【正文】 、專用設(shè)備的智能化管理和過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇。 （ 1）在智能儀器儀表上的應(yīng)用 （ 2）在工業(yè)控制中的應(yīng)用 （ 3）在家用電氣中的應(yīng)用 （ 4）在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 （ 5）單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 此外，單片機在工商、金融、科研、教育、國防和航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 傳感器簡介 傳感器的經(jīng)典定義是指能夠感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的可用輸出信號的元器件或裝置的總稱 [6]。通常認為傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。 傳感器一般被認為是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路三部分組成的，有時還需外加輔助電源，組成框圖如圖 4 所示。 圖 14 傳感器原理圖 發(fā)酵罐簡介 現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)主要包括大容量發(fā)酵罐發(fā)酵法（其中主要是圓柱露天錐形發(fā)酵罐發(fā)酵法）、高濃糖化后稀釋發(fā)酵法、連續(xù)發(fā)酵法等。圓柱錐形發(fā)酵罐是目前世界通用的發(fā)酵罐，該罐主體呈圓柱形，罐頂為圓弧狀，底部為圓錐形，具有相當?shù)母叨龋ǜ叨却笥谥睆剑?，罐體設(shè)有冷卻和保溫裝置，為全封閉發(fā)酵罐。圓柱錐形發(fā)酵罐既適用于下面發(fā)酵，也適用于上面發(fā)酵，加工十分方便。德國釀造發(fā)明的歷史圓柱錐形發(fā)酵罐由于其諸多發(fā)面的優(yōu)點，經(jīng)過不斷改進和發(fā)展，逐步在全世界得到推廣和使用。我國自 20 世紀 70 年代 中期，開始采用室外圓柱體錐形底發(fā)酵掛發(fā)酵法（簡稱錐形罐發(fā)酵法），目前國內(nèi)啤酒生產(chǎn)幾乎全部采用此發(fā)酵法。 錐形罐發(fā)酵法的特點 （ 1）底部為錐形便于生產(chǎn)過程中隨時排放酵母，要求采用凝聚性酵母。 （ 2） 罐本身具有冷卻裝置，便于發(fā)酵溫度的控制，生產(chǎn)容易控制，發(fā)酵周期縮短染菌機會少，啤酒質(zhì)量穩(wěn)定。 （ 3）罐體外設(shè)有保溫裝置，可將罐體置于室外，減少建筑投資，節(jié)省占地面積，便于擴建。 （ 4）采用密閉罐，便于 2CO 洗滌和 2CO 回收，發(fā) 酵也可在一定壓力下進行，即可做發(fā)酵罐，也可做貯酒罐，也可將發(fā)酵和貯酒合二為一，稱為一罐發(fā)酵法。 （ 5）罐內(nèi)發(fā)酵液由于液體高度而生產(chǎn) 2CO 梯度（即形成密度梯度）。通過冷卻控制，可使發(fā)酵液進行自然對流，罐體 越高對流越強。由于強烈對流的存在，酵母發(fā)酵能力提高，發(fā)酵速度加快，發(fā)酵周期縮短。 （ 6） 發(fā)酵罐可采用儀表或微機控制、操作、管理方便。 （ 7） 錐形罐既適用于下面發(fā)酵，也適用于上面發(fā)酵。 （ 8）可采用 CIP 自動清洗裝置，清洗方便 。 （ 9）錐形罐加工方便（可在現(xiàn)場就地加工），實用性強。 （ 10）設(shè)備容量可根據(jù)生產(chǎn)需要靈活調(diào)整，容量可從 m600~20 不等，最高可達m1500 錐形罐工作原理 錐形罐發(fā)酵法發(fā)酵周期短、發(fā)酵速度快的原因是由于錐形罐內(nèi)發(fā)酵液的流體力學特性和現(xiàn)狀啤酒發(fā)酵技術(shù)采用的結(jié)果。接種酵母后，由于酵母的凝聚作用，使得罐底部酵母的細胞密度增大，導(dǎo)致發(fā)酵速度加快，發(fā)酵過程中產(chǎn)生二氧化碳量增多，同時由于發(fā)酵液的液柱高度產(chǎn)生的靜壓作用，也使二氧化碳含量 隨液層變化呈梯度變化 ,因此罐內(nèi)發(fā)酵液的密度也呈梯度變化，此外，由于錐形罐體外設(shè)有冷卻裝置，可以認為控制發(fā)酵各階段溫度。在靜壓差、發(fā)酵液密度差、二氧化碳的釋放作用以及罐上部降溫產(chǎn)生的溫差（ C02~1 ）這些推動力的作用下，罐內(nèi)發(fā)酵液生產(chǎn)了強烈的自然對流，增強了酵母與發(fā)酵液的接觸，促進了酵母的代謝，是啤酒發(fā)酵速度大大加快，啤酒發(fā)酵周期顯著縮短。