基于單片機(jī)的啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)啤酒發(fā)酵溫度采用傳統(tǒng)的手動(dòng)操作控制，啤酒質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，酒損嚴(yán)重，不能靈活地修改工藝參數(shù)。為此我們使用以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)來(lái)控制啤酒發(fā)酵溫度，很好地解決上述問(wèn)題。本文介紹基于單片機(jī)的啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及工作原理、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和抗干擾措施。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及工作原理本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、溫度采集與轉(zhuǎn)換電路、擴(kuò)展電路、液晶顯示接口、鍵盤(pán)接口、蜂鳴器報(bào)警電路、串口通信電路、電壓放大和轉(zhuǎn)換等單元組成?？刂葡到y(tǒng)硬件組成框圖如圖所示。 圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖微處理器系統(tǒng)單片機(jī)為主控制器件。是公司生產(chǎn)的低功耗、高性能位單片機(jī)，它除正常工作外還可

2、工作于低功耗的閑置和掉電模式，進(jìn)一步減少了芯片的功耗。單片機(jī)首先根據(jù)已經(jīng)測(cè)量的數(shù)值計(jì)算出溫度偏差，然后進(jìn)行控制并計(jì)算出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)量，將控制數(shù)據(jù)量輸出到轉(zhuǎn)換器。還負(fù)責(zé)按鍵處理、液晶顯示以及與上位機(jī)進(jìn)行通信等工作。本系統(tǒng)采用芯片來(lái)擴(kuò)展鍵盤(pán)和液晶顯示，用實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口通信電路。鍵盤(pán)主要負(fù)責(zé)溫度控制范圍和控制參數(shù)的輸入；液晶顯示器采用液晶顯示模塊，把溫度控制結(jié)果顯示在液晶屏上。數(shù)據(jù)采集電路的工作原理溫度傳感器使用集成溫度傳感器，它的靈敏度為，即溫度為時(shí)，輸出電壓為。常溫下測(cè)溫精度為以?xún)?nèi)，消耗電流最大也只有。本文采用雙電源供電方式，電路簡(jiǎn)單，不需要對(duì)的輸出進(jìn)行調(diào)整。將的輸出電壓放大倍（注：根據(jù)發(fā)酵溫度

3、的變化范圍和溫度傳感器的靈敏度，將電壓放大器的電壓放大倍數(shù)整定為倍），使放大器輸出電壓限制在不大于的范圍（給定溫度對(duì)應(yīng)值要在范圍之內(nèi)），以便與單片機(jī)的電平相匹配。放大電路采用集成運(yùn)放組成，如等。由于溫度信號(hào)為緩慢變化的信號(hào)，對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高，可選用價(jià)廉的集成芯片。將經(jīng)過(guò)倍電壓放大的電壓模擬量轉(zhuǎn)化成與其大小成正比的數(shù)字量，并送給單片機(jī)。蜂鳴器報(bào)警電路系統(tǒng)時(shí)刻檢測(cè)發(fā)酵溫度值，出現(xiàn)異常時(shí)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。蜂鳴器報(bào)警電路由晶體管和蜂鳴器組成。由單片機(jī)口輸出信號(hào)控制晶體管的導(dǎo)通或截止，晶體管導(dǎo)通，則蜂鳴器報(bào)警。驅(qū)動(dòng)電路輸出的的電壓經(jīng)過(guò)放大器放大為的電壓。由于型電動(dòng)角形閥的控制信號(hào)是直流電流信號(hào)，因此需要

4、將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路使用集成電路。型電動(dòng)角形閥以單相交流電源為動(dòng)力，接受直流信號(hào)，自動(dòng)地控制閥門(mén)的開(kāi)度，從而達(dá)到對(duì)冷卻酒精水流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐內(nèi)溫度的控制，使實(shí)際溫度向著給定溫度變化并最終達(dá)到給定溫度。軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)方法，便于功能擴(kuò)展，程序可采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程。程序模塊主要包括：主程序、數(shù)據(jù)處理、按鍵處理、溫度采樣與轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、越限報(bào)警等子程序。本文重點(diǎn)介紹主程序流程圖和數(shù)據(jù)處理模塊。主程序控制系統(tǒng)主程序的流程圖如圖所示。本系統(tǒng)利用定時(shí)循環(huán)輪流對(duì)個(gè)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，為了能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的巡回測(cè)量，必須有相應(yīng)的程序來(lái)選擇溫度輸入通道。用

