【正文】 8位； (2) 電流穩(wěn)定時間1us； (3)可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；(4)只需在滿量程下調(diào)整其線性度； (5)單一電源供電（+5V～+15V）； (6)低功耗，20mW。（3）顯示部件:顯示是系統(tǒng)實現(xiàn)人機聯(lián)系的主要途徑。 圖51 系統(tǒng)的硬件流程圖 PID數(shù)據(jù)處理模塊 PID控制算法（1）模擬PID控制算法 PID（Proportional Integral Differential）控制是比例、積分、微分控制的簡稱。PID 控制器控制算法的模擬形式和離散形式如下： 表51 PID控制算法形式對比模擬形式離散化形式數(shù)字PID控制算法可以分為增量式和位置式；PID位置型控制算法PID控制的控制規(guī)律為： (3)由于計算機是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)只能采用數(shù)值逼近的方法。當擾動較大或者給定的溫度值大幅度變化時,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)和長時間的振蕩。數(shù)字PID增量型控制算法的流程圖如下: 圖53 PID控制算法流程圖 控制系統(tǒng)的防干擾措施 干擾的來源分析（1）來自交流電源的干擾開關(guān)的通斷，火花干擾，這些來自電源的干擾都會破壞單片機的正常運行。模擬量輸入、輸出不進行隔離。（2）交流端用電感電容濾波，去掉高頻低頻干擾脈沖。（4）開機自檢自診斷，RAM中重要內(nèi)容要分區(qū)存放，經(jīng)常進行比較檢查，機器不能帶病工作。但是對于溫度這種響應(yīng)緩慢、滯后性大的過程,不能用標準的PID 算法進行控制。本論文在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計上，以 AT89S52 單片機為核心，單片機外圍配備相應(yīng)的硬件電路，從而組成了以單片機為核心的啤酒發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)。老師謙和質(zhì)樸的風(fēng)范和對工作認真負責的態(tài)度對我以后的工作產(chǎn)生積極的影響。我相信這個過程對我以后的學(xué)習(xí)將有很大的幫助。結(jié)論啤酒生產(chǎn)是一個大型的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，工藝復(fù)雜，操作步驟多。（3）提高敏感器件的抗干擾性能：例如對于單片機閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源?！。?）A/D轉(zhuǎn)換采用數(shù)字濾波，平均法，比較平均法等，防止突發(fā)性干擾。來自空間的輻射干擾不太突出，一般只須加以適當?shù)钠帘渭敖拥鼐涂山鉀Q。對于開關(guān)量的輸入、輸出要采取隔離措施，已為大多數(shù)工程技術(shù)人員所接受。(2) 當| | ≥ M時,用PD 控制。 本溫度控制系統(tǒng)PID算法本溫控系統(tǒng)采用的數(shù)字 PID 算法由軟件實現(xiàn),增量PID 控制算法的優(yōu)點是編程簡單,數(shù)據(jù)可以遞推使用,占用存儲空間少,運算快。微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。 主程序控制系統(tǒng)主程序的流程圖如下圖所示。（2）檢測部件:本文中所涉及到的檢測部件主要是由傳感器及其相應(yīng)的外圍部件組成的。關(guān)于DAC0832應(yīng)用的一些重要資料：D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出，若需要相應(yīng)的模擬電壓信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)，運放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，也可外接。 蜂鳴器報警電路系統(tǒng)時刻檢測發(fā)酵溫度值,出現(xiàn)異常時啟動蜂鳴器報警。ADC0809 將經(jīng)過5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。最大線性誤差為177。為與 74LS 兼容的三態(tài)結(jié)構(gòu)，當對應(yīng)的輸出控制引腳達到邏輯零條件時，被強制為高阻抗狀態(tài)。 圖45 ICL232芯片管腳封裝 RS422總線接口：RS422 標準是美國電子工業(yè)協(xié)會于 1978 年公布的，是為了在本質(zhì)上提高串行通訊電氣特性，又在數(shù)據(jù)格式上與 RS232 兼容。在方式 3 下接收數(shù)據(jù)時，如果編程位為 1，就可以產(chǎn)生串行中斷，否則不產(chǎn)生中斷。在使用時，將芯片的輸入端引腳A、B、C、D與單片機的P0口相連接，該芯片的輸出端七個管腳，與LED顯示器的七個段碼引腳相連接。