啤酒发酵自动控制系统(正文)

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业本科生毕业设计（论文）中文题目： 啤酒发酵自动控制系统 英文题目：Beer fermentation Automatic Control System 摘 要啤酒工业是我国食品工业中一个重要的产业部门，随着国民经济的发展和人民生活的改善，我国啤酒工业也得到空前发展。尽管如此，我国的啤酒生产工业前存在许多不尽如人意的地方一。由于啤酒生产的工艺复杂，目前我国大多数啤酒生产企业技术装备落后，自动化程度低，产品质量不稳定。如何提高啤酒生产的综合自动化水平，增强我国啤酒产业的综合

2、实力是一个很好的研究课题。发酵过程是啤酒生产过程中的重要环节之一，本文针对实验室啤酒发酵装置技术装备落后、自动化程度低、产品质量不稳定以及啤酒发酵罐温度所具有的大时滞、强关联、时变、大时间常数和多变量的特点，提出了以AT89S52单片机为核心的数字化温度控制系统方案。在发酵罐中设置上、中和下三个测温点，控制系统对这三个测温点进行循环检测，然后将检测到的温度信号送到单片机，由单片机通过具体程序对以上三个信号进行处理，通过本文设定的特殊控制算法决定每层控制阀的开度，从而实现了啤酒发酵罐内部麦汁三层温度的精确控制，进而解决了啤酒发酵罐内部温度控制系统控制精度不高的问题，提高了啤酒生产的综合自动化水平

3、。关键词：AT89852单片机 啤酒 发酵 温度 控制 ABSTRACTThe thesis puts forward the numeric temperature control system that depends on the principle of MACROBUTTON MTEditEquationSection2 SEQ MTEqn r h * MERGEFORMAT SEQ MTSec r 1 h * MERGEFORMAT SEQ MTChap h * MERGEFORMAT single AT89S52，which aims at outdated beer ferme

4、nt equipment, low automation ,instable product and the wheat-liquor temperature in a ferment that has inherence characteristics of multivariable, seriously nonlinear, uncertain, time-variant and large delay. There are three measure temperature points in a ferment, the temperature signals of the ferm

5、ent that can be detected circularly by the control system will be sent to the single, and then the single will deal with the three signals by some specific programs and the opening of the control valves in the three layers is decided by some designed special control arithmetic. The three layer tempe

6、rature of the ferment will be controlled precisely, consequently the low control precision of the beer ferment internal temperature system has been improved and the comprehensive automation level of beer production will be improved. At the same time, the communication strategy between a beer ferment

7、 equipment temperature control system and computer has been studied in the thesis, and the hardware and software of the system have been introduced in detail.System simulation has been done in the thesis about a laboratory ferment arithmetic model that base on the experiment status, and the control

8、effect is better, so the system feasibility is validated theoretically. The disquisition has some reference value to the temperature control system development of small scale ferment equipment in a factory. KEYWORDS: AT89S52 beer ferment temperature control TOC o 1-3 h z u 目 录1绪论. .51. 1啤酒生产工艺流程.51.

9、 2国内外啤酒发酵温度控制系统发展现状.61. 2. 1国内外温度控制系统发展.61. 2. 2国内啤酒发酵温度控制系统发展现状.71. 3课题研究目的.91. 4课题研究内容及方案. .92啤洒发酵工艺和发酵罐温度控制方案. .102. 1啤酒发酵工艺.102. 1. 1糖化.102. 1. 2发酵. .102. 2控制系统选择. .112. 2. 1被控对象分析.112. 3控制系统方案确定.133硬件电路设计. .143. 1啤酒发酵罐温度控制系统电路结构.143. 2主要器件选择及简介.15 3. 2. 1单片机AT89S52 .153. 2. 2温度传感器DS18B20 .163.

10、2. 2. 1 DS18B20结构.163. 2. 3 LED显示驱动MAX7219.173. 3功能电路设计.193. 3. 1测温电路.193. 3. 2显示与按键电路设计.203. 3. 2. 1显示电路设计.203. 3. 2. 2按键电路设计.223. 3. 3报警电路设计. .233. 3. 4接口电路设计.243. 3. 4. 1与上位机通讯接口.243. 3. 4. 1. 1 RS-232C总线接口.253. 3. 4. 1. 2 RS-422总线接口.263. 3. 4. 2与串行E2PROM的接口电路.27 4系统软件设计. .304. 1系统构成.304 .2系统软件设计

11、思想.314. 3主程序MAIN . .324. 4掉电保护程序.344. 5系统监控程序.354. 6采样程序模块. .364. 7显示程序模块.374. 8系统时钟控制模块.394. 9通信模块.405模糊PID在啤洒发酵罐温度控制系统中的应用. .436经济分析报告. .467结论. .478参考文献. .489致谢. .4910附录一：总电路图. .5011附录二：总程序表. .511绪论1.1啤酒生产工艺流程啤酒生产可以分成两大部分:麦芽制取和啤酒酿造。下面将分别讲述麦芽制取和啤酒制造的工艺流程，其工艺流程如图1-1和1-2所示。（1）麦芽制造工艺流程麦芽制取主要有三大步骤:浸麦、发

