【正文】 統(tǒng)的下位機(jī)，需要與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，這主要由 89C52 的串行口工作方式 3，波特率采用 9600，利用定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T2 來作為波特率發(fā)生器。 在啤酒發(fā)酵的過程中要在不同的時(shí)間段內(nèi)控制相應(yīng)的發(fā)酵溫度，而且要保證在上位機(jī)出現(xiàn)掉電情況后仍 能記錄發(fā)酵時(shí)間仍能記錄發(fā)酵時(shí)間和其他運(yùn)行情況，因此對(duì)發(fā)酵運(yùn)行時(shí)間的記錄是必要的。 系統(tǒng)中 89C52 中斷源的使用 結(jié)合使用的 89C52 單片機(jī)和其他硬件電路，軟件中利用了 89C52 的 三個(gè) 中斷源：外部中斷 INT定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0、串行口中斷。 按鍵處理模塊：在發(fā)酵最初階段，要對(duì)發(fā)酵過程中溫度控制工藝要求進(jìn)行設(shè)定，需要輸入三層溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，以及參數(shù)設(shè)定權(quán)限的密碼，以及系統(tǒng)的 PID 參數(shù)。 數(shù)據(jù)采集模塊：完成定時(shí)采樣三層溫度、壓力、液位，數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)；對(duì)測量值進(jìn)行判斷是否超過限值，利用發(fā)光二極管指示工作狀態(tài)和超限報(bào)警信號(hào)。 外中斷服務(wù)子程序 JINT：在這個(gè)中斷服務(wù)子程序部分里要完成對(duì)被測量 A/D轉(zhuǎn)化值的讀取、變換、 PID 計(jì)算和限幅任務(wù)。 系統(tǒng)構(gòu)成 啤酒發(fā)酵過程的軟件設(shè)計(jì)需要采樣溫度、壓力、液位，然后根據(jù)檢測量與設(shè)定值的誤差進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制量，同時(shí)要對(duì)發(fā)酵的時(shí)間計(jì)時(shí)，并且需要查詢按鍵的狀態(tài)、實(shí)時(shí)顯示檢測量和向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)。本次課題軟件的主要部分是下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，利用單片機(jī)內(nèi)部的特點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的多路數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示以及輔助的功能，如參數(shù)、密碼的設(shè)定，多路溫度的調(diào)節(jié)控制、控制過程的開始與結(jié)束等。這種控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠性高，對(duì)現(xiàn)場環(huán)境條件要求大大降低（包括安全、防火方面的要求也相對(duì)降低），維護(hù)費(fèi)用低，維修方便。系統(tǒng)調(diào)節(jié)的輸出是通過單片機(jī)的 I/O口的 3 路開關(guān)量，經(jīng)過光隔離后驅(qū)動(dòng)雙向晶閘管，來控制執(zhí)行器件。閥門開關(guān)狀態(tài)、 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 洗罐、空罐降溫、運(yùn)行狀態(tài)由雙色發(fā)光二極管顯示。本設(shè)計(jì)中采用五個(gè) 發(fā)光二極管顯示器 LED 來完成顯示任務(wù)， LED 采用共陰極的七段發(fā)光二極管顯示器。 ℃，而每 ℃對(duì)應(yīng)溫度傳感器的 電信號(hào)經(jīng)放大為 50mV， ADC0809 的分辨率 其分辨率 為 20mV，精度完全能達(dá)到要求 。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的同時(shí)，用單片機(jī)的讀信號(hào) RD 和 引腳經(jīng)或非門后產(chǎn)生的正脈沖作為 OE 信號(hào)，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。 Vcc：電源，單一＋ 5V。當(dāng) A／ D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一 路 ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電 平有效。 2．內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A／ D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如 圖 4－ 3所示，它由 8 路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 三態(tài)輸出鎖存器組成 ： 3．外部特性（引腳功能 ） 圖 4－ 3 ADC0809引腳說明 ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，如 圖 4－ 3 所示。 1．主要特性 （ 1） 8 路 8 位 A／ D 轉(zhuǎn)換器，即分辨率 8 位。 。則每變化 1℃，電壓變化 100mV 差動(dòng)電路輸出端 C接 A/D 采集系統(tǒng)進(jìn)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而對(duì)溫度進(jìn)行檢測和控制。 為使其能與數(shù)字系統(tǒng)接門，設(shè)計(jì)了一個(gè)增益可調(diào)的差動(dòng)放大電路 。 