【正文】 本論文是在朱湘臨老師的悉心指導(dǎo)下完成的，幾個(gè)月來(lái)老師在畢業(yè)論文方面給予了我很大的幫助，一方面給我提供一些必要的資料，讓我有更多的精力投入到論文的內(nèi)容；另一方面朱老師每周都對(duì)我們的學(xué)習(xí)進(jìn)行指導(dǎo)，改出我們的不足。目前我國(guó)啤酒生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)已經(jīng)比較先進(jìn)，但是如何提高自動(dòng)化程度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化水平，使企業(yè)的生產(chǎn)和管理達(dá)到一個(gè)更高的水平，是一個(gè)比較有意義的研究課題?！?本章小結(jié)本溫控系統(tǒng)采用的數(shù)字PID 算法由軟件實(shí)現(xiàn),增量PID 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。（3）多次重復(fù)輸出，輸出信號(hào)保持在RAM中，防止干擾信號(hào)輸出。 系統(tǒng)硬件防干擾措施（1）交流電源盡量采用電壓穩(wěn)定的電網(wǎng)。然而對(duì)模擬量輸入、輸出也必須采取隔離措施，大多數(shù)人尚認(rèn)識(shí)不足。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PD 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。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PID 算法進(jìn)行控制。（2）數(shù)字PID控制算法當(dāng)計(jì)算機(jī)要實(shí)現(xiàn) PID 控制時(shí)，首先必須將上述 PID 控制規(guī)律的連續(xù)形式變成離散形式，然后才能編程實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)利用定時(shí)循環(huán)輪流對(duì)發(fā)酵罐的溫度進(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。在整個(gè)控制系統(tǒng)中主要起到信號(hào)檢測(cè)的作用，可以檢測(cè)發(fā)酵罐上、中、下三個(gè)位置麥汁的溫度。DAC0832邏輯輸入滿足TTL電平，可直接與TTL電路或微機(jī)電路連接。蜂鳴器報(bào)警電路由晶體管和蜂鳴器組成。圖47 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。℃；靜態(tài)電流為80uA。 數(shù)據(jù)采集電路工作原理 溫度傳感器LM35LM35是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。RS422 在發(fā)送端通過(guò)傳輸線驅(qū)差分信號(hào)的差分電壓低于某一閾值或高于某一閾值分別表示兩個(gè)邏輯電平。 電路由 RS422 標(biāo)準(zhǔn)接口的發(fā)送、接收驅(qū)動(dòng)器 DS348DS3487 和 RS232 標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換器件 ICL 組成。74LS48的作用是接受來(lái)自單片機(jī)的BCD碼型的輸入信號(hào)，經(jīng)鎖存、譯碼和放大后，輸出七段字型碼到LED顯示器，完成對(duì)BCD碼到七段字型碼的鎖存、譯碼和驅(qū)動(dòng)的功能。方法是：一次給行線送低電平，然后查所有列線狀態(tài)，稱為行掃描，如果全為1，則所按下鍵不在此行，如果不全為1，則所按下鍵必在此行，而且是在與零電平列線相交的交點(diǎn)上的那個(gè)鍵。AT89S52 中 ISP 引腳有：RST、MOSI、MISO和 SCK。 微處理系統(tǒng) 單片機(jī)AT89S52[11]單片機(jī)型號(hào)的選擇[12]應(yīng)當(dāng)根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、功能、可靠性、性價(jià)比、精度和速度等來(lái)決定。除了基本的pH，溫度，壓力，溶解氧模擬量測(cè)定外，還包括體積，流量，溶CO2等等其他物理化學(xué)量的測(cè)定。操作變量包括溫度、壓力，通風(fēng)量和轉(zhuǎn)速(攪拌功率)等發(fā)酵液的理化性質(zhì)包括發(fā)酵液的黏度、表面張力、氧的溶解度、發(fā)酵液的組成成分、發(fā)酵液的流動(dòng)狀態(tài)、反應(yīng)器的類型、反應(yīng)器各部分尺寸的比例、空氣分布器的形式等。