12、芽和干燥。麦芽制造的简单流程如图1-1所示。原料（大麦）原料（大麦）浸麦发芽干燥除根图1-1 麦芽制造流程图Fig1-1 Malt making flow chart原料（麦芽，大米）原料（麦芽，大米）粉碎糖化麦汁过滤麦汁煮沸糖化用水洗糟用水酒花麦汁冷却发酵啤酒过滤除菌灌装贴标灌装冲氧酵母图1-2 啤酒酿造工艺流程图Fig1-2 Beer brewing process flow chart(2)啤酒酿造工艺流程啤酒酿造的工艺流程如图1-2所示，从下面这个图中可以对啤酒酿造有一个比较抽象的理解。图1-3能形象地表达出啤酒制造过程的每一个步骤，更能对啤酒制造整体过程有一个形象的理解。图1-3 啤

13、酒生产流程图Fig1-3 Beer production flow chart1.2国内外啤酒发酵温度控制系统发展现状1.2.1国内外温度控制系统发展 在啤酒发酵过程中，工艺操作的控制主要是对温度、糖度、双乙酞、压力和时间变化的控制，而这些参数又是相互耦合的。糖度、双乙酞的控制是通过调节温度来完成的，而时间和压力的控制，在一定浓度、酵母数量和活性条件下，也取决于发酵的温度。因此，啤酒发酵过程控制主要是对发酵温度的控制，发酵温度是决定啤酒口感、风味等的一个重要指标，但现场温度的控制比较困难，在现代化生产的今天，为保证啤酒风味的一致性，满足生产的连续化、自动化的需要。根据现场的要求，采用先进的智能

14、控制策略来对啤酒发酵过程进行控制是必然的，在其发展过程中，主要经历了以下几种控制方式:(1)完全手动操作方式操作人员在现场或集中操作盘上控制主要设备的启停，阀门由工人到现场操作。这种方式下啤酒生产的控制完全由人工操作，生产工艺参数得不到可靠执行，一致性比较差，啤酒质量受人为因素影响较大，因此啤酒口味稳定性较差，而且工人的操作劳动强度很大，主要生产设备与装置不能工作在最佳状态，原材料利用率低，产品能耗大。(2)半自动控制方式半自动控制方式又称集中手动控制方式，采取诸如数据采集器等手段采集各种过程量并送入控制室，控制室设有模拟屏或上位机，在模拟屏或上位机上显示各种温度、流量、压力和液位等过程参数和

15、电机、阀门的开启状态，对生产过程进行监控。(3)常规的单变量PID控制策略在啤酒发酵罐的温度控制系统中，常规的单变量PID是以大罐的中部温度为被控制量，中部冷却带阀门开度为控制量，阀门的开度在不同的发酵阶段具有相应的比例系数，比例系数主要依赖人的经验，是典型的单变量控制策略。但是，经过分析，啤酒发酵过程是多变量控制系统，因此，该单变量控制策略无法解决发酵罐上、中和下3个冷却带的藕合问题，因此比例系数依赖于人的经验，所以严重影响控制精度。(4)模糊控制策略采用模糊控制策略虽然能充分利用其非线性结构、不需要建立被控对象的精确数学模型，在一定程度上提高了系统的鲁棒性，基本满足实际生产的需要，但是离线

16、建立的模糊控制规则表不能在线修改。(5)多变量控制对现有单变量控制器进行改进的一个有效的措施就是对发酵罐实施多变量控制策略，薛福珍等人对系统进行Smith预补偿和多变量解藕之后，对控制量进行了约束优化调节，并成功用于对啤酒发酵的温度控制，取得了比较满意的控制效果。综上所述，各种控制策略都有其优缺点，从长远的角度来看，现代控制理论与智能控制理论有广阔的发展前景，具有较高的研究和使用价值。1.2.2我国啤酒的产量已开始赶超世界先进水平，但产品质量必须达到较高水平，花色品种也必须赶上去才能适应口益变化的消费者的需求，这就要求国内的啤酒生产厂家改变传统的生产工艺更新生产设备以满足市场的需求。国内啤酒厂

17、更新技术的手段主要有以下几方面:（1）引进国外控制技术例如福建惠泉啤酒厂创下“十五”啤酒酿造技术新亮点一一无菌酿造技术，并进口德国Thient公司的各种先进仪器和德国著名的高得曼实验室，创造了世界一流的现代化啤酒控制系统;北京燕京啤酒厂引进德国施密特公司专用的先进设备;北京华尔森啤酒厂从捷克引进全套生产设备;上海华光啤酒厂从瑞士引进生产设备等。引进设备的最大特点是自动化水平比较高，从而能严格满足啤酒生产的要求，因此产量较高，质量较稳定。但是引进设备价格昂贵，使一般小厂望尘莫及。（2）国内科研所、专业公司根据国情自行研究的技术由于引进国外整套设备的成本非常高，因此，尽快地研制出自动化水平较高的国

18、内啤酒生产设备，以适应国内啤酒生产的需要，也成为国内一些科研部门的热点。1988年北京核工程研究院研制的“PRS-80型啤酒发酵控制系统”在伊春啤酒厂投入使用，其硬件主要分上位机和现场工作站两层，控制方案采用单变量温度控制;1993年国家轻工业部自动化研究所研制的“PW-40啤酒发酵微机控制系统”在厦门华侨啤酒厂投入使用，其控制方案也是采用单变量温度控制;1994年北京科海测控工程部研制的“CMCM啤酒发酵微机测控系统”在无锡市太湖水啤酒厂投入使用，其硬件配置上位机采用80386，配合了一个小型局域网络，现场控制机采用Z80单板机，控制方案采用单变量控制，并设有液位检测;合肥廉泉啤酒(集团)公