5、戶可以通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定溫度的上限值和下限值、偏差（）絕對(duì)值的設(shè)定值、D 控制的系數(shù)、和等參數(shù)。 數(shù)據(jù)處理模塊本溫控系統(tǒng)采用的數(shù)字算法由軟件實(shí)現(xiàn)，增量控制算法的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲(chǔ)空間少，運(yùn)算快。但是對(duì)于溫度這種響應(yīng)緩慢、滯后性大的過(guò)程，不能用標(biāo)準(zhǔn)的算法進(jìn)行控制。當(dāng)擾動(dòng)較大或者給定的溫度值大幅度變化時(shí)，由于產(chǎn)生較大的偏差，加上溫控本身的慣性及滯后，在積分作用下，系統(tǒng)往往產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的振蕩。因此，為克服這種不良的影響，采用積分分離法對(duì)增量算法進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)偏差（）絕對(duì)值較大時(shí)，暫時(shí)取消積分作用；當(dāng)偏差（）絕對(duì)值小于某一設(shè)定值時(shí)，才將積分作用投入。）當(dāng)（）時(shí)，用控制。偏差小

6、，說(shuō)明系統(tǒng)溫度已經(jīng)接近設(shè)定值，此時(shí)加入了積分作用，可以消除系統(tǒng)靜差，保證系統(tǒng)的控制精度。根據(jù)遞增原理可得（）（）! （）（）（） （）式中：（）（）（）為第時(shí)刻所得偏差信號(hào)，是給定值，是實(shí)際輸出值；為比例增益，為積分系數(shù)，為微分系數(shù)。則增量式控制算法為（）（）（）（）（）（）（） （）當(dāng)（）時(shí)，用控制。由于偏差大，說(shuō)明系統(tǒng)溫度遠(yuǎn)離設(shè)定值，應(yīng)快速降溫，采用控制，可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，避免產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)，減小動(dòng)態(tài)誤差。數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖所示。 抗干擾措施與實(shí)際測(cè)試結(jié)果控制系統(tǒng)的抗干擾措施在硬件方面的抗干擾措施有：在電源輸入端設(shè)置低通濾波器，濾去高次諧波成份。在溫度傳感器兩端，以及其它地方

7、使用壓敏電阻器，吸收不同極性的過(guò)電壓。在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電磁干擾試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，并通過(guò)精心選擇元器件、采用抗干擾技術(shù)使干擾源產(chǎn)生的電磁干擾降至最小。采用了中的看門(mén)狗定時(shí)器，提高系統(tǒng)硬件抗干擾的能力。在軟件方面的抗干擾措施有：在程序設(shè)計(jì)時(shí)，將各程序模塊分區(qū)存放，彼此之間空出一些存儲(chǔ)單元，在這些單元中填充（指令）。同時(shí)對(duì)程序中重要的跳轉(zhuǎn)和調(diào)用子程序指令前均加入三個(gè)指令，以保證程序流向的正確性。利用平均濾波法求取平均值。將最近次采樣得到的溫度值，去除最大值和最小值，剩下的個(gè)數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值。實(shí)際測(cè)試結(jié)果該控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。以初始溫度、設(shè)定溫度是為例，啤酒發(fā)酵溫度控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。 由于啤酒發(fā)酵罐的容積達(dá)數(shù)百立升，發(fā)酵溫度基本達(dá)到設(shè)定值的調(diào)節(jié)時(shí)間需要小時(shí)左右。結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)算法中各控制參數(shù)的整定和采用積分分離方法，消除了系統(tǒng)的振蕩和超調(diào)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了溫度的相對(duì)精確控制。此啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)不但有現(xiàn)場(chǎng)的溫度液晶顯示和按鍵控制，還通過(guò)單片機(jī)串口將測(cè)得的溫度值傳遞給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的溫度顯示與控制。參考文獻(xiàn)