如啤酒發(fā)酵，麥汁充氧和酵母接種階段，一般要求氧含量達(dá)到810PPM；而啤酒發(fā)酵階段，一般啤酒中的含氧量不得超過(guò)2PPM。罐內(nèi)壓力控制如下圖33所示。pH控制如下圖31所示。針對(duì)某些發(fā)酵產(chǎn)物，適當(dāng)提高壓力有利于加快產(chǎn)物的合成。由于氧在水中的溶解度很小，在發(fā)酵液中的溶解度更小，因此，需要不斷調(diào)整通風(fēng)和攪拌，才能滿足不同發(fā)酵過(guò)程對(duì)氧的需求。因此，供氧對(duì)于好氧微生物來(lái)說(shuō)是非常重要的。除上述直接影響外，溫度還對(duì)發(fā)酵液的物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，如發(fā)酵液的黏度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)的分解吸收速率等，都受溫度變化的影響，進(jìn)而影響發(fā)酵動(dòng)力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。pH值對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)物合成的影響有以下幾個(gè)方面：（1）影響酶的活性，當(dāng)pH值抑制菌體中某些酶的活性時(shí)，會(huì)阻礙菌體的新陳代謝；（2）影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細(xì)胞膜的通透性，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的排泄；（3）影響培養(yǎng)基中某些組分的解離，進(jìn)而影響微生物對(duì)這些成分的吸收；（4）pH值不同，會(huì)引起菌體代謝過(guò)程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。它的高低與發(fā)酵中的酶反應(yīng)速率、氧在培養(yǎng)液中的溶解度和傳遞速率、菌體生長(zhǎng)速率和產(chǎn)物生成速率等有密切關(guān)系。T3 第三恒溫段溫度 設(shè)定：018176。在冷媒的選用上，一般是采用乙醇或25%的乙二醇間接冷卻，也有用液氨直接冷卻的。發(fā)酵溫度的上升會(huì)使發(fā)酵速度明顯加快。當(dāng)罐內(nèi)溫度從前發(fā)酵的 12℃降到 5℃左右時(shí)，后發(fā)酵階段開(kāi)始了，這一階段最主要的目的是進(jìn)行雙乙酰還原。貯酒期結(jié)束并過(guò)濾得清酒，即完成了整個(gè)釀造過(guò)程。所能控制的只有降溫的速度。不少企業(yè)的酵母自動(dòng)添加裝置、麥芽粉碎裝置、脫氧水裝置、過(guò)濾裝置等采用國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，這些設(shè)備自身帶有控制系統(tǒng)，接口標(biāo)準(zhǔn)隨廠家而變，若不能與總自控系統(tǒng)很好銜接，則需要人工干預(yù)生產(chǎn)過(guò)程，降低生產(chǎn)自動(dòng)化程度。 發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的意義啤酒發(fā)酵的自動(dòng)控制具有很大的意義：（1）對(duì)發(fā)酵工段進(jìn)行自動(dòng)化控制、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模是國(guó)內(nèi)企業(yè)發(fā)展的主流，中國(guó)已經(jīng)加入 WTO，完全靠手動(dòng)控制的企業(yè)將難以維持生計(jì)。為適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，提高、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量與口味，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低成本，同時(shí)使企業(yè)的生產(chǎn)管理水平和競(jìng)爭(zhēng)能力更上一層樓，在發(fā)酵的生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行自動(dòng)化控制可以很好的提高競(jìng)爭(zhēng)能力。主要特點(diǎn)為閥門多采用氣動(dòng)或電動(dòng)自動(dòng)閥門。其中發(fā)酵過(guò)程中的溫度控制是影響產(chǎn)品質(zhì)量最重要的測(cè)控參數(shù)之一，也是最難控制的回路之一，究其原因是對(duì)象特性包含了大時(shí)滯、時(shí)變及其它一些不確定的因素。