19、司为了增强企业的整体实力，提高产品档次，在1999年完成糖化及发酵自控系统，从而使扩建6万吨啤酒的生产系统的技改工作胜利完成。（3）厂内自行研究国内中小企业结合本厂具体的生产实际自行研究的自动化仪表加手动的生产控制技术，其造价低，效果一般，符合企业目前的状况，但不能满足企业长远发展的需求，成为制约企业发展的一大瓶颈。从上述情况看，我国的啤酒生产设备与发达国家相比有了较大的发展，但是还处于起步阶段。1.3课题研究目的近十年来，虽然我国的啤酒产销量都处于世界领先水平，我国的啤酒装备配套水平也有了很大的提高，但是和国外相比，由于我国的啤酒产业起步较晚，尤其是成套设备差距较大，自动化程度比较低，因而产

20、品生产效率较低，生产质量也不高，啤酒能耗较大，这都是我国啤酒工业期待解决的问题。在啤酒生产的自动化控制中，温度是一个重要的参数，因此对于温度的控制是啤酒发酵过程中的一个重要方面。在啤酒的制作过程中，麦汁的制取和啤酒的发酵这两个阶段都必须把温度控制在一定的范围内，才能使啤酒的制备顺利成功。1.4课题研究内容及方案本系统主要研究的是发酵罐内部麦汁温度的控制。通过对麦汁温度的严格控制，可以使麦汁按照预先设定的工艺的发酵。由于在啤酒的发酵过程中，发酵罐内部麦汁温度的升高来自于内部反应所放出的热量，所以发酵过程的升温速度是不可以通过人为控制的。所能控制的只有降温的速度。啤酒发酵过程中内部麦汁温度的降低是

21、通过绕在啤酒发酵罐内壁蛇形管中的冷却液来完成的，冷却液的流量和速度决定了降温的速度，可以通过控制冷却液的流量来控制发酵罐内部麦汁的温度进而满足发酵过程各阶段对麦汁温度的要求。根据以上所述的对本系统的控制要求，为了实现发酵罐上、中和下三个位置的温度同时得到监控，设计中采用的方法是在一个采样周期里循环检测三路温度，三路温度检测到之后将会被送到控制系统部件，在其内部经过严密的处理之后，将会在一个控制周期内向三个控制阀门输出相应的控制量，从而达到控制要求。由于本啤酒发酵温度控制系统中使用的是蛇形管道制冷系统，这种系统具有严重的非线性特性，所以本设计中采用电磁阀作为控制冷却液流量的的控制执行器件，对冷却

22、液流量的控制是通过改变一个控制周期内电磁阀门开度大小来实现的。也就是通过控制阀门开度的大小来改变冷却水的流量，控制了冷却液的流量也就控制了单位时间内冷却液带走发酵罐内部麦汁的热量，从而达到了较好的酒体冷却或者保温的目的。2啤酒发酵工艺和发酵罐温度控制方案2.1啤酒发酵工艺啤酒发酵是啤酒生产过程中的关键工序，啤酒的发酵过程是否能按照工艺严格执行，以及其执行的效果，将会直接决定啤酒的质量。啤酒发酵过程直观上可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程。整个过程的工艺流程图如2-1所示。啤酒的整个生产过程主要包括糖化、发酵和啤酒分装三个环节。原料（麦芽，大米）原料（麦芽，大米）粉碎糖化麦汁过滤麦汁煮沸糖化用水洗

23、糟用水酒花麦汁冷却发酵啤酒过滤除菌灌装贴标灌装冲氧酵母图2-1 啤酒酿造工艺流程图Fig2-1 Beer brewing process flow chart2.1.1糖化糖化过程一般使用糖化锅、糊化锅、过滤槽、煮沸锅等设备。麦汁制备过程中需要检测的参数主要有温度、压力、物位和流量。对介质温度实施检测控制，即按照工艺要求的糖化曲线控制糖化过程的进程，是过程控制的主要内容。2.1.2发酵啤酒发酵是微生物的一个代谢过程，简单的说就是把糖化之后产生的麦汁经酵母发酵分解成酒精、二氧化碳和水的过程，同时还会产生种类繁多的中间代谢物。虽然这些代谢产物的含量非常低少，但它们对啤酒的质量和口味将会产生非常大的

24、的影响。一般认为低温发酵可以降低双乙酞和脂类等代谢物的含量，提高啤酒的色泽和口味;高温发酵则可以加快发酵速度，提高生产效率和经济效益。总之，如何掌握好啤酒发酵过程中的发酵温度，控制好温度的升降速度是决定啤酒生产质量的关键所在。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曲线如图2-2所示。图2-2 啤酒发酵过程温度工艺曲线Fig2-2 Temperature technical curves of the beer ferment process在上图中，oa段为自然升温段，不需外部控制;ab段为主发酵阶段，控制温度一般在12左右;be段为降温阶段，是主发酵阶段和后酵阶段的过渡时期，经

