单片机控制啤酒发酵系统毕业设计

1、毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 毕业设计 学 生 姓 名： 指导教师： 合 作 指 导 教师： 专业名称： 所在学院： 2013 年 5 月 目录 摘要 .i 引言 .ii 第一章 啤酒发酵工艺概述 .1 第二章 硬件电路设计 .4 2.1 概述 .4 2.2 模拟量输入通道 .5 2.2.1 模拟量输入通道的一般结构形式 .5 2.2.2 模拟量输入通道设计中应考虑的问题 .5 2.2.3 a/d 转换器.6 2.3 模拟量输出通道 .7 2.3.1 模拟量输出通道设计 .7 2.3.2 模拟量输出通道设计中应考虑的问题 .8 2.3.3 d/a 转换器.8 第三章 系统软件的设计

2、 .10 3.1 计算机 ddc 系统的软件设计的要求 .10 3.2 数据采集 .10 3.2.1 数据采集系统的控制方式 .10 3.2.2 数据采集程序 .10 3.2.3 标度变换程序 .10 3.3 给定工艺曲线的实时插补计算 .11 3.4 控制算法 .11 3.5 软件调试 .12 第四章 总结 .13 致 谢 .14 参考文献 .15 大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 i i 摘要 我国的啤酒市场非常巨大，国内生产啤酒的企业数以百计，但与国外的主要啤酒生产厂家 相比大部分企业技术落后，大部分处于手动控制阶段，只有极少数企业实现半自动化。由于啤 酒生产是一

3、个利用生物加工进行生产的过程，生产周期长，过程参数分散性大，传统操作方式 难以保证产品的质量。近年来，国外的各大啤酒生产厂家纷纷进军中国市场，凭借技术优势与 国内的啤酒生产厂家争夺市场份额。国内的啤酒行业迫切要求进行技术改造，提高生产率，保 证产品质量，以确保在激烈的市场竞争中立于不败之地。 发酵过程计算机上控制，特别是微机控制，己经在我国发酵工业中推广应用，我国大型的 发酵罐有 7000 多台，若都能用微机控制，发酵效益的提高是十分可观的。发酵过程中微机控制 应用，早期的有多 std 总线的微机系统，最近的有工业 pc 机系统，这些系统比较简单，价格便 宜，使用灵活方便，但是软件开发的工作量

4、较大，用户修改控制方案较麻烦，近来，有各种不 同改进型的微机系统供发酵过程控制应用。 随着的小型集散控制系统在工业生产过程中的应用，在发酵工业上现已采用先进的集散控 制系统来控制发酵过程。例如，用 yewpak, n-90, 11l, jx, focus 等中小型集散控系统控制青 霉素发酵，谷氨酸发酵等。随着微机在发酵过程控制中的应用不断发展，各种测量传感器、二 次仪表和执行机构的完善，发酵罐系统完全自动化操作和控制的目的就可以实现。 关键词:流量阀,微机控制,自动控制 大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 ii ii 引言 单片机诞生于 1971 年，经历了 scm、mc

5、u、soc 三大阶段，早期的 scm 单片机都是 8 位 或 4 位的。其中最成功的是 intel 的 8031，此后在 8031 上发展出了 mcs51 系列 mcu 系统。 基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现 了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90 年代后随着消费电子产品大发 展，单片机技术得到了巨大提高。随着 intel i960 系列特别是后来的 arm 系列的广泛应用， 32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场 单片机，全称单片微型计算机（英语：single-chip microcom

6、puter） ，又称微控制器 （microcontroller） ，是把中央处理器、存储器、定时/计数器（timer/counter） 、各种输入输出接 口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比， 它更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但 存储量小，输入输出接口简单，功能较低。由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满 足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器；由于单芯片微电脑常用于当控制器故又 名 single chip microcontroller，但是目前在中国大陆仍多沿用“单片机”的称呼。 单

7、片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处 理器 cpu 随机存储器 ram、只读存储器 rom、多种 i/o 口和中断系统、定时器/计时器等功能 （可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d 转换器等电路）集成到一 块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪 80 年 代，由当时的 4 位、8 位单片机，发展到现在的 32 位 300m 的高速单片机。 单片机作为计算机发展的一个重要分支领域，根据目前发展情况，从不同角度单片机大致 可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。 通用型/专用型