另外，由于提高了接種溫度、啤酒主發(fā)酵溫度、雙乙酰還原溫度和酵母接種也利于加快酵母的發(fā)酵速度，從而使發(fā)酵能夠快速進行。 國內(nèi)外啤酒發(fā) 酵溫度控制發(fā)展現(xiàn)狀 目前國內(nèi)外的溫度控制方式越來越趨向于智能化，溫度測量首先是由溫度傳感器來實現(xiàn)的。測溫儀器由溫度傳感器和信號處理兩部分組成。溫度測量的過程就是通過溫度傳感器將被測對象的溫度值轉(zhuǎn)換成電的或其它形式的信號 ,傳遞給信號處理電路進行信號處理轉(zhuǎn)換成溫度值顯示出來。溫度傳感器隨著溫度變化而引起變化的物理參數(shù)有 : 膨脹、電阻、電容、熱電動勢 ,磁性能、頻率、光學特性及熱噪聲等等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展 ,新型溫度傳感器還會不斷出現(xiàn) ,目前 ,國內(nèi)外通用的溫度傳感器及測溫儀大致有以下幾種 : 熱膨脹式溫度計、電阻溫度計、熱 電偶、輻射式測溫儀表、石英溫度傳感器測溫儀 啤酒發(fā)酵溫度的控制是決定產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵因素，所以，必須對生 產(chǎn) 過程中的溫度進行嚴格的控制。啤酒發(fā)酵是一個具有時變性、非線性的復(fù)雜生化反應(yīng)過程，使用冷卻酒精水通過熱交換器間接降溫的方法控制發(fā)酵溫度。傳統(tǒng)的手動控制不僅控制質(zhì)量不穩(wěn)定，而且操作工人的勞動強度也很大，人力資源浪費問題十分嚴重，為此我們使用以 AT89S52 單片機為核 心的控制系統(tǒng)來控制啤酒發(fā)酵溫度。采用單片機對溫度進 行控制，不僅具有控制方便、靈活和組態(tài)簡單的優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而可以顯著提高啤酒產(chǎn)品的質(zhì)量。 課題研究目的 本次設(shè)計采用 AT89s52 單片機與各種外圍電路構(gòu)成單片機溫度自動檢測和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對溫度的實時檢測和控制。通過本次設(shè)計掌握溫度檢測控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方法和軟件編寫方法。通過課題的研究進一步鞏固所學的知識，同時學習課程以外的相關(guān)知識，培養(yǎng)綜合應(yīng)用知識的能力。鍛煉動手能力與實際工作能力，將所學的理論與實踐結(jié)合起來。 課題研究內(nèi)容及方案 本溫度控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它用溫度傳感器將檢測到的溫度信號經(jīng)放大， A／ D 轉(zhuǎn)換后送入單片機中進行數(shù)據(jù)處理并顯示當前溫度值，用當前溫度值與設(shè)定溫度值進行比較。根據(jù)比較的結(jié)果得到控制信號用以控制繼電器的通斷，實現(xiàn)對加熱器的控制。通過這種控制方式實現(xiàn)對保溫箱的溫度控制。本課題設(shè)計的內(nèi)容主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成 ,硬件部分主要完成 主機電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行 等 電路 的設(shè)計。軟件程序編寫主要用來實現(xiàn)對溫度的檢測、標度轉(zhuǎn)換、 LED 顯示、繼電器控制等數(shù)據(jù)處理功能 。 2 啤酒發(fā)酵工藝和發(fā)酵罐溫度控制方案 啤酒發(fā)酵工藝 啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序，啤酒的發(fā)酵過程是否能按照工藝嚴格執(zhí)行，以及其執(zhí)行的效果，將會直接決定啤酒的質(zhì)量。啤酒發(fā)酵過程直觀上可以理解為把麥汁轉(zhuǎn)化為啤酒的過程。啤酒的整個生產(chǎn)過程主要包括糖化、發(fā)酵和啤酒分裝三個環(huán)節(jié)。 糖化 啤酒的糖化過程是啤酒生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序。 糖化過程一般使用糖化鍋、糊化鍋、過濾槽、煮沸鍋等設(shè)備。麥汁制備過程中需要檢測的參數(shù)主要有溫度、壓力、物位和流量。對介質(zhì)溫度實施檢測控制， 即按照工藝要求的糖化曲線控制糖化過程的進程，是過程控制的主要內(nèi)容。 