25、过此阶段后发酵进入后酵阶段，在此阶段降温速度一般为0.3 /h ; cd段为后酵阶段，温度一般控制在5左右;de段为进入贮酒阶段的过程，降温速度比较慢，一般为0.15 /h ; ef段为贮酒阶段，也就麦汁发酵完毕之后啤酒长期贮存的温度，这个时期啤酒温度一般控制在-1左右。2.2控制系统选择 根据本实验啤酒发酵装置所处的环境和温度控制系统的控制要求，经过认真调研和分析，对目前国内较先进的啤酒工艺控制系统进行了综合比较与评价。同时，又充分考虑现状与发展等因素，该啤酒发酵工艺采用以单片机为核心的控制系统。该系统可靠、实用，技术比较先进，完全满足啤酒生产发酵工艺的技术要求，另外还兼顾了控制系统发展的需

26、求2.2.1被控对象分析本设计的被控对象是啤酒发酵罐内部麦汁的温度。图2-4为圆锥底发酵罐示意图，当把麦汁输送到发酵罐中之后的，酵母在罐内发生反应而产生热量，使麦汁的温度升高。在图2-4中设置有上、中和下三层蛇形管，相应设置上、中和下3个测温点和三个调节阀，通过阀门可以调节蛇形管内冷却液的流量从而可以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。图2-4 发酵罐示意图Fig.2-4 Fermenter schematic diagram(1)时滞大由于

27、实验室发酵罐内没有搅拌装置，酒精水和麦汁主要依靠热传导进行热量交换，这就使得被控量的变化大大滞后于控制量的变换，从而产生时滞特性。(2)时变性啤酒发酵过程是从起酵、高泡、衰减到停止不断变化的间隙生产过程，在不同的发酵阶段，酵母的活力是不相同的，从而造成了酒体温度特性的变化，因此麦汁温度具有明显的时变性。(3)大时间常数由于实验室的发酵罐体积非常大，冷却液通过蛇形管壁与麦汁进行热交换的过程将会非常缓慢。(4)强关联罐内酒体由于温度的不同，任意一个控制量的变化均会引起三个被控量的变化。2.3控制方案确定目前，我国啤酒发酵温度控制系统大致可分为如下三种:(1)手动控制方案(2)半自动控制方案(3)全

28、自动控制方案 本系统是以单片机为核心的控制系统，硬件由单片机和外部接口电路、功能电路组成。具体构成如图2-5所示。 由于在啤酒的发酵过程中，发酵罐内部麦汁温度的升高主要原因是内部反应所放出的热量，所以发酵过程的升温速度是不可以控制的，所能控制的只有降温的速度。本系统设计的啤酒发酵温度控制系统是通过绕在啤酒发酵罐内壁上的蛇形管中的冷却液的循环流动来实现的，冷却液的流量和速度决定了降温的速度，因此可以通过控制冷却液的流量来控制温度，从而达到控制酒体温度的目的。 根据以上所述的本系统的控制要求，为了实现发酵罐三个位置的温度同时得到监控，本设计中采用的方法是在一个采样周期中循环检测三路温度，并在一个控

29、制周期内向三路控制通道输出需要的控制量。由于本系统使用的是具有严重非线性特性的管道制冷系统，所以本设计中采用电磁阀作为整个控制系统的执行器件，在对冷却液流量的控制中，通过改变一个控制周期内阀门的开度，从而达到了较好的使酒体冷却和保温的目的。温度传感器温度传感器（上，中，下）单片机AT89C51数码管显示阀门开度电磁阀（上，中，下）图2-5 啤酒发酵温度控制系统原理框图Fig.2-5 Beer ferment control system principle 从图2-5中可以看出在本温度控制系统中除了作为核心部件的单片机之外，另外还有三种非常重要的硬件组成部分:检测部件、显示部件和执行部件。3硬

30、件电路设计3.1啤酒发酵罐温度控制系统电路结构 在本啤酒发酵温度控制系统中，在一个采样周期内安装于啤酒发酵罐上、中、下三个位置的温度传感器DS 18B20将会分别采集发酵罐上、中和下三个位置的温度信号。采集到的三个温度信号将会按照设定好的顺序依次向单片机提供中断信号，从而可以把测得的温度信号读入到单片机内部，然后再把预先设定好的发酵过程具体阶段的设定值与实测值相比较。然后根据比较之后所得的余差给电机和电磁阀发出相应的控制信号。在具体的硬件电路的设计过程中，需要引起注意的一点是外界干扰的消除。 控制系统的硬件结构框图如图3-1所示。本系统主要由AT89S52单片机、温度采集电路、8155扩展电路

31、、液晶显示接口、键盘接口、报警电路、DAC0832,电压放大和V/I转换等单元组成。测温点1测温点1DS18B20测温点2DS18B20测温点3DS18B20液晶显示电路键盘电路8155扩展电路AT89S52 单 片 机DACO832电压放大V/I转换调节阀报警电路图3-1啤酒发酵温度控制系统硬件结构框图Fig.3-1 Beer ferment temperature control system hardware framework本温度控制系统的具体工作原理为:啤酒发酵罐内部麦汁在各个发酵阶段的温度设定值以及相关的参数被存放在外部PROM中，也可以由PC机或键盘来设置。单片机上电复位后通过