8、 这是按单片机适用范围来区分的。例如，80c51 是通用型单片机，它不是为某种专用途设 计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的 要求，在片内集成 adc 接口等功能的温度测量控制电路。 总线型/非总线型 这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、 数据 总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多 单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总 线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。 控制型/家电型 这是按照单片机大致应用

9、的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强； 用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。 显然， 上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80c51 类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工 控用。 而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前， 高端的 32 位 soc 单片机主频已经超过 300mhz，性能直追 90 年代中期的专用处理器，而普通的 型号出厂价格跌落至 1 美元，最高端的型号也只有 10 美元。 大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 iiiiii 当代单片机系统已经

10、不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛 应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用 专用的 windows 和 linux 操作系统。 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（microcontroller unit） ，常用英文 字母的缩写 mcu 表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片， 而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机 只缺少了 i/o 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、 为学习、应用和开发提供了便利条

11、件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳 选择。它最早是被用在工业控制领域。 由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由芯片内仅有 cpu 的专用处理器发展而来。 最早的设计理念是通过将大量外围设备和 cpu 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易 集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 intel 的 z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是 8 位或 4 位的。其 中最成功的是 intel 的 8031，此后在 8031 上发展出了 mcs51 系列单片机系统。因为简单可靠 而性能不错获得了很大的好评。尽管 2000 年以后 arm 已经发展出了

12、32 位的主频超过 300m 的 高端单片机，直到目前基于 8031 的单片机还在广泛的使用。在很多方面单片机比专用处理器更 适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。事实上单片机是世界上数量最多处理器， 随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算 器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。 汽车上一般 配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数 量不仅远超过 pc 机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。

13、 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹 的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时 控制和数据处理，广泛使用的各种智能 ic 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、 全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控 制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应 用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过 程控制等领域。 . 大连海洋大学专科毕

14、业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 1 第一章 啤酒发酵工艺概述 1、 啤酒生产工艺简介 啤酒生产过程主要包括糖化、发酵以及过滤分装三个环节。 (1) 糖化 糖化过程是把生产啤酒的主要原料与温水混合，利用麦芽的水解酶把淀粉、蛋白质等分解 成可溶性低分子糖类、氨基酸、脉、肤等物质，形成啤酒发酵原液麦汁。 (2) 发酵 图 1.1 发酵温度工艺设定曲线 啤酒发酵是一个微生物代谢过程，简单的说是把糖化麦汁经酵母发酵分解成 c2h5oh， co2， h2o 的过程，同时还会产生种类繁多的中间代谢物双乙酞、脂肪酸、高级醇、酮等，这些代谢产 物的含量虽然极少，但它们对啤酒的质量和口味的影响很大，它们的

15、产生主要取决于发酵温度。 一般认为，低温发酵可以降低双乙酞、脂类等代谢物的含量，提高啤酒的色泽和口味；高温发 酵可以加快发酵速度，提高生产效率和经济效益。整个发酵过程分前酵和后酵两个阶段，发酵 温度的工艺设定典型曲线如图 2.1 所示。不同品种、不同工艺所要求的温度控制曲线会有所不 同。 (1) 前酵 这个阶段又称为主发酵。麦汁接种酵母进入前酵，接种酵母几小时以后开始发酵，麦汁糖 度下降，产生 co2并释放生化反应热，使整个罐内的温度逐渐上升。经过 23 天后进入发酵最 为旺盛的高泡期再经过 23 天，糖度进一步降低，降糖速度变慢，酵母开始沉淀，当罐内发酵 糖度达标后进行降温转入后酵阶段。普通

16、啤酒在前酵阶段，一般要求控制在 12左右，降温速 率要求控制在 0.3 0c /h (2) 后酵 当罐内温度从前酵的 12降到 5左右时后酵阶段开始，这一阶段最重要的是进行双乙酞 还原，此外，后酵阶段还完成了残糖发酵，充分沉淀蛋白质，降低氧含量，提高啤酒稳定性。 一旦双乙酞指标合格，发酵罐进入第二个降温过程，以 0.150c/h 的降温速率把罐内发酵温度从 5降到 0-1左右进行贮酒，以提高啤酒的风味和质量。经过一段时间的贮酒，整个发酵环 大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 2 节基本结束。 通常发酵液温度在不同的发酵阶段，对罐内发酵液的温度场要有相应的要求：在前酵阶段

