啤酒发酵计算机温度控制系统设计.docx

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1、课程设计报告题目：课程：专业：班级：姓名：学号：啤酒发酵计算机温度把握系统设计一、课程设计目的和任务计算机把握技术是一门有用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。计算机把握技术的课程设计是一个综合运用学问的过程，它需要把握理论、程序设计、硬件电路设计等方面的学问融合。通过本课程设计，学生应学习并把握： 1把握总线式工业把握机把握系统硬件方案设计，包括工业把握机、模拟输入、输出通道设计和元器件选型，把握模拟量输入、输出通道及接口连接线路绘制。 2把握工业把握机把握系统软件方案数学模型分析、把握策略、把握算法等设计，把握数据采集及处理程序、把握算法程序和模拟量输出程序流程图及软

2、件编程。这次课程设计的任务是：啤酒发酵计算机温度把握系统设计二、课程设计的要求2.1 啤酒发酵工艺简介啤酒发酵是一个简洁的生物化学过程，通常在锥型发酵罐中进展。在二十多天的发酵期 间，依据酵母的活动力气，生长生殖快慢，确定发酵给定温度曲线，如以以下图所示。要使酵母的生殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙酰等杂质含量到达最正确状态，必需严格把握发酵各 阶段的温度，使其在给定温度的0.5范围内。欢送下载102.2 系统把握要求1现要求把握1 个 200m3 的锥形啤酒发酵罐，罐测量3 个参数，即发酵罐的上、中、下三段温度，三段温度的测量范围：-20+50，共有三个温度测量点，因此需检测3 个参数。(2

3、)自动把握各个发酵罐中的上、中、下三段温度使其按上图所示的工艺曲线运行，温度把握误差不大于0.5。共有 3 个把握点。（3） 把握规律被控对象可视为纯滞后的一阶惯性： a、在恒温段承受增量型PI 把握算法b、在升温存降温段承受增量型PID 把握算式c、考虑被控对象为纯滞后的一阶惯性，还要承受施密斯Smith预估量把握算法。（4） 系统软件设计要求a、数据采集程序:按挨次采集三个温度信号，每个信号采集 5 次并储存起来，采样周期为 T=2s。b、数字滤波程序c、温度标度变换程序d、给定工艺曲线的实时插补计算e、把握算法 PID 算式加特别处理 施密斯Smith)预估把握算式三、硬件总体设计方案3

4、.1 概述依据设计要求可以得到系统的总体框图如下所示：本系统主要由 AT89S52 单片机、温度采集电路、8155 扩展电路、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 1DS18B20DACO832测温点 2DS18B20AT89S52单测温点 3DS18B20片电压放大V/I 转换机液晶显示电路8155扩展电路调整阀键盘电路报警电路3.1 把握系统的硬件构造框图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3. 2.2 温度传感器 DS18B20DS

5、18B20 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展了调校，并且具有唯一的 64 位序列号。DS18B20 的内部使用了在板(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。其外围电路简洁，可广泛应用于温度把握和温度测量系统中。图 3-3 DS18B20 引脚图图 3-4 DS18B20 内部功能框图温度报警触发器和设置存放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丧失。3. 2.3LED

6、显示驱动 MAX7219MAX7219 是一种型的串行 LED 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。它与微机的接口格外简洁，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3.3 功能电路设计3. 3.1 测温电路依据本把握系统的

7、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 组成的把握模块和 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 与单片机的接口格外简洁，可以承受寄生电源供电方式，P1.0 口接数据总线， 为了保证在有效的 DS18B20 时钟周期内供给足够的电流，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，因此发送接收口必需是三态的。图 3-9 承受外部电源供电方式，P1.0 口接数据总线，只要在数据线上加一个4

8、.7K的上拉电阻，另外 2 个脚分别接电源和地，这种电路连接方式牢靠、编程简洁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局部，主要包括键盘和显示这两局部。3.3.2.1 显示电路设计显示电路系统是实现人机联系的主要途径。显示系统依据发酵罐内的反响状况，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的数据，同时 LED 显示器又担当对发酵罐内部温度反响工艺曲线的设定参数的显示任务，以到达更好的人机对话。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

9、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耀。本课题承受一种基于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行外设接口SPI，对不带 SPI 接口力气的单片机，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。3. 2.3 按键电路设计键盘是单片机应用系统中一个至关重要的局部。它能实现输入数据

10、、传送命令等功能，是人工干估量算机的主要手段。图3-11 为按键接口电路。独立式按键就是各按键相互独立。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、减数字两个把握键。3. 3.4 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。温度传感器承受测量范围为 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。音乐片承受 MX-O 1 或 786153 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