江蘇大學(xué)本科畢業(yè)論文啤酒發(fā)酵工業(yè)中的信號(hào)檢測(cè)與溫度控制專業(yè)班級(jí)：電氣0802 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱： 摘要 啤酒生產(chǎn)是我國(guó)的一個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的改善，我國(guó)啤酒工業(yè)也得到了空前的發(fā)展。 國(guó)內(nèi)啤酒發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)[1]為適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的要求,提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,使企業(yè)的生產(chǎn)管理水平和競(jìng)爭(zhēng)能力更上一個(gè)臺(tái)階,啤酒發(fā)酵控制采用了自動(dòng)控制技術(shù),這種技術(shù)在啤酒發(fā)酵中起著重要的作用。采用數(shù)據(jù)采集器采集各種過(guò)程量進(jìn)入控制室，控制室設(shè)有模擬屏，在模擬屏上顯示各種溫度、流量、壓力等過(guò)程參數(shù)和電機(jī)、閥門的開(kāi)啟狀態(tài)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，操作人員根據(jù)顯示的參數(shù)與工藝參數(shù)對(duì)比，在模擬屏或操作臺(tái)上遙控閥門開(kāi)啟和電機(jī)啟停，從而滿足工藝要求，生產(chǎn)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)由人工記錄。它可以：（1）提高工藝水平，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高原材料利用率，節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使工人有更多的時(shí)間關(guān)注工藝參數(shù)。（2）隨著技術(shù)的提高，在線檢測(cè)設(shè)備將會(huì)增多，生產(chǎn)自動(dòng)化程度會(huì)進(jìn)一步提高。 本課題研究的背景及主要內(nèi)容 本課題研究的背景國(guó)內(nèi)在發(fā)酵過(guò)程的測(cè)控方面，還處于較為落后的狀況。啤酒發(fā)酵過(guò)程中內(nèi)部麥汁溫度的降低是通過(guò)繞在啤酒發(fā)酵罐內(nèi)壁蛇形管中的冷卻液來(lái)完成的，可以通過(guò)控制冷卻液的流量來(lái)控制發(fā)酵罐內(nèi)部麥汁的溫度進(jìn)而滿足發(fā)酵過(guò)程各階段對(duì)麥汁溫度的要求。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)啤酒發(fā)酵的工藝流程如下：圖 21 發(fā)酵的工藝流程圖發(fā)酵過(guò)程[5]是啤酒生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，這個(gè)過(guò)程可以理解為把麥汁轉(zhuǎn)化為啤酒的過(guò)程，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程雖然包含若干道生產(chǎn)工序。此外，后發(fā)酵階段還完成殘?zhí)前l(fā)酵，充分沉淀蛋白質(zhì)、降低氧含量。相比之下，發(fā)酵壓力的控制并不存在太多技術(shù)難度。冷媒閥門在發(fā)酵自動(dòng)控制情況下，一般采用電磁開(kāi)關(guān)或氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥。T4 第四恒溫段溫度 設(shè)定：018176。（3）溶氧濃度（DO）：溶解氧是好氧菌發(fā)酵的必備條件。培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝，是引起pH值變化的主要原因，發(fā)酵液pH值的變化是菌體代謝的綜合效果。溶解氧對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響在發(fā)酵過(guò)程中，影響耗氧的因素有以下幾方面：（1）培養(yǎng)基的成分和菌濃影響耗氧：菌體生長(zhǎng)快，耗氧量大；菌濃高，耗氧量大；發(fā)酵過(guò)程補(bǔ)料或補(bǔ)糖，微生物對(duì)氧的攝取量隨之增大。在好氧發(fā)酵中，微生物對(duì)氧有一個(gè)最低要求，滿足微生物呼吸的最低氧濃度叫臨界溶氧濃度，用c臨界表示。