17、希望发酵罐内从罐顶到罐底有一正的温度梯度，即从控制上层温度为主，以利于发酵液对流和 酵母在罐内的均匀混合；在后酵阶段，则要求发酵液由卜到下有一定的负温度梯度，即控制以 下层温度为主，便于酵母的沉淀和排除。 (3) 啤酒的过滤和灌装 前、后酵结束以后，啤酒将通过过滤机和高温瞬时杀菌进行生物以及胶体稳定处理然后灌 装。啤酒过滤是一种分离过程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母细胞和其它混浊物从啤 酒中分离出去，否则这些物质会在以后的时间里从啤酒中析出，导致啤酒混浊，目前多采用硅 藻土过滤方式。如果啤酒中仍含有微生物(杂菌)，则微生物可以在啤酒中迅速繁殖，导致啤酒 混浊，其排泄的代谢产物甚至使啤酒不

18、能饮用。杀菌就是啤酒在灌装之前对其进行生物稳定性 处理的最后一个环节。 至此，一个啤酒和生产周期结束。 2、啤酒发酵过程温控对象的特点 发酵罐是啤酒生产的主要设备，图 2.2 为圆筒锥底发酵罐示意图，酵母在罐内发生反应而产生 热量，使麦汁温度升高，因此在罐壁设置有上、中、下三段冷却套，相应的设立上、中、下三 个测温点和三个调节阀，通过阀门调节冷却套内冷却液的流量来实现对酒体温度的控制。以阀 门开度为控制量，酒体温度为被控量。该广义对象是一个三输入、三输出的多变量系统，机理 分析和实验表明啤酒发酵罐的温控对象不同于一般的工业对象，主要有以下几个方面的特点： (1) 时滞很大 图 1.2 圆筒锥底

19、发酵罐示意图 在整个发酵过程中，由于生化反作用产生的生化反应热导致罐内发酵温度的升高，为了维 持适宜的发酵温度，通常是往发酵罐冷却夹套内通入酒精水或液态氨，来带走多余的反应热。 由于罐内没有搅拌装置和加热装置，冷媒发酵液间主要依靠热传导进行热量交换，发酵液内部 存在一定的对流，影响到测温点，这就使得控制量的变化后，要经过一段时间，被控量才发生 大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 3 变化，因此这类系统会表现出很大的时滞效应。例如一个 120m3啤酒发酵罐温度响应的滞后时间 一般在 530min 之内变化。 (2) 时变性 发酵罐的温控特性主要取决于发酵液内生化反应的剧烈程

20、度。而啤酒发酵是从起酵、旺盛、 衰减到停止不断变化的间歇生产过程，在不同的发酵阶段，酵母活力不同，造成酒体温度特性 变化，因此对象特性具有明显的时变性。 (3) 大时间常数 发酵罐体积大，发酵液体通过罐壁与冷却水进行热交换的过程比较慢。 大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 4 第二章 硬件电路设计 2.1 概述 根据总体设计要求，控制系统得结构框图如图 2-1 所示。 32业a/d业 业业 crt ipc-8500 业业 业业业 业业业 pcbus pcbus ipc 5488 32业a/d业 8业d/a业 8业d/a业 8业d/a业 8业d/a业 ipc 5488 ip

21、c 5486 ipc 5486 ipc 5486 ipc 5486 32业i/v业 32业i/v业 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 zdlp-6b zdlp-6b zdlp-6b zdlp-6b zdlp-6b rpt rpt t1 t30 p1 p10 h1 h10 tv1

22、 tv8 tv9 tv16 tv17 tv24 tv25 tv30 图 2-1 系统结构框图 在系统总体构思时，主要遵从以下几点原则： 大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 5 1. 可靠性设计原则 设计过程的首要考虑的因素是可靠性，由于啤酒发酵是一个连续生产过程，要求设备长时 间运行，正常情况下一年才停机大修一次，因此，对硬件可靠性提出较高的要求。 为了达到可靠性要求，在设计时采取了以下措施： a. 尽量采用标准的元器件和电路； b. 简化设计； 此外，设计中尽量使用集成度高的元件或模块，减少元件的数量。这既符合抗干扰需要也符 合可靠性原则。当然，也不能盲目地追求新奇器件