11、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局部，将温度计电极分别接在上下限温度把握点SKD1 和 SKD2 上。啤酒发酵罐内部麦汁温度正常时，接在 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 上的把握下限温度的电接点温度计接通，VT3 基极和放射极短路，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。假设被检测系统的温度到达上限给定的值，上限把握接点 SDK2 接通，由电阻 R2 供给偏流，使晶体管VT1 导通，上限发光二极管VD5 发

12、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。假设被检测系统的温度还没有调整到低于上限给定值，声光报警信号始终不止。假设被检测系统温度低于下限给定值，与上面状况相反。 电源承受 220V 沟通电路电容 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。由于电压绝大局部降到电容C1 上，所以，C1 取值根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3uF。为了使音乐片声音宏亮，VT2 和 VT4

13、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。为区分上下限温度报警。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. 3.5 接口电路设计3. 3. 5. 1 与上位机通讯接口为了提高整个温度把握系统的治理和把握力气，很多厂家的整个啤酒发酵系统承受了主从分布式集散把握系统。3. 3.5 .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 的传输电平承受负规律，规定+5V+15V 为规律“0“-

14、5V-15V 为规律“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”，必需进展电平转换。承受了自升压电平转换集成芯片ICL232。图 3-13ICL232 芯片管脚封装图Fig.3-13 ICL232 CMOS chip feet encapsulation chart3. 3. 5.1.2RS-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，把规律电平变换成分别为同相和反相的一对差分信号，在接

15、收端通过传输线接收器把差分信号转换成规律电平。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规律电平。图3-14DS3486 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，电路承受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。它们具有三态把握的发送、承受驱动器，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 兼容的三态构造，当对应的输出把握引脚

16、到达规律零条件时，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 相像。四、系统软件设计4.1 系统构成本系统的软件由主程序MAIN、外部中断效劳子程序JINT、定时/计数器 TO 中断效劳子程序 JTO、定时/计时器 T1 中断效劳子程序 JT1、串行中断效劳子程序 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。其中外部中断效劳子程序 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

17、始化和协调各功能模块工作。外部中断效劳子程序JINT:在这个中断效劳程序局部里要完成对被测量的读取、变换、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。串行口中断效劳子程序 JSR:其主要是接收来自集散把握系统的主机的信息，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供给集散把握治理的数据。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;对测量值进展推断是否超过限值，利用发光二极管指示工作状态和超限报警

18、信号。数据处理模块:推断当前的测量值处于发酵工艺曲线的哪一段折线上，然后依据相应的线性化公式计算出此次采样的线性值。依据采集的数据与设定值的误差进展Fuzzy-PID 运算，计算出阀门的开度，从而输出相应的把握量。Fuzzy-PID 计算子程序:依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把握量。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依据把握工艺要求进 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。另外还要进展运行的开头与停顿空罐降温存洗罐等命令的操作等。显示模块:依据采样所得的结果，要求对采样结果

19、进展实时显示，以及输入参数的显示，对当前输入位进展闪耀显示，对操作进展提示。读数据子程序RDBYT，写数据子程序 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。欢送下载124. 1.1 主程序 MAIN开 始关中断读出DOWN有关数据区清零DOWN=1?阅读数据主程序RDBYT参数初始化CPU 自诊断DOWN=0 读 24C02开关中断，T0 中断，串行口中断开 INT1 和 T1 中断DOWN=1 读 24C02把握信号输出1S 计时到调用显示主程序案件查询？调用按键处理子程序图 4-1 主程序流程图主程序的具体要求简述如下:定义系统运行过程中所需

20、要的变量，以及显示器需要的段码;安排硬件系统所拥有的相关资源，如存放器、ROM、中断资源和堆栈等;完成系统的自检;在程序运行过程中，依据发酵工艺的要求，依次完成对系统各模块的调用，并将结果供给应用户参考;在各模块调用过程中，实现调用过程的现场保护，以确保子程序运行完成返回主程序时能够正确执行;保存系统运行过程中的必要参数，如发酵工艺参数，密码等。4. 1.2 采样程序模块采样模块主要包括模数转换把握和数字滤波两个局部。系统中所使用的 ADC 是与 SPI 总线相兼容的串行接口，而 AT89S52 单片机内没有供给这一类串行口。于是，在本系统的具体实施中承受了并行口线的位控方式，用软件来仿真 S

21、PI 的时序。这种方法可以削减硬件的开销，是典型的以“以软代硬”的做法。其缺点是程序相比照较简洁，目_运行速度有所限制。不过，由于本系统对采样速度要求不高，因此对本系统不会造成影响。在数字滤波中使用较多的是算术平均值法和中值法。为此，在本系统的温度检测过程中 承受了中值平均数字滤波，通过软件对输入的数据进展必要的处理运算。具体流程如图4-2 所示，连续采集 50 次同一通道的温度值，去掉其中 10 个最大值和 10 个最小值，然后计算中间的 30 个数据的平均值。此方法的实质是先用中值滤波的原理除去尖脉冲干扰引起的误差，然后把剩下的采样数据进展算术平均，这样就融合了算术平均值法和中值滤波法的优

