4095819) hx d g (3-3) 61.0550000 . x d g 式中，d 為啤酒（麥汁）的密度，單位為 kg/m3

39、; g 為重力加速度，單位為 m/s2;h 的單位為 m。 3.3 給定工藝曲線的實時插補計算 給定工藝曲線由多段折線組成，每一段都是直線，故采用直線插補算法來計算各個采樣周 期的給定值 r(k): (3-4) 1 11 1 ( )() nn nkn nn rr r krtt tt 其中， 和分別是第 n 段折線的兩個端點坐標。 1nkn ttt 11 (,) nn tr ( ,) nn t r 3.4 控制算法 pid 算式加特殊處理 采用增量型 pid 控制算式 (3-5) 012 ()( )(1)(2) eee u kqkqkqk 式中 0 1 (1) d p tt qk tt 1 2

40、(1) d p t qk t 2 d p t qk t ( )( )( )e kr ky k 其中：r(k)為第 k 個采樣周期的實測溫度值它由式（4-4）確定； y(k)為第 k 個采樣周期的實測溫度值，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，在 pid 算式的基礎上，進行以下特殊處理： 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，在給定溫度曲線轉折處作特殊處理，即由保溫段轉至降溫段時提前開大調節(jié)閥， 而在降溫段轉至保溫段時提前關小調節(jié)閥，其目的是使溫度轉折時平滑過渡。 增量式 pid 在算法

41、上有不少優(yōu)點： 1. 計算機發(fā)生故障時，影響范圍小。由于它每次只輸出控制增量，即對應執(zhí)行機構位置 的變化量，輸出變化范圍不大（0） ，所以，當計算機發(fā)生故障時，不會嚴重影響生產(chǎn) max u 過程。 2. 手動-自動切換時沖擊小。由于它每次輸出的最大幅度為，所以，當控制從手動 max u 切換到自控時，可做到無擾動，即可實現(xiàn)無擾動切換。 計算工作量小。算式中不需要累加。 3.5 軟件調試 軟件設計的全過程可以分為 4 個階段，它們是：分析問題、繪制流程圖、編輯程序（產(chǎn)生 程序代碼） 、軟件調試。 軟件調試的基本原則是：先分調，后總調；先模擬試驗，后現(xiàn)場試驗。 程序編寫完畢，首先要按模塊和子程序進

42、行分段試驗，可用一些事先準備的試驗數(shù)據(jù)或附 加一部分程序來產(chǎn)生模擬的外部信號和狀態(tài)，以檢驗這些模塊和子程序的功能和獨立工作能力。 對于有時間限制的程序，還要通過計算或測試來確定其執(zhí)行速度，以免影響實時控制的要求。 第四章 總結 啤灑發(fā)酵是一個復雜的生物化學反應過程。發(fā)酵期間，根據(jù)酵母的活動能力，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含量達到最 佳狀態(tài)，必須嚴格控制發(fā)酵各個階段的溫度。因此，啤灑發(fā)酵過程，除生產(chǎn)工藝水平外，生產(chǎn) 工序控制指標的優(yōu)劣，將直接影響啤灑生產(chǎn)的質量，必須嚴格加以控制。 目前，我國啤灑生產(chǎn)規(guī)模逐年擴大，但是，大部分啤灑生產(chǎn)廠家仍然采用常規(guī)儀表進行生 產(chǎn)陳控，依靠人工陳視各個參數(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，從而導致啤灑質量不穩(wěn)定，產(chǎn)品質量波動，并且，很難提高生產(chǎn)能力，擴大生產(chǎn)規(guī) 模。 為此，我們對啤灑生產(chǎn)的發(fā)酵過程提出采用計算機監(jiān)控技術，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，這樣才能適應當前啤灑現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求，使企業(yè)的技術進步，生產(chǎn)管理 以及市場竟爭能力達到一個新的水平。 啤酒發(fā)酵過程中由于