23、，还要考虑其性能价格比、货源等问题，以 便于投入生产。 2. 技术先进、生命周期长 3. 性能/价格比高 2.2 模拟量输入通道 2.2.1 模拟量输入通道的一般结构形式 单路模拟量输入通道的结构 (1) 传感器 其作用是把工业现场的各种非电量检测出来，并转换成相应得电信号。如热电偶能把温度 的高低转换成相应的热电动势、应变桥式荷重传感器能把受力的大小转换位相应得电位差。 (2) 信号调理电路 信号调理电路的作用是将传感器输出的信号作适当的处理，使之成为适合 a/d 转换得电压 信号。主要包括信号的滤波、放大、隔离、变换以及线形化处理内容，其中有些环节如滤波、 线形化处理等可通过软件实现。 (

24、3) 采样保持器（s/h） 一般来讲，要输入的模拟信号都是变化的。计算机在对模拟信号进行离散采样时，需要得 到它某一时刻的瞬时值，并能将这一瞬时值保持到 a/d 转换结束。采样保持器就是实现这一功 能的电路。当输入的模拟量信号变化缓慢时，也可省去采样保持器。 2.2.2 模拟量输入通道设计中应考虑的问题 模拟量输入通道是计算机控制系统的信号采集通道，在设计中必须考虑到信号的拾取方式、 信号的调理、a/d 转换以及电源的配置等问题。 1. 信号的拾取方式 在模拟量输入通道中，首先要将工业现场的各种非电物理量，如压力、温度、液位、流量 等转换成电量。根据这一要求，信号的拾取可以通过敏感元件、传感器

25、及测量仪表来实现。 (1) 通过敏感元件拾取被测信号。敏感元件能将被测的物理量变换成电流、电压或 大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 6 r、l、c 参数变化。一般来讲，敏感元件体积小，可以随拥护要求及环境特点做成各种形状的探 头。如果被测环境较特殊，而无现成的传感器可用，只能选择合适的敏感元件。对于 r、l、c 参量型敏感元件，要设计相应的电路，使这类参数变换成电流或电压量。 (2) 通过传感器失去被测信号。这是计算机控制系统中使用最多的一种信号拾取方式。它 将敏感元件、测量电路、传输构件等配以合适的外壳做成各种外形，以满足不同的要求。一般 传感器均为电量输出，可以是电

26、压或电流，有的还直接输出频率信号，无需再通过 a/d 转换即 可输入计算机。 2. 信号的调理 在模拟量输入通道中，信号调理的任务是将传感器输出的电信号或 r、l、c 参数的变化转 换为满足 a/d 转换要求的电压信号。 在一般的测控系统中，信号调理的任务较复杂，除了信号放大和滤波外，还有诸如零点校 正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等。但在计算机控制系统中，许多环节都可 以通过软件来实现。因此，模拟量输入通道中信号调理的重点为小信号放大、变换及信号的滤 波等。 2.2.3 a/d 转换器 a/d 转换的基本概念 a/d 转换的功能是把模拟量电压转换为 n 位数字量电压。 1. a/

27、d 转换器的模拟量电压是连续的。由于 a/d 转换器完成依次转换需要一定的时间， a/d 转换只能间断地进行，因此输出的数字量电压是不连续的，称为离散量。采样之后，a/d 转 换所得的结果是一个个孤立的点。每个点的纵坐标代表某个数字量，其值与采样时刻的模拟量 相对应。如果在相邻两次采样时刻之间，a/d 转换输出的数字量保持前一时刻的值，那么 a/d 转 换的输出就是一条阶梯形的曲线。 2. 两次采样的时隔时间称为采样周期。为了使输出量能充分反映输入量的变化情况，采 样周期要根据输入量变化的快慢来决定。而一次 a/d 转换所需要的时间显然必须小于采样周期。 3. 拟量表示为相应的数字量，称为量化