發(fā)酵 啤酒發(fā)酵是微生物的一個代謝過程，簡單的說就是把糖化之后產(chǎn)生的麥汁經(jīng)酵母發(fā)酵分解成酒精（ OHHC 52 ）、二氧化碳（ 2CO ）和水（ OH2 ）的過程，同時還會產(chǎn)生種類繁多的中間代謝物。雖然這些代謝產(chǎn)物的含量非常低少，但它們對啤酒的質(zhì)量和口味將會產(chǎn)生非常大的的影響。一般認為低溫發(fā)酵可以降低雙乙酰和脂類等代謝物的含量，提高啤酒的色 澤和口味；高溫發(fā)酵則可以加快發(fā)酵速度，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益?？傊?，如何掌握好啤酒發(fā)酵過程中的發(fā)酵溫度，控制好溫度的升降速度是決定啤酒生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵所在。整個發(fā)酵過程分前酵和后酵兩個階段，發(fā)酵溫度的工藝設(shè)定曲線如圖 21 所示。 圖 21 啤酒發(fā)酵過程溫度工藝曲線 在上圖中， oa 段為自然升溫段，不需外部控制； ab 段為主發(fā)酵階段，控制溫度一般在 C?12 左右； bc 段為降溫階段，是主發(fā)酵階段和后酵階段的過渡時期，經(jīng)過此階段后發(fā)酵進入后酵階段，在此階段降溫速度一般為 hC/ ? ； cd 段為后酵階段，溫度一般控制在 C?5 左右； de 段為進入貯酒階段的過程，降溫速度比較慢，一般為hC/ ? ； ef 段為貯酒階段，也就麥汁發(fā)酵完畢之后啤酒長期貯存的溫度，這個時期啤酒溫度一般控制在 C??1 左右。 （ 1）前酵 這個階段又稱為主發(fā)酵。在這個過程中麥汁糖度下降，產(chǎn)生 2CO 并釋放生化反應(yīng)熱，從而使整個罐內(nèi)溫度逐漸上升 。經(jīng)過 3~2 天后進入發(fā)酵最為旺盛的高泡期，再經(jīng)過 3~2 天，糖度進一步降低。當罐內(nèi)發(fā)酵糖度達到工藝要求之后，便可以降低溫度轉(zhuǎn)入整個發(fā)酵過程的后酵階段。 （ 2）后酵 當發(fā)酵罐內(nèi)部麥汁溫度從前酵的 C?12 降到 C?5 左右時后酵階段就開始了。在這一階段最重要的是進行雙乙酰的還原。一旦雙乙酰含量指標合格之后，發(fā)酵罐便可以進入第二個降溫過程，以提高啤酒的風味和質(zhì)量。 經(jīng)過一段時間的貯酒，整個發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。 在不同的發(fā)酵階段，發(fā)酵罐內(nèi)部發(fā)酵液的溫度場要有相應(yīng)的要求：在前酵階段希望發(fā)酵罐內(nèi)從罐頂?shù)焦薜子幸徽臏囟忍荻?，即以控制上層溫度為主，以利于發(fā)酵液對流和酵母在罐內(nèi)的均與混合；在后酵階段，則要求發(fā)酵液由上到下有一定的負溫度梯度，即控制以下層溫度為主，便于酵母的沉淀和排除。對于發(fā)酵罐上、中和下三部分溫度控制設(shè)定工藝曲線如圖 22 所示。 (a)上層 (b)中層 (c)下層 圖 22 溫度控制設(shè) 定工藝曲線 啤酒過濾和分裝 在這個階段主要是對發(fā)酵之后的啤酒初級產(chǎn)品進行再次處理。在啤酒發(fā)酵結(jié)束之后需要對啤酒進行澄清處理，如果用于銷售還需要根據(jù)啤酒的銷售方式對啤酒進行相應(yīng)的包裝。 控制系統(tǒng)選擇及簡介 根據(jù)啤酒發(fā)酵控制工藝環(huán)境與工藝控制需求，經(jīng)過認真調(diào)研、分析，對目前國內(nèi)外較先進的發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)進行了綜合比較與評價。同時，又充分考慮本課題的綜合實力、現(xiàn)狀與發(fā)展等因素，該啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)采用以 AT89S52 單片機為核心的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可靠實用、技術(shù)先進，完全滿足了本課題啤酒生產(chǎn)發(fā)酵工藝 的技術(shù)要求，并兼顧了該課題發(fā)酵裝置發(fā)展的需求。 本控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)以單片機為核心，在其外圍擴展存儲器、外圍設(shè)備、功能電路和接口電路等，是整個系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)；軟件部分則是在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為完成本控制系統(tǒng)對溫度控制的要求而編寫的監(jiān)控程序和應(yīng)用程序。 