32、数字传感器DS18B20检测发酵罐上、中和下三个位置的温度。每隔固定的时间读入采集的数据并做相应的处理。对数据的处理是采用模糊控制和PID相结合的方法来实现的，单片机内部设定好的程序对采样得到的温度进行信号调理后，得到相应的偏差和偏差变化，然后通过查询模糊控制表输出控制量，经过DAC0832转换后控制电磁阀的开度，从而控制冷却水的流量，从而达到了控制温度的目的。3.2主要器件选择及简介3. 2.1单片机AT89S52AT89S52的引脚分布如图3-2所示。图3-2 AT89S52引脚图Fig.3-2 AT89S52 feet chartAT89S52单片机具有以下特点:(1)兼容MCS一51单

33、片机;(2) 8k字节FLASH存储器;(3) 1000次擦写周期;(4) 256字节内部RAM;(5)全静态时钟0HZ到33MHZ;(6)三级程序锁存器;(7) 32个可编程I/O口;(8) 3个16位定时/计数器;(9) 8个中断源;(10)全双工双向DART通道;(11)双数据指针;(12)上电复位标志;(13)低功耗支持Idle和Power-down模式;(14)看门狗定时器。3. 2. 2温度传感器DS18B20DS18B20的引脚图如l图3-3所示。DS18B20遵循严格的单线串行通信协议，每一个DS18B20在出厂时都用激光进行了调校，并且具有唯一的64位序列号。DS18B20的

34、内部使用了在板(ON-BOARD)专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只二极管的集成电路内，三端口分别是地线、数据和电容。其外围电路简单，可广泛应用于温度控制和温度测量系统中。图3-3 DS18B20引脚图Fig.3-3 DS18B20 feet chart3. 2. 2. 1 DS18B20结构 DS18B20主要由寄生电源、温度传感器、64位串行ROM单线接口、存储中间数据的高速暂存器(内部含有便笺式RAM、用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余检验码(CRC)发生器7部分组成，其内部功能如图3-4所示。 每个DS18B20含有一个唯一的64位

35、ROM编码。前8位是产品系列编码，接下来的48位是产品序列号，最后8位是循环冗余(CRC)检验码。所以多片DS 18B20能够连接在同一条数据线上而不会造成混乱。这样就为多点测量带来了极大的方便。表3-1为64位ROM结构图。图3-4 DS18B20内部功能框图Fig.3-4 DS18B20 functional frameTab. 3一1 64 bit ROM configuration 温度报警触发器和设置寄存器都由非易失性电可擦写存储器(E2PROM组成，设置值可以通过相应命令写入，一旦写入不会由于掉电而丢失。3. 2. 3 LED显示驱动MAX7219 MAX7219是一种新型的串行L

36、ED数码管驱动器。它集BCD码译码器、多路扫描仪、段驱动和位驱动于一体，内含8X8位双口静态SRAM，每片最多可驱动8个LED数码管。它与微机的接口十分简单，仅用3根线即可实现多位数码管的显示。MAX7219与数码管可以直接相连，不用三极管驱动和大量限流电阻，也不用译码器、锁存器和其它硬件电路。因此MAX7219成为仪表、仪器LED显示的首选接口电路芯片。MAX7219的引脚图和引脚说明分别如图3-8和表3-6所示。图3-8 MAX7219引脚图Fig.3-8 MAX7219 Feet chart 表3-6引脚功能Tab.3-h Feet function3.3功能电路设计3.3.1测温电路根

37、据本控制系统的实际需要，然后再考虑到DS18B20独特的单总线接口、多点组网功能以及很高的测温精度。本温度检测系统是由AT89S52组成的控制模块和3个温度传感器DS18B20组成的检测电路组成的。具体连接电路如图3-9所示。DS18B20与单片机的接口非常简单，可以采用寄生电源供电方式，P1.0口接数据总线，为了保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可以用一个MOSFET管和AT89S52单片机的P1.1口来完成对总线的上拉。由于总线只有1根线，因此发送接收口必须是三态的。图3-9采用外部电源供电方式，P1.0口接数据总线，只要在数据线上加一个4.7K的上拉电阻，另外2个脚分别

38、接电源和地，这种电路连接方式可靠、编程简单。单片机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤:初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。本设计中单片机系统所用的晶振频率为11.0592MHz,根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别写3个子程序:INIT为初始化子程序，WRITE为写子程序，READ为读数据子程序，所有的数据的读写均由最低位开始。3.3.2显示与按键电路设计人和单片机之间的对话是单片机应用系统中的一个必要的组成部分，主要包括键盘和显示这两部分。这两部分是控制系统和操作人员之间交互的窗口，它既反映系统运行的状态，又能改变参数的设置，必要时实现适当的人工干预。3.3.