判斷鍵盤哪一個鍵被按下。首先，AT89S52 內(nèi)部增加了片內(nèi)看門狗定時器，這將有利于堅固用戶應(yīng)用系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性；其次 AT89S52獨有的雙指針功能，使數(shù)據(jù)操作更加快捷方便；再次，AT89S52 運行速度更高，最高晶振可達33MHZ；最后 AT89S52 支持 ISP（InSystem Programming）在線下載功能，使得其使用更加方便。圖41 啤酒發(fā)酵溫度控制硬件結(jié)構(gòu)框圖溫度傳感器從現(xiàn)場采集到溫度通過溫度變送器轉(zhuǎn)化為420mA的電流，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機AT89S52，單片機檢測溫度是否超出，如果超出啟動報警，同時將測出的溫度顯示在LED顯示屏上，單片機內(nèi)部通過與預(yù)設(shè)的溫度對比，經(jīng)過PID算法分析，將輸出量通過D/A轉(zhuǎn)換，I/V轉(zhuǎn)換成電壓來控制冷媒的控制閥，從而對發(fā)酵罐的溫度進行控制。其目的包括：了解過程變量與預(yù)期是否一致；對不可測變量進行估計；對過程變量給定值進行手動或自動控制；通過過程模型實施計算機控制；收集數(shù)據(jù)等等?？刂芀La的途徑可分為操作變量、反應(yīng)液的理化性質(zhì)和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)3個部分。高密度培養(yǎng)往往采用通入純氧的方式提高氧分壓，而厭氧發(fā)酵則采用各種方式將氧分壓控制在較低水平。此信號然后傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器，得到的數(shù)字量信號傳輸至單片機，單片機通過預(yù)設(shè)的PID算法進行運算得到相應(yīng)的控制信號，通過D/A和電壓電流轉(zhuǎn)換后得到420mA的模擬信號，然后送至驅(qū)動放大電路，得到信號用來控制排氣電動調(diào)節(jié)閥開閉的大小，借此以保持罐內(nèi)壓力P恒定，并形成對壓力P的閉環(huán)控制。也就是說，采用補料的方法，可以同時實現(xiàn)補充營養(yǎng)、延長發(fā)酵周期、調(diào)節(jié)pH值和培養(yǎng)液的特性（如菌濃等）等幾個目的。 另外，壓力作為微生物生長的脅迫因子，可以顯著改變細胞的代謝通量，刺激細胞分泌應(yīng)激產(chǎn)物。溶氧是好氧發(fā)酵控制最重要的參數(shù)之一。h)。溫度還能改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向。 主要環(huán)境參數(shù)對啤酒發(fā)酵過程的影響pH值對發(fā)酵過程的影響發(fā)酵液的pH值，對微生物生長具有非常明顯的影響，同時也是影響發(fā)酵過程中各種酶活性的重要因素。（2）溫度(℃)：這是指發(fā)酵整個過程或不同階段中所維持的溫度。T2 第二恒溫段溫度 設(shè)定：018176。罐體冷卻帶一般選用容易加工的半圓管盤繞在罐體上作為冷卻帶，常采用三段冷卻。壓力不斷上升會使溶解在啤酒中的CO2不斷增加，同時使酵母增殖和發(fā)酵副產(chǎn)物的形成逐漸停止。（b）后發(fā)酵。后發(fā)酵又稱貯酒，嫩啤酒輸?shù)劫A酒室內(nèi)的貯酒罐中，一般在03℃下貯酒4290天，達到啤酒成熟、二氧化碳飽和與啤酒澄清的目的。（3）溫度是啤酒發(fā)酵過程中最重要的過程變量，也直接影響啤酒的好壞，由于在啤酒的發(fā)酵過程中，發(fā)酵罐[4]內(nèi)部麥汁溫度的升高來自于內(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通過人為控制的。（3）與進口設(shè)備自控系統(tǒng)的銜接問題。并且水、電、氣(汽)的消耗計量更準確，方便生產(chǎn)成本的控制和管理。同時隨著硬件（微處理芯片）成本的進一步降低與部分軟件國產(chǎn)化的實現(xiàn)，使得大部分廠家在生產(chǎn)中使用自動控制系統(tǒng)成為可能。（2）半自動控制方式。糖化過程包括粉碎、糖化、糊化、過濾、煮沸以及 CIP等生產(chǎn)工序；發(fā)酵過程包括麥汁充氧、酵母添加、酵母回收、啤酒發(fā)酵、修飾、清酒、硅藻土過濾以及CIP、冷/熱脫氧水的制備等工序，整個生產(chǎn)工藝的自動化關(guān)鍵在于生產(chǎn)工序中各參數(shù)的自動控制以及各工序之間嚴格的聯(lián)動控制。本文針對啤酒發(fā)酵裝置技術(shù)裝備落后、自動化程度低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定以及啤酒發(fā)酵罐溫度所具有的大時滯、時變、多變量的特點，一方面提出了發(fā)酵罐中的信號檢測，包括pH，溫度，壓力，溶解氧等等,通過對這些量的檢測控制來達到發(fā)酵過程的穩(wěn)定進行；另一方面提出了以 AT89S52 單片機為核心的數(shù)字化溫度控制系統(tǒng)方案。