控制方案的確定 由于在啤酒的發(fā)酵過程中，發(fā)酵罐內(nèi)部麥汁溫度的升高主要原因是內(nèi)部反應(yīng)所放出的熱量，所以發(fā)酵過程的升溫速度是不可以控制的，所能控制的只有降溫的速度。本系統(tǒng)設(shè)計的啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)是通過繞在啤酒發(fā)酵罐內(nèi)壁上的 蛇形管中的冷卻液的循環(huán)流動來實現(xiàn)的，冷卻液的流量和速度決定了降溫的速度，因此可以通過控制冷卻液的流量來控制溫度，從而達到控制酒體溫度的目的。根據(jù)以上所述的本系統(tǒng)的控制要求，為了實現(xiàn)發(fā)酵罐三個位置的溫度同時得到監(jiān)控，本設(shè)計中采用的方法是在一個采樣周期中循環(huán)檢測三路溫度，并在一控制周期內(nèi)向三路控制通道輸出需要的控制量。圖 22 為圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖。 由于本系統(tǒng)使用的是具有嚴重非線性特性的管道制冷系統(tǒng)，所以本設(shè)計中采用電磁閥作為整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行器件，在對冷卻液流量的控制中，通過改變一個控制周期內(nèi)閥門的開度，從 而達到了較好的使酒體冷卻和保溫的目的。 圖 圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 3． 1 啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 在本啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中，在一個采樣周期內(nèi)安裝于啤酒發(fā)酵罐上、中、下三個位置的溫度傳感器 DS18B20 將會分別采集發(fā)酵罐上、中和下三個位置的溫度信號。采集到的三個溫度信號將會按照設(shè)定好的順序依次向單片機提供中斷信號，從而可以把測得的溫度信號讀入到單片機內(nèi)部，然后再把預(yù)先設(shè)定好的發(fā)酵過程具體階段的設(shè)定值與實測值相比較。然后根據(jù)比較之后所得的余差給電機和電磁閥發(fā)出相應(yīng)的 控制信號。在具體的硬件電路的設(shè)計過程中，需要引起注意的一點是外界干擾的消除。 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 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、 DAC083電壓放大和 V/I 轉(zhuǎn)換等單元組成 。 圖 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖 本溫度控制系統(tǒng)的具體工作原理為：啤酒發(fā)酵罐內(nèi)部麥汁在各個發(fā)酵階段的溫度設(shè)定值以及相關(guān)的參數(shù)被存放在外部 PROME2 中，也可以由 PC 機或鍵盤來設(shè)置。單片機上電復(fù)位后通過數(shù)字傳感 器 DS18B20 檢測發(fā)酵罐上、中和下三個位置的溫度。每隔固定的時間讀入采集的數(shù)據(jù)并做相應(yīng)的處理。對數(shù)據(jù)的處理是采用模糊控制和PID 相結(jié)合的方法來實現(xiàn)的，單片機內(nèi)部設(shè)定好的程序?qū)Σ蓸拥玫降臏囟冗M行信號調(diào)理后，得到相應(yīng)的偏差和偏差變化，然后通過查詢模糊控制表輸出控制量，經(jīng)過 DAC0832 轉(zhuǎn)換后控制電磁閥的開度，從而控制冷卻水的流量，從而達到了控制溫度的目的。 主要器件選擇及簡介 單片機 AT89S52 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 圖 AT89S52 引腳圖 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存儲器 技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器 。 在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash， 使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活 、 超有效的解決方案。 AT89S