這樣，當(dāng)溫度為 10℃時(shí)， U=Vo1Vo2=0。 AD590 是一個(gè)單片集成的兩端式熱敏電流器件，溫度每升高 1K 電流增加1uA，將 AD590 的電流通過一個(gè) 10k? 的電阻，這個(gè)電阻的壓降便為 100 mV，即轉(zhuǎn)換系數(shù)為 100mV/ K。 AD590是用集成工藝制成 的雙端溫度傳感器，它可在 一 55℃ ～ 150℃范圍 內(nèi)按 1 mA／ K的恒定 比值輸 出與溫度成正 比的電流 ，因而通過測 量電流就可得到要測定的溫度值 。因?yàn)樗玫膫鞲衅鞑煌?，下面根?jù)不同的檢測量分別進(jìn) 行采樣。采用 12MHz 時(shí)， 89C52 的狀態(tài)周期為（ 2/12） 106=167ns。 基于以上原因，我選擇了 ATMEL 公司的 AT89 系列單片機(jī) AT89C52。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 第 4章 硬件電路設(shè)計(jì) 89C52 單片機(jī)特點(diǎn)簡介 啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)滯性大的系統(tǒng)，對(duì)控制時(shí)間精度 的要求不需要很高，所以單片機(jī)不需要采用高速的輸出、輸入口， 51 系列單片機(jī)在時(shí)間精度可以滿足要求。 本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)下位機(jī)。 以上分析給出了溫控系統(tǒng)的各個(gè)對(duì)象參數(shù)，下面根據(jù)動(dòng)態(tài)校正的理論對(duì)所用的 PID 調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。反饋傳遞函數(shù) Gr的時(shí)間常數(shù) Tf與控制周期有關(guān)，因此 Tf=100 秒。 根據(jù)反應(yīng)曲線，發(fā)酵的第 9 天到第 11 天的時(shí)間內(nèi)，發(fā)酵降溫進(jìn)入后酵階段，即在大約 50 個(gè)小時(shí)內(nèi)罐內(nèi)溫度從 12 C? 降至 7C? 。 由于試驗(yàn)條件的限制 ，啤酒發(fā)酵麥汁的比熱容，發(fā)酵的積分時(shí)間常數(shù)、冷卻水的單位時(shí)間流量的參 數(shù)不能確定，所以下面只能定性地對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。發(fā)酵溫度控制的系統(tǒng)方框圖見圖 37。 其相應(yīng)的差分方程為： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 ( ) ( 1 ) [ ( 1 ) ( 1 ) ]sy k F y k H u k u k h? ? ? ? ? ? ? （ 3－ 6） 式中 /Oi T TFe??； /(1 )Oi T TH K e ???；Oh T??稱為延遲周期數(shù)。若系統(tǒng)中無 此補(bǔ)償器，則由調(diào)節(jié)器輸出 U(s)到被調(diào)量 θ(s)之間的傳遞函數(shù)為： ( ) / ( ) ( ) ss U s G s e ?? ?? （ 3－ 2） 上式表明，受到調(diào)節(jié)器作用之后的被調(diào)量要經(jīng)過純延遲 τ滯后才能返回調(diào)節(jié)器。 P I D H 0 ( S )G ( S ) e τ sθr( k )e ( k )T 0Δ u ( k )T 0uθ ( k ) 圖 3－ 2 PID 溫度控制系統(tǒng)方框圖 Smith 補(bǔ)償控制算法 史密斯 (Smith)預(yù)估補(bǔ)償方法是預(yù)先估計(jì)出過程的基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使大延遲系統(tǒng)被延遲 τ的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而明顯地減少超調(diào)量和加速調(diào)節(jié)過程。 PID 算式加特殊處理 采用增量型 PID 控制算法： ( ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u k A e k B e k C e k? ? ? ? ? （ 3－ 1） 其中 (1 / / )(1 2 / )/( ) ( ) ( )( 1 ) ( 1 ) ( 1 )( 2) ( 2) ( 2)P O I D OP D OP D OrrrA K T T T TB K T TC K T Te k k ke k k ke k k k??????? ? ??????? ? ? ? ?? ? ? ? ? KP， TI， TD， TO 分別為 PID 調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間和采樣周期。 氣動(dòng)執(zhí)行閥選用 2V 系列氣動(dòng)執(zhí)行閥 中的 2VB14000 型常開 氣動(dòng)執(zhí)行閥 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 ,是一種組合兩通球閥。 3. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇 電磁閥選用 強(qiáng)制先導(dǎo)式 操作電磁閥 主要應(yīng)用于 電力工業(yè) 、 石化工業(yè) 、 蒸汽鍋爐裝置 、 貯罐系統(tǒng) 、 液化汽設(shè)備 、 環(huán)保行業(yè) 、 熱水控制系統(tǒng) 、 水處理裝置 、 共暖系統(tǒng) 、 管道和管線設(shè)計(jì) 、 飲水凈化設(shè)備和給水設(shè)備 、 儀表和機(jī)械工程 、 燃?xì)夤こ痰?。轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)輸出，可直接與二次儀表以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)檢測和控制。