39、2.1显示电路设计显示电路系统是实现人机联系的主要途径。显示系统根据发酵罐内的反应情况，需要实时循环显示出三路冷却液温度、发酵罐温度、罐内压力、液位以及三路阀门的准确位置，并在参数设定时显示更新的数据，同时LED显示器又承担对发酵罐内部温度反应工艺曲线的设定参数的显示任务，以达到更好的人机对话。在单片机温度控制系统设计中，LED显示方式由于其具有高亮度、显示醒目、使用寿命长、方便、价格低廉等优点，在工业用仪器仪表中得到了广泛应用。而其驱动方式有多种形式，在采用并行显示方式时，显示电路的段码与位控码要占用单片机的较多口线，尽管可以采用8255等接口芯片进行扩展，但口线利用率仍较低，不能满足大型控

40、制系统的要求。采用串行显示方式则只需占用2至3根口线，节约单片机大量的I/O口，为单片机扩展其它的功能提供了方便。一般要求控制芯片使用简单、功能多样化、多级灰度调节、外围电路精简可靠、译码与功率驱动于一体。单片机通过LED驱动电路把显示值到数码管，通过译码选择某一个数码管显示温度值的某一位，可以动态循环扫描，软件实现方式显示设定值，动态显示的扫描频率一般在50Hz以上，每个数码管能有1 ms的导通时间，从而肉眼感觉不到闪烁。本课题采用一种基于MAX7219芯片的LED串行显示技术。LED显示是由Maxim公司生产的MAX7219来驱动的。MAX7219与单片机之间的数据传送最快最有效的方法是串

41、行外设接口SPI，对不带SPI接口能力的单片机，需要软件合成SPI操作与MAX7219接口。硬件连接电路如图3-10所示。其中AT89S52单片机的P 1.5口作串行数据输出。连接到MAX7219的DIN引脚，P1.7和P 1.5分别连接时钟脉冲CLK和数据加载LOAD信号。SEGASEGF是7段驱动输出端，与LED对应的7个段a, b, c, d, e, f和g连接;SEGDP为小数点dp驱动输出端o DIG3DIG0分别接4个LED显示器的共阴极，以实现位选。显示数据串行输入MAX7219，移位存入数据寄存器，片内多路扫描电路顺序扫描，分别选通各字，备选通字的引脚置为低电平，LED发光显示

42、数字，未选通的字引脚保持高电平。 MAX7219允许一个外部电阻控制显示亮度，外部电阻接于电源输入V+和段电流Iset端。源于段驱动器的峰电流，以电流的100倍进入Iset。一般段电流为37mA，允许最大段电流为40mA，由于LED有2._5 V的电压降，则调节亮度电阻的电压降为V+-VLED=2.5 V，七段码全部点亮的总电流为7 X 37mA=259mA，外部调节亮度电阻Rset最小值是2.5V/ l 259mA = 9.53K 。 在MAX7219的电源(V+)与地(GND)间并接一个0.1 u F去耦电容和一个10 u F/16V电解电容，可以有效提高其工作可靠性。在强干扰环境下，干扰

43、源可能通过供电电源或3根信号线串入显示电路而造成显示器的不稳定，从而出现笔段跳跃、显示不全、甚至全暗或全亮的现象。为此，可通过在3根信号线上对地接入一个 1000pF的瓷片电容来有效地滤除因空间干扰而引起的尖脉冲。3.3.2.2按键电路设计 键盘是单片机应用系统中一个至关重要的部分。它能实现输入数据、传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。键盘可分为编码键盘和非编码键盘 两种。前者用软件来识别和产生代码，后者则使用硬件来识别。非编码键盘投资小，又因为按键数量较少，因此本文在设计中使用独立式按键非编码键盘。图3-11为按键接口电路。独立式按键就是各按键相互独立。每个按键各接一根输入线，从而使

44、一根线上按键的工作状态不会影响其它线上的工作状态。因此通过软件检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。八个按键通过一片并入串出的74LS165芯片接入单片机，单片机的P1.1口为串行数据输出线，P1.2口提供74LS165移位所需的时钟信号，P1.4口控制74LS165的并行置入和串行移位信号线。P1.3口为信号封锁线，防止按键按下时的强电流对显示造成影响。按键的消抖用软件延时的方法实现。八个键分别是日历时钟、温度时钟、启动时刻设定、定时时间设定、恒温设定、确认六个功能键和增、减数字两个控制键。74LS165的8个I/O口通过10K 的上拉电阻接高电平，保证按键断开时I/O口线有确

45、定的高电平。当扫描到某一位为低电平时表示有按键按下。通过软件变成可以实现键盘的读取。3. 3. 3报警电路设计图3-12是本系统温度报警器电路原理图。本电路由音乐片及外围原件构成。温度传感器采用测量范围为0100的电接点玻璃温度计。温度计最大额定电压为36V，额定电流为20mA。音乐片采用MX-O 1或系列音乐片集成块。上限报警电路由IC2, VD5, VT1, VT2构成，下限报警电路由IC3, VD6, VT3,VT4等构成。两只电接点玻璃温度计分别设定在上下限温度给定值，并插在被检测系统的有关部分，将温度计电极分别接在上下限温度控制点SKD1和SKD2上。啤酒发酵罐内部麦汁温度正常时，接

46、在SKD1的电接点温度计开路，VT1基极无偏流而截止，发光二极管VD5不发光，音乐片IC2不被触发;接在SKD2上的控制下限温度的电接点温度计接通，VT3基极和发射极短路，Ib等于零，VT3截至，发光二极管VD6不亮，IC3音乐片不触发。这时，上下限报警电路均不做声。如果被检测系统的温度达到上限给定的值，上限控制接点SDK2接通，由电阻R2提供偏流，使晶体管VT1导通，上限发光二极管VD5发光报警，同时VT1触发音乐片IC2的2脚，使3脚输出音频电流，通过晶体管VT2放大，推动扬声器BY发出音乐报警声。如果被检测系统的温度还没有调节到低于上限给定值，声光报警信号始终不止。如果被检测系统温度低于