溶氧的大小對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物的形成及產(chǎn)量都會(huì)產(chǎn)生不同的影響。 啤酒發(fā)酵過(guò)程中各工藝參數(shù)的信號(hào)檢測(cè)及控制 pH檢測(cè)與控制pH檢測(cè)可以取外采樣，但這樣不利于自動(dòng)化管理。圖31罐內(nèi)pH控制框圖溫度檢測(cè)一般直接采用溫度傳感器。圖33 罐內(nèi)壓力P控制框圖溶解氧的測(cè)定一般采用溶氧儀。此外，由于氧是難溶氣體，一定溫度和壓力下，DO值有一上限。當(dāng)然有些因素是相互關(guān)聯(lián)的。第四章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)在本啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中[9]，在一個(gè)采樣周期內(nèi)安裝于啤酒發(fā)酵罐上、中、下三個(gè)位置的溫度傳感器將會(huì)分別采集發(fā)酵罐上、中和下三個(gè)位置的溫度信號(hào)。根據(jù)本課題的實(shí)際情況，適合本課題的單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩方面考慮：一是要有較強(qiáng)的抗干擾能力，這是任何一個(gè)控制系統(tǒng)都需要考慮的問(wèn)題；二是要有較高的性價(jià)比，也就是能夠利用最低的成本實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能。用戶可以直接替代應(yīng)用系統(tǒng)中的 AT89C51/52，而且軟件和硬件均不需作任何修改，這給正使用 AT89C52 單片機(jī)的用戶更新?lián)Q代帶來(lái)了許多方便。在此，按鍵的位置碼并不等于按鍵的實(shí)際定義鍵值，因此還必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即鍵值譯碼，本次設(shè)計(jì)中采用軟件實(shí)現(xiàn)鍵值的譯碼，譯碼方式如下：第0行鍵值為：0行4+列號(hào)（0~3）為0、3；第1行鍵值為：1行4+列號(hào)（0~3）為7；第2行鍵值為：2行4+列號(hào)（0~3）為A、B；第3行鍵值為：3行4+列號(hào)（0~3）為C、D、E、F； 原理：44的矩陣鍵盤的連接原理圖如+5V下圖： 10KΩ AT89S52輸 出 端 口 （行掃描） 0 1 2 3 第0行 4 5 6 7 第1行 8 9 A B 第2行 C D E F 第3行 輸入端口線 （讀入檢查） 圖43 鍵盤電路接口 顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路[16]系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)系的主要途徑。 圖44 74LS48引腳圖表41 74LS48 BCD7段譯碼器輸入/輸出端信號(hào)對(duì)照表輸入端電平輸出端電平顯示字型輸出端電平輸出端電平顯示字型D C B Ag f e d c b aD C B Ag f e d c b a0 0 0 00 0 0 0 0 0 0(3FH)00 1 0 11 1 0 1 0 11(6DH)50 0 0 10 0 0 0 1 1 0(06H)10 1 1 01 1 1 1 0 11(7DH)60 0 1 01 0 1 1 0 1 1(5BH)20 1 1 10 0 0 0 1 11(07H)70 0 1 11 0 0 1 1 1 1(4FH)31 0 0 01 1 1 1 1 11(7FH)80 1 0 01 1 0 0 1 1 0(66H)41 0 0 11 1 0 1 1 11(6FH)9 與PC機(jī)的通信為了提高整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的管理和控制能力，許多廠家的整個(gè)啤酒發(fā)酵系統(tǒng)采用了主從分布式集散控制系統(tǒng)。RS232總線接口：RS232C 是目前最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，它的電氣接口使用單端的、不平衡的發(fā)送器和接收器。RS422 的總線接口芯片只能采用單電源供電。它有多種不同封裝型式。0 時(shí)輸出為0V，每升高1℃，輸出電壓增加10mV。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由單片機(jī)I/O 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。 主要特性如下：(1) 分辨率為