28、，数字量的最低位即最小有效位 1lsb，与此相对 应的模拟电压值称为 1 个量化单位。如果模拟电压小于此值，不能转换为相应的数字量。这表 示了这个 a/d 转换器的分辨能力。 a/d 转换的主要性能指标 1. 分辨率 习惯上以输出的二进制位数或 bcd 码位数表示。如一个输出为 8 位二进制的 a/d 转换器， 称其分辨率为 8 位。或者用对应于 1lsb 的输入模拟电压来表示。分辨率也可以用百分数来表示， 例如 8 位 a/d 转换器的分辨率百分数位（1/256）*100%=0.39%。 2. 量化误差 a/d 转换是用数字量对模拟量进行量化。由于存在着最小量化单位，在转换中就会出现误差。

29、大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 7 3. 转换精度 这是指一个实际的 a/d 转换器与理想的 a/d 转换器相比的转换误差。绝对精度一般以 lsb 为单位给出。性队精度则是绝对精度与满量程的比值。不同厂家（公司）生产的 a/d 转换器 6 其转换精度指标的表达方式可能不同。有的给出综合误差指标；有的给出分项误差指标，有失 调误差（零点误差） 、增益误差（满量程误差） 、非线性误差和微分非线性误差。 (1) 失调误差 又称为零点误差，这是指当输入模拟量从 0 逐渐增长使输出数字量从 00 跳至 01 时， 输入模拟量实际数值与理想的模拟量数值（即 1lsb 的对应值）之

30、差。这反映了 a/d 转换器零点 的偏差。一定温度下的失调误差可以通过电路调整来消除。 (2) 增益误差 当输入数字量达到满量程时，所对应的输入模拟量与理想的模拟量数值之差，称为增益误 差或满量程误差。计算此项误差时应将失调误差除去。一定温度下的增益误差也可以通过电路 调整来消除。 (3) 非线性误差 这是指实际转换特性与理想转换特性之间的最大偏差，它可能出现在转换曲线的某处。此 项误差不包括量化误差、失调误差和增益误差。它不能通过电路调整来消除。 4. 转换时间 这是指 a/d 转换器完成一次转换所需要的时间。其倒数为转换速率。 2.3 模拟量输出通道 2.3.1 模拟量输出通道设计 模拟量

31、输出通道的一般形式： 1. 单路模拟量输出通道的结构 (1) 寄存器 用于保存计算机输出的数字量控制信号。目前的 d/a 转换器芯片内一般都带有输入寄存器， 因此，在模拟量输出通道中，一般不需要再安排专门的寄存器电路。 (2) d/a 转换器 它是模拟量输出通道的核心部件。其作用是将计算机输出的数字量转换为模拟量。转换后 的模拟量有电压和电流两种形式。 (3) 放大/变换电路 d/a 转换器输出的模拟量信号往往无法直接驱动执行机构，需要进行适当的放大或变换。例 如，常用的电动执行器需要 010ma 或 420ma 电流信号来控制，这就需要把 d/a 转换器输出 大连海洋大学专科毕业论文（设计）

32、 单片机控制啤酒发酵系统 8 的电压信号变换成上述范围地信号。 2.3.2 模拟量输出通道设计中应考虑的问题 关于模拟量输出通道的设计,像模拟量输入通道的实际一样,基于现代微电子技术的成就,其 主要任务是根据通道的技术要求,合理地选择通道的结构以及按照一定的技术、经济准则，恰当 地选择所需的集成电路，并把它们与微处理器正确地连接起来。设计中通常不需要进行繁杂的 参数计算，而需要清楚地掌握和理解集成电路的功能和特点。 在模拟量输出通道的设计中，选择合适的 d/a 转换器至关重要，一般来讲，对于 d/a 转换 电路，应考虑以下问题： (1) 通道技术要求所需要的分辨率、精度以及线性度。 (2) 连

33、接电平和 cpu 能否直接接口，数据是串行输入还是并行输入。 (3) 输出是电流形式还是电压形式，满刻度值的大小，能否满足通道的技术要求等。 (4) 参考电压类型。 (5) 输出电压是单极性的还是双极性的。 (6) 速度是够满足通道技术要求。 (7) 此外，在硬件设计的同时，还必须考虑通道的驱动程序的设计。合理的软件设计可以 简化硬件电路。 2.3.3 d/a 转换器 d/a 转换得基本知识 d/a 转换的基本原理是应用电阻解码网络，将 n 位数字量逐位转换为模拟量并求和，从而实 现将 n 位数字量转换为相应得模拟量。 由于数字量不是连续的，其转换后的模拟量自然也不会连续，同时由于计算机每次输