47、下限给定值，下限控制接点SKD2断路，晶体管VT3的基极b和发射极e开路，基极b通过电阻R6提供偏流VT3导通，温度下限发光二极管VD5有电流流过而发光报警。同时，VT3发音乐片IC3，并被晶体管VT4放大使扬声器BY发出音乐报警声。直到被检测系统温度被调节到高于下限给定值后，VT3截止，声光报警信号消失。电阻R4和R6是起限流作用的，防止电流过多流向发光二极管而影响使用寿命，又能使部分电流流向音乐片的2脚，触发音乐片。 电源采用220V交流电路电容C1降压。VD1-VD2桥式整流，电容C2滤波，三端稳压集成块IC1稳压后，输出5 V直流电压，1.5A电流。由于电压绝大部分降到电容C1上，所以

48、，C1取值基本上取决于输出电流值。C1要求耐压大于400V其容量按音乐片最大工作电流计，选择为了使音乐片声音宏亮，VT2和VT4选用中功率晶体管，如3DG12B等， 80左右。IC2和IC3可公用一个扬声器，选4或8电动扬声器。为区别上下限温度报警。VD5和VD6选用两种颜色的发光二极管，一般上限的选红色的，下限的选绿色的较好一些。3. 3. 4接口电路设计3. 3. 4. 1与上位机通讯接口为了提高整个温度控制系统的管理和控制能力，许多厂家的整个啤酒发酵系统采用了主从分布式集散控制系统。主机可以选用具有丰富的软硬件资源、价格优惠并被广泛使用的PC机作为上位机，用于集中管理，它可以显示发酵工艺

49、流程图及各种参数实测值。显示报警状态，修改从机各种控制参数等，来对多台从机进行监控和管理。本课题设计的是基AT89S52单片机的温度控制系统，是针对一个发酵罐的，独立的完成此发酵罐的温度控制，但是作为集散系统中的下位机还要具有向上位机传送发酵罐在反应过程中的参数的功能;以及从上位机接受发酵罐的参数设定和修改功能。因此出于主从机之间的通讯考虑，在电中设计了与上位机的接口电路。 PC机内部已经有了以8250芯片为主的异步串行通讯板，现场控制从机与中央监控主机的距离如果不是太远，主从机之间的通讯可以采用最大传输距离为15m、最高数据传输速率20Kb/s的RS-232C串行接口标准，以此来传输数据，此

50、时可将本系统与主机直接相连;而当现场控制从机与中央监控主机的距离大于1 主从机之间多机通讯的工作原理是利用单片机AT89S52的串行口工作方式3来实现的，方式3的信息帧是11位，即1位起始、8位数据、1位编程和1位停止。在方式3下接收数据时，如果编程位为1，就可以产生串行中断，否则不产生中断。电路由RS-422标准接口的发送、接收驱动器DS3486, DS3487和RS-232标准电平转换器件ICL组成。下面分别介绍这两种通讯总线和所用器件3. 3. 4 .1.1RS-232C总线接口RS232-C是目前最常用的串行接口标准，它的电气接口使用单端的、不平衡的发送器和接收器。RS232-C的传输

51、电平采用负逻辑，规定+5V+15V为逻辑“0-5V-15V为逻辑“1，数据传输速率局限在20Kb/s以下。由于单片机和PC机的RS-232接口不能直接“握手”，必须进行电平转换。采用了自升压电平转换集成芯片ICL232，主要功能是在单一的+5 V电源下，由TTL信号输入到R-232输出的功能和RS-232输入到TTL输出的功能。ICL232是RS-232双发送器/接收器接口电路，能满足EIA-RS-232C的电气规范，只需要5 V电源，片内的电子泵电压转换器将5 V转换成-10V10V，该电路芯片与TTL/CMOS电平兼容，片内具有2个发送器和2个接收器。ICL232芯片管脚封装如图3-13所

52、示图3-13 ICL232芯片管脚封装图Fig.3-13 ICL232 CMOS chip feet encapsulation chart3. 3. 4.1.2 RS-422总线接口RS-422标准是美国电子工业防会于1978年公布的，是为了在本质上提高串行通讯电气特性，又在数据格式上与RS-232兼容。RS-422在发送端通过传输线驱动器，把逻辑电平变换成分别为同相和反相的一对差分信号，在接收端通过传输线接收器把差分信号转换成逻辑电平。差分信号的差分电压低于某一闽值或高于某一闽值分别表示两个逻辑电平。RS-422的总线接口芯片只能采用单电源供电。由于差分信号及其有关电路具有对共模噪声的抑制

53、能力，RS-422可达到比RS-232C更远的传输距离和更高的传输速率。传输速率为l 0Mb/s时电缆长度可达120m，如采用90Kb/s低速传送，距离可达1200m。图3-14 DS3486芯片封装 图3-15 DS3487芯片封装作为单片机与上位机之间的以RS-422标准的接口，电路采用DS3486,DS3487来对其电平转换器件。DS3487用于把单片机输出的TTL电平转换成RS-422电平，DS3486用于RS-422电平转换成单片机的TTL电平。它们具有三态控制的发送、接受驱动器，具有四个独立的接收器、发送器、遵从平衡/非平衡电压数字接口电路电气特性的EIA标准，输出为与74LS兼容

