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 號： 一、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，學生應(yīng)學習并掌握：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

2、序和模擬量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)酵是一個復雜的生物化學過程，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±0.5范圍內(nèi)。2.2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，共有三個溫度測量點，因此需檢測3個參

3、數(shù)。(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±0.5。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)預估控制算式三、硬件總體設(shè)

4、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。測溫點1DS18B20測溫點2DS18B20測溫點3DS18B20液晶顯示電路鍵盤電路8155擴展電路AT89S52 單 片 機DACO832電壓放大V/I轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)閥報警電路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。圖3-2 AT89S52引腳圖3. 2.2溫度傳感器DS18B20DS18B20的引腳圖如l

5、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。圖3-3 DS18B20引腳圖圖3-4 DS18B20內(nèi)部功能框圖 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(E2PROM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MAX7219 MAX7219是一種新型的串行

6、LED數(shù)碼管驅(qū)動器。它集BCD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。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

7、測系統(tǒng)是由AT89S52組成的控制模塊和3個溫度傳感器DS18B20組成的檢測電路組成的。具體連接電路如圖3-9所示。DS18B20與單片機的接口非常簡單，可以采用寄生電源供電方式，P1.0口接數(shù)據(jù)總線，為了保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可以用一個MOSFET管和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，只要在數(shù)據(jù)線上加一個4.7K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)

8、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的導通時間，從而肉眼感覺不到閃爍。本課題采用一種基于MA

9、X7219芯片的LED串行顯示技術(shù)。LED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，是人工干預計算機的主要手段。圖3-11為按鍵接口電路。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

10、、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-O 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, VD6, 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，

11、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，Ib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導通，上限發(fā)光二極管VD5發(fā)光報警，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

12、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， 80左右。IC2和IC3可公用一個揚聲器，選4或8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

13、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20Kb/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。圖3-13 ICL232芯片管腳封裝圖Fig.3-13 ICL232 CMOS chip feet encapsulation chart3. 3. 5

14、.1.2 RS-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輯電平。圖3-14 DS3486芯片封裝 圖3-15 DS3487芯片封裝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，DS348

15、6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)，當對應(yīng)的輸出控制引腳達到邏輯零條件時，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)

16、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

17、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:判斷當前的測量值處于發(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

18、，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，對當前輸入位進行閃爍顯示，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開 始關(guān)中斷讀出DOWN有關(guān)數(shù)據(jù)區(qū)清零DOWN=1?閱讀數(shù)據(jù)主程序RDBYT參數(shù)初始化1CPU自診斷DOWN=0讀24C02開關(guān)中斷，T0中斷，串行口中斷開INT1和T1中斷DOWN=1讀24C02

19、1S計時到調(diào)用顯示主程序案件查詢？調(diào)用按鍵處理子程序控制信號輸出圖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)，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

20、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

21、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)學模型分別為G1和G2。其具體公式為: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 program仿真結(jié)果圖5-2發(fā)酵前期

22、仿真溫度曲線Fig.5-2 Simulate temperature curve in the prophase ferment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。發(fā)酵后期，以中、下部溫度為被控制量，其仿真結(jié)果如圖5-3所示。圖5-3發(fā)酵后期仿真溫度曲線Fig.5一3 Simulate temperature curve in the anaphase of beer fermentation發(fā)酵工藝要求一旦雙乙酞符

23、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30，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)負責采集和控制發(fā)酵罐上、中和下三路溫度，因此本系統(tǒng)實際上是一個多路溫度測控系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置，從而排除了硬件組成分立元件多