22、点。图 4-2 数字滤波流程图欢送下载14五、 把握算法模糊 PID本文仿真所承受的数学模型由参考文献15所供给，即罐高度为 8m，直径为 5 m 时的露天发酵罐。利用本文所设计的把握系统仿真试验参考文献中的数学模型，从而可以验证本 文设计把握系统的可行性。在发酵罐内部的上、中、下三段设置有三段蛇形管，相应地设立上、中、下三个测温点和三个电磁阀。发酵前期和后期的数学模型分别为G1 和 G2。其具体公式为:仿真主程序如图 5-1 所示图 5-1 仿真主程序图Fig.5 一 1 Simulate main program仿真结果图 5-2 发酵前期仿真温度曲线Fig.5-2 Simulate te

23、mperature curve in the prophase ferment发酵前期，以上、中部温度为被控量，发酵罐的压力等其它工况正常的状况下仿真结果如图 5-3 所示。由发酵前期仿真结果看出，中部与上部温度根本一样，满足工艺要求，即上、中温度保持均衡，抑制发酵液的对流有利于降糖及双乙酞复原。发酵后期，以中、下部温度为被把握量，其仿真结果如图5-3 所示。图 5-3 发酵后期仿真温度曲线Fig.5 一 3 Simulate temperature curve in the anaphase of beer fermentation发酵工艺要求一旦双乙酞符合工艺指标，就可以对发酵液进展冷却操

24、作，使酵母沉淀即 进入发酵后期的把握。这时，为了加快酵母的沉淀而不使其悬浮，应使罐内发酵液上面热下 面冷，即下部温度要低于中、上部温度，由发酵后期仿真结果图5-3 可以看出，中、下温差 约为 30，可以满足工艺要求，另由发酵罐的构造打算了其内中、上部具有一样的温度场， 所以在发酵后期，上部阀门实行与中部阀门一样的把握策略。由仿真结果图可以看出，本文所提出的把握策略能够使发酵罐内部麦汁温度从开头的不符合发酵工艺要求的温度平稳的过渡到符合工艺要求的温度，根本满足发酵工艺的要求，并 在 400h 左右时趋于稳定状态，从而保证了该把握策略的有用性和有效性。六、试验结果本论文在硬件构造设计上，以 AT8

25、9S52 单片机为核心，单片机外围配备相应的硬件电路， 从而组成了以单片机为核心的啤酒发酵罐温度把握系统。由于本系统负责采集和把握发酵罐 上、中和下三路温度，因此本系统实际上是一个多路温度测控系统调整装置，从而排解了硬 件组成分立元件多、体积大、牢靠性差及口常维护量大的缺点。本系统硬件电路简洁、软件丰富，调试、修改便利，可以便利地实现现代化把握规律和多种功能，为试验室设备的升级换代供给了便利。由于本系统牢靠性高，调试简洁，可以作为一种先进的啤酒发酵温度把握 方法来取代现在常用的单路检测量监控系统。在把握策略上，由于本啤酒发酵温控系统的非线性、强祸合、构造参数变化范围较大的特点，假设承受常规的

26、PID 经典把握理论，那么就会使整个系统的参数整定困难、工况适应力气低。因此本系统在对发酵罐被控对象做具体分析的根底上，引进模糊把握和 PID 经典把握理论相结合，使这两种把握策略的优势互补，并从模糊数学根底、常规模糊把握器设计与实现和常规多变量解祸方法等方面做了系统介绍。七、心得体会、遇到问题解决问题课程设计是本科学习阶段一次格外难得的理论与实际相结合的时机，通过这次比较完整的一个程序的设计，我摆脱了单纯的理论学问学习状态，和实际设计的结合熬炼了我的综合运用所学的根底学问，解决实际问题的力气，同时也提高我查阅文献资料、对程序整体的把握等其他力气水平，而且通过对整体的掌控， 对局部的取舍，以及

27、对细节的斟酌处理，都使我的力气得到了熬炼，阅历得到了丰富。这是我们都期望看到的也正是我们进展课程设计的目的所在。虽然设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种组件的运用，各种算法的应用，各种控件的利用我都是随着设计的不断深入而不断生疏并逐步把握的。和教师以及同学的沟通沟通更使我对程序整体的规划与设计有了的生疏也对自己提出了的要求八、参考文献1 于海生.微型计算机把握技术M.北京.清华大学出版社.2023.92何力民.MCS-51 系列单片机应用系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社，1991:10-1343 程殿林，王亚楠.啤酒生产技术M.北京:化学工业出版社，2023:1-7欢送下载18