54、的三态结构，当对应的输出控制引脚达到逻辑零条件时，被强制为高阻抗状态。DS3486的芯片管脚封装如图3-14所示，DS3487的外部封装如图3-15所示，其封装图与DS3486相似。3.3.4.2与串行E2PROM的接口电路 在啤酒的整个发酵过程中，有时候会出现突然掉电的现象。为了使整个发酵的控制更加的合理，需要记录发酵过程掉电之前的系统状态。因此就需要用到串行EZPROM。串行EZPROM在电路中的作用是存储发酵过程掉电之前的有关参数，把停电之前发酵过程的参数存储在EZPROM内部，以防止掉电后数据的丢失，在系统上电之后后向单片机传送数据来恢复、继续运行。本控制系统用AT24C02作为串行器

55、件。AT24C02是ATMEL公司生产的具有IC接口的优秀串行器件，是采用CMOS工艺制成的256 X 8位的串行电可擦除可编程只读存储器。AT24C02的引脚如图3-16所示。图3-16 AT24C02的引脚图Fig.3-16 AT24C02 feet chart图3-17 AT24C02的内部结构图Fig.3-17 AT24C02 interior configuration chart 图3-17是AT24C02的内部结构图。I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二进制总线，此总线由串行时钟线SCL和串行数据线SDA构成，它可以根据地址识别每个器件，SDA和SCL都是双向I/O线，通过上

56、拉电阻连接到电源的正极。时钟由总线主控器件产生，数据在SDA线上传送，最高有效位居先，与时钟同步。该防议支持以8位字节为单位的双向数据传送。I2C总线在标准方式下的最高时钟频率为1 00KHz，时钟信号的最小低电平时为4.7 u s，高电平时段不得小于4 u s。 在本控制系统中，AT89S52单片机作为总线主控器件，启动所有的数据传送，产生调节数据流的时钟信号。总线上的串行器件AT24C02被视作从控器件，它可以根据主控器件的命令来接收或发送相应的数据。4系统软件设计4.1系统构成 啤酒发酵温度控制系统的软件设计需要采样温度、压力、液位和阀门工作状态等参数，然后根据检测量与设定值的误差进行运

57、算，输出控制量，同时要对发酵罐的发酵时间进行计时，而且需要实时查询按键的状态、实时显示检测量和向上位机传送数据。 本系统的软件由主程序MAIN、外部中断服务子程序JINT、定时/计数器TO中断服务子程序JTO、定时/计时器T1中断服务子程序JT1、串行中断服务子程序JSR、按键处理模块、显示模块、报警模块和读数据子程序RDBYT，写数据子程序WRBYT等构成。其中外部中断服务子程序JINT中又包括数据采集模块、数据处理模块、PID计算子程序。各模块功能说明如下:主程序模块:完成系统的自检、初始化和协调各功能模块工作。 外部中断服务子程序JINT:在这个中断服务程序部分里要完成对被测量的读取、变

58、换、Fuzzy-PID计算和限幅任务。主要由数据采集模块、数据处理模块、Fuzzy-PID计算子程序来完成。 定时/计数器TO:完成对系统运行时间的计时。 串行口中断服务子程序JSR:其主要是接收来自集散控制系统的主机的信息，向主机发送数据，实现从主机设定或修改每个发酵罐反映参数的功能和向主机提供集散控制管理的数据。数据采集模块:完成定时采集上、中、下三层温度、压力的液位及四个阀门工作状态、数据的数字滤波、数据格式转换及存储;对测量值进行判断是否超过限值，利用发光二极管指示工作状态和超限报警信号。 数据处理模块:判断当前的测量值处于发酵工艺曲线的哪一段折线上，然后根据相应的线性化公式计算出此次

59、采样的线性值。根据采集的数据与设定值的误差进行Fuzzy-PID运算，计算出阀门的开度，从而输出相应的控制量。 Fuzzy-PID计算子程序:根据测量值与设定值的偏差，利用Fuzzy-PID运算公式，计算出系统应输出的控制量。 按键处理模块:在发酵的最初阶段，需要对发酵过程中的温度按照控制工艺要求进行相应的设定，需要输入3层温度随时间的变化关系，参数设定权限的密码系统的PID参数。另外还要进行运行的开始与停止空罐降温和洗罐等命令的操作等。 显示模块:根据采样所得的结果，要求对采样结果进行实时显示，以及输入参数的显示，对当前输入位进行闪烁显示，对操作进行提示。读数据子程序RDBYT，写数据子程序

60、WRBYT:实现单片机与串行EZPROM的数据传递功能，作为整个装置掉电之后的保护措施。4. 2系统软件设计思想在本系统中，下位机所完成的任务主要包括:模拟量的测量发酵罐的上、中和下三个温度测量点。参数显示在正常情况下发酵罐的运行状态是集中在上位机上显示的，但是应该考虑到在具体生产中上位机停机或者通信线路发生故障的情况。在这种情况下，操作人员仍需了解发酵罐内各参数的变化，进行控制，下位机可以利用LED在仪表面板上显示当前发酵罐的工作情况。通信采用RS485协议进行通信计算 在具体控制中的每一个采样周期，下位机都应该按偏差计算出控制输出量。控制信号产生 下位机所采用的是时间比例控制方式，要求输出