34、出数 据和 d/a 转换器进行转换需要一定的时间，因此实际上 d/a 转换器输出的模拟量随时间的变化 不是连续的，而是呈阶梯状。 d/a 转换器的主要性能指标 1. 分辨率 其定义是当输出数字量发生单位数码变化（即 1lsb）时，所对应得输出模拟量的变化量， 即等于：模拟量输出的满量程值/2n （n数字量位数） 。分辨率也可以用相对值（即 1/2n）百分 率来表示。在实际使用中，又常用数字量的位数来作为分辨率。 2. 转换精度 大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 9 这是指一个实际的 d/a 转换器与理想的 d/a 转换器相比较的转换误差。精度反映 d/a 转换 的总误差

35、。其主要误差因素可分为失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。 (1) 失调误差（或零点误差） 其定义是党输入数字量为全 0 码时，其模拟量实际输出值与理想输出值得偏差。对于单极 性 d/a 转换器，模拟量输出的理想值是零。对于双极性 d/a 转换，此理想值是负的满量程值。 一定温度下的失调误差可以通过外部调整措施进行补偿。 (2) 增益误差（或满量程误差） 当输入数字量为全 1 码（即满量程）时，实际输出电压值与理想值之间的偏差称为增益误 差。此误差是由于 d/a 转换器的输出与输入传递特性曲线的斜率（称为增益）存在误差所引起 的。计算增益误差时应将失误误差除去。一定温度下的增益误差

36、也可通过外部调整措施实现补 偿。 3. 建立时间 当 d/a 转换器的输入数据发生变化后，输出模拟量达到稳定数值即进入规定的精度范围内 所需要的时间。 4. 温度系数 以上各项性能指标一般是在环境温度为 250c 下测定的就。环境温度的变化会对 d/a 转换精 度产生影响，这一影响分别用失调温度系数、增益温度系数和微分非线性温度系数来表示。这 些系数的含义是环境温度变换 10c 时该项误差的相对变化率，单位是 ppm/c 。 大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 10 第三章 系统软件的设计 3.1 计算机 ddc 系统的软件设计的要求 1. 实时性 ddc 系统是实时控制

37、系统，所以它的软件应是实时性控制软件。计算机必须对生产过程（或 装置）的各种工艺参数及时采集，不能丢失有用的信息；cpu 要尽快地进行逻辑判断或按规定的 控制酸法进行数值运算，完成处理过程，输出控制信号，以便对生产过程（或装置）不失时机 的加以控制。因此，实时性的概念对计算机 ddc 系统具有特被重要的意义。 2. 可靠性 软件的可靠性是指在一定时间范围内，软件执行无故障的可能性和每次遇到故障时对拥护 造成的影响大小。可靠性高的软件还应该具有自动容错、纠错功能，在误操作时（如按错键、 输入错误参数等）不会造成生产过程（或装置）的严重失调。 3. 人机交往功能 软件设计应该方便操作人员与计算机系

38、统的“对话” ，生产过程的状态要在控制面板上随时 显示，而操作员也能在连机情况下修改程序及调节参数，变更控制方案。 3.2 数据采集 3.2.1 数据采集系统的控制方式 1. 软件延时定时控制 2. 硬件定时、软件查询 3. 多中断控制方式 4. 单中断控制方式 5. dma 控制方式 3.2.2 数据采集程序 首先按顺序采集 30 个温度信号，然后再采集 10 个压力信号，最后采集 10 个液位信号，这 些信号共采集 5 遍存储起来，采样周期 t=2s。 大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 11 3.2.3 标度变换程序 变送器输出的 420ma(dc)信号，经 i/v

39、 变换后产生 15v（dc）信号，进行 12 位 a/d 转 换后，即得 12 位二进制 x，其对应的实际物理量要按下面方法求得（对于 12 位 a/d 转换器， 05v（dc）时输出为 000fffh） 。 1. 温度的标度变换 温度的量程范围为-20+500c，其标度变换计算公式为 50( 20) (819)( 20) 4095819 yx (3-1) 0 (0.02136837.5)xc 2. 压力的标度变换 压力的量程范围为 00.25mpa，其标度变换计算公式为 0.250 (819)0 4095819 px (3-2) 5 2 (7.63126 100.0625) (7.63126