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 第 3章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 發(fā)酵罐測控點(diǎn)的分布及管線結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)有 10 個(gè)發(fā)酵罐，每個(gè)發(fā)酵罐上有 5 各檢測 點(diǎn)和 3 個(gè)控制點(diǎn)，其中?？丈隙螠囟?TTa、中段溫度 TTb、下段溫度 TTc、罐內(nèi)上部氣體壓力 PT、液位LT、上段冷帶調(diào)節(jié)閥 TVa、中段冷帶調(diào)節(jié)閥 TVb、下段冷帶調(diào)節(jié)閥 TVc。 3. 系統(tǒng)具有自動(dòng)控制、現(xiàn)場手動(dòng)控制、控制室遙控三種工作方式。因此共需檢測 50 個(gè)參數(shù)。 圖 21 發(fā)酵過程溫度工藝曲線 某啤酒廠要求控制 10 個(gè) 200m3 的錐形啤酒發(fā)酵罐，這種發(fā)酵罐的內(nèi)層是用不銹鋼板焊接而成的，外層用白鐵皮包制而成的，內(nèi)層與外層中間是保溫材料和上中下三段冷卻帶，罐體由上下兩部分 組成，上部分是圓柱體，下部分是圓錐體，故稱為錐形發(fā)酵罐。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 第 2章 啤酒發(fā)酵工藝及控制要求 啤酒發(fā)酵工藝簡介 啤酒發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過程，通常在錐形發(fā)酵罐中進(jìn)行。這種方法，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且質(zhì)量難以控制。按現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)周期在十五天左右，要求發(fā)酵液的溫度嚴(yán)格按照一定的工作曲線變化。啤酒生產(chǎn)是一個(gè)利用微 生物生長進(jìn)行生產(chǎn)的過程，生產(chǎn)周期長，過程參數(shù)分散性大，傳統(tǒng)操作方式難以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。 電源的配置 ........................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 關(guān)鍵詞 89C52 單片機(jī)；啤酒；發(fā)酵；控制 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 IV The puter control system of beer fermentation Abstract Beer fermentation is the most important part of the process of the whole beer production. The temperature of beer fermenter is the key of the beer quality. At present there are some disadvantages during the process of beer fermentation in many beer manufactories, and it results in the intensity of labour, the lower of precision of the the control and the unsteadiness of the beer quality. With the development of the system of temperature control, the minitype of it, constituted by singlechip microputer has been the major phase. Using the 89C52 single chip microputer as its core puter, the thesis studied and designed a digital temperature control system of beer fermentation based on digital technology. In this paper, beer ferment process and its technics were simply introduced. By introducing the basic theory of 89C52 single chip microputer, which used in this program, a digital temperature control system of beer fermentation was designed. The system can performs the detection and control of the temperature of three different lays (up, middle, and bottom lay) of the fermenter simultaneously. The control of the cool water volume in fermentation process was realized based on the technique of “stable frequency and adjusting wide technique”. Communication scheme between the temperature control system of single fermenter and upgrade puter was also studied in this paper. The design principle of the hardware and software o