自動系統(tǒng)代替人工控制,不需要人直接參與,直接控制溫度、壓力、液位等物理量按指定的曲線規(guī)律變化。（3）分布式控制方式。（2）強化產(chǎn)品的質(zhì)量管理。（3）不同設(shè)備、不同工段自控系統(tǒng)間的銜接問題將會得到更多的重視，只有解決好這一問題，生產(chǎn)過程自動化才有可能。僅憑經(jīng)驗或?qū)嶒灉y得數(shù)據(jù)是遠遠不能適應(yīng)研究和生產(chǎn)控制的需要，這與迅速發(fā)展的計算機控制技術(shù)是不相適應(yīng)的。本課題以單片機為核心，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集與控制，并以溫度為例，采用PID數(shù)字控制算法設(shè)計了一個溫度控制器來控制發(fā)酵的工作溫度。但是主要過程可以分為前發(fā)酵和后發(fā)酵兩個階段：（a）前發(fā)酵。一旦雙乙酰指標合格，發(fā)酵罐進入第二個降溫過程，約以 ℃/h 的速率把罐內(nèi)發(fā)酵溫度從 5℃降到 0～－1℃左右進行貯酒，整個發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。因此，如何掌握好發(fā)酵過程中的發(fā)酵溫度，控制好溫度的升降速率是發(fā)酵生產(chǎn)質(zhì)量的核心內(nèi)容之一。在發(fā)酵罐頂部有一個電磁開關(guān)閥，控制發(fā)酵罐罐內(nèi)壓力。To 進罐溫度保持時間 設(shè)定：0100小時t1 第一升溫段時間 自然升溫無需設(shè)定t2 第一恒溫段時間 由糖度化驗決定(第一人工拐點)t3 第二升溫段時間 自然升溫無需設(shè)定t4 第二恒溫段時間 由化驗決定(第二人工拐點)t5 第一降溫段時間 設(shè)定:0240小時t6 第三恒溫段時間 設(shè)定:0100小時t7 第二降溫段時間 設(shè)定:0240小時t8 冷貯時間 不需設(shè)定，由人工指令決定 本章小結(jié)本章主要介紹了啤酒發(fā)酵的概述,完整的啤酒生產(chǎn)過程可劃分為麥汁制備、發(fā)酵、啤酒處理、清酒、灌裝等工序。氧是微生物體內(nèi)的一系列氧化酶催化產(chǎn)能反應(yīng)的最終受體，也是合成某些代謝產(chǎn)物的基質(zhì)，所以，溶氧大小的影響是多方面的。由于pH值不當，可能嚴重影響菌體的生長和產(chǎn)物的合成，因此對微生物發(fā)酵來說有各自的最適應(yīng)生長pH值和最適應(yīng)生產(chǎn)pH值。（2）菌齡影響耗氧：當菌體呼吸旺盛時，耗氧量大。在c臨界以下，微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降。壓力對發(fā)酵過程的影響壓力作為一個重要的熱力學(xué)參數(shù)，對微生物的生物效應(yīng)有著重要的影響。因此一般采用在線檢測，使用pH傳感器。罐內(nèi)的溫度值T是通過罐內(nèi)的溫度傳感器采樣并通過變送器將測得的數(shù)據(jù)送入單片機，再由單片機確定發(fā)酵罐溫度設(shè)定值T2,發(fā)酵罐的溫度T2則按照下圖進行閉環(huán)回路控制并最終達到控制罐內(nèi)溫度T目的。對溶解氧進行控制的目的是把溶解氧濃度值穩(wěn)定控制在一定的期望值或范圍內(nèi)。為此，向發(fā)酵液中加入氧載體是提高DO值的一個行之有效的方法。值得注意的是，在培養(yǎng)過程中并不是維持DO越高越好。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。由于52系列單片機在我國使用最廣，并且該系列單片機的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，特別是美國 ATMEL 公司 2003 年推出的新一代 89S 系列單片機，其典型產(chǎn)品 AT89S52 單片機具有較高的性能價格比。正因為 AT89S52 單片機具有更高的可靠性和安全性的功能，所以能夠避免因外部芯片擴展過多或傳感器輸入信號過多而引起的信號失真、電磁干擾等現(xiàn)象的發(fā)生，從而進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。顯示系統(tǒng)根據(jù)發(fā)酵罐內(nèi)的反應(yīng)情況，需要實時循環(huán)顯示出三路冷卻液溫度、發(fā)酵罐溫度、罐內(nèi)壓力、以及三路閥門的準確位置，并在參數(shù)設(shè)定時顯示更新的數(shù)據(jù)，同時 LED 顯示器又承擔對發(fā)酵罐內(nèi)部溫度反應(yīng)工藝曲線的設(shè)定參數(shù)的顯示任務(wù)，以達到更好的人機對話。主機可以選用具有豐富的軟硬件資源、價格優(yōu)惠并被廣泛使用的 PC 機作為上位機，用于集中管理，它可以顯示發(fā)酵工藝流程圖及各種參數(shù)實測值。RS232C 的傳輸電平采用負邏輯，規(guī)定+5V~+15V 為邏輯“0”，5V~15V 為邏輯“1”，數(shù)據(jù)傳輸速率局限在 20Kb/s 以下。由于差分信號及其有關(guān)電路具有對共模噪聲的抑制能力，RS422 可達到比RS232C 更遠的傳輸距