40、 1062.5) xmpa xkpa 3. 液位的标度变换 液位的量程范围（差压）为 00.2mpa，其标度变换公式为 6 0.2 100 (819)0 . .(4095819) hx d g (3-3) 61.0550000 . x d g 式中，d 为啤酒（麦汁）的密度，单位为 kg/m3; g 为重力加速度，单位为 m/s2;h 的单位为 m。 3.3 给定工艺曲线的实时插补计算 给定工艺曲线由多段折线组成，每一段都是直线，故采用直线插补算法来计算各个采样周 期的给定值 r(k): (3-4) 1 11 1 ( )() nn nkn nn rr r krtt tt 其中， 和分别是第 n

41、 段折线的两个端点坐标。 1nkn ttt 11 (,) nn tr ( ,) nn t r 大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 12 3.4 控制算法 pid 算式加特殊处理 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 (1) d p t qk t 2 d p t qk t ( )( )( )e kr ky k 其中：r(k)为第 k 个采样周期的实测温度值它由式（4-4）确定； y(k)为第 k 个采样周期的实测温度值，它由式（4-1）确定； t 为采样周

42、期（t=2s） 。 根据被控对象的特点，在 pid 算式的基础上，进行以下特殊处理： 在保温段，r(k)不变，采用 pi 控制算式；降温段采用 pid 控制算式；为了减小被控对象纯 滞后的影响，在给定温度曲线转折处作特殊处理，即由保温段转至降温段时提前开大调节阀， 而在降温段转至保温段时提前关小调节阀，其目的是使温度转折时平滑过渡。 增量式 pid 在算法上有不少优点： 1. 计算机发生故障时，影响范围小。由于它每次只输出控制增量，即对应执行机构位置 的变化量，输出变化范围不大（0） ，所以，当计算机发生故障时，不会严重影响生产 max u 过程。 2. 手动-自动切换时冲击小。由于它每次输出

43、的最大幅度为，所以，当控制从手动 max u 切换到自控时，可做到无扰动，即可实现无扰动切换。 计算工作量小。算式中不需要累加。 3.5 软件调试 软件设计的全过程可以分为 4 个阶段，它们是：分析问题、绘制流程图、编辑程序（产生 程序代码） 、软件调试。 软件调试的基本原则是：先分调，后总调；先模拟试验，后现场试验。 程序编写完毕，首先要按模块和子程序进行分段试验，可用一些事先准备的试验数据或附 加一部分程序来产生模拟的外部信号和状态，以检验这些模块和子程序的功能和独立工作能力。 大连海洋大学专科毕业论文（设计） 单片机控制啤酒发酵系统 13 对于有时间限制的程序，还要通过计算或测试来确定其

44、执行速度，以免影响实时控制的要求。 第四章 总结 啤洒发酵是一个复杂的生物化学反应过程。发酵期间，根据酵母的活动能力，繁殖快慢， 确定发酵给定的温度。要使酵母的繁殖与哀减，麦汁中糖度的消耗和双乙酞等杂质含量达到最 佳状态，必须严格控制发酵各个阶段的温度。因此，啤洒发酵过程，除生产工艺水平外，生产 工序控制指标的优劣，将直接影响啤洒生产的质量，必须严格加以控制。 目前，我国啤洒生产规模逐年扩大，但是，大部分啤洒生产厂家仍然采用常规仪表进行生 产陈控，依靠人工陈视各个参数，人为因素较多。所以，人工控制方式将难以保证生产工艺的 正确执行，从而导致啤洒质量不稳定，产品质量波动，并且，很难提高生产能力，扩大生产规 模。 为此，我们对啤洒生产的发酵过程提出采用计算机监控技术，使啤洒发酵生产控制与生产 数据管理集于一身，这样才能适应当前啤洒现代化生产的需求，使企业的技术进步，生产管理 以及市场竟争能力达到一个新的水平。 啤酒发酵过程中由于发酵液自身的生