基于单片机的啤酒发酵温度控制系统设计

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1、基于单片机的啤酒发酵温度控制系统啤酒发酵温度采用传统的手动操作控制，啤酒质量差，生产效率低，劳动强度大，酒损严重，不能灵活地修改工艺参数。为此我们使用以ＡＴ８９Ｓ５２单片机为核心的控制系统来控制啤酒发酵温度，很好地解决上述问题。本文介绍基于ＡＴ８９Ｓ５２单片机的啤酒发酵温度控制系统的硬件设计及工作原理、系统的软件设计和抗干扰措施。１系统硬件设计及工作原理本系统主要由ＡＴ８９Ｓ５２单片机、温度采集与Ａ／Ｄ转换电路、８１５５扩展电路、液晶显示接口、键盘接口、蜂鸣器报警电路、串口通信电路、ＤＡＣ０８３２、电压放大和Ｖ／Ｉ转换等单元组成。控制系统硬件组成框图如图１所示。温度传感器信

2、号和5倍电压放大器ADC0809AT89S51单片机8155扩展电路液晶显示电路键盘控制冷却酒精水调节阀电压放大和V/I转换DAC0832蜂鸣器报警电路出口通信电路PC上位机图1控制系统硬件结构框图１．１微处理器系统ＡＴ８９Ｓ５２单片机为主控制器件。ＡＴ８９Ｓ５２是ＡＴＭＥＬ公司生产的低功耗、高性能ＣＭＯＳ８位单片机，它除正常工作外还可工作于低功耗的闲置和掉电模式，进一步减少了芯片的功耗。单片机首先根据已经测量的数值计算出温度偏差，然后进行ＰＩＤ控制并计算出相应的控制数据量，将控制数据量输出到Ｄ／Ａ转换器。ＡＴ８９Ｓ５２还负责按键处理、液晶显示以及与上位机进行通信等工作。本

3、系统采用８１５５Ａ芯片来扩展键盘和液晶显示，用ＭＡＸ２３２实现ＲＳ－２３２Ｃ标准接口通信电路。键盘主要负责温度控制范围和ＰＩＤ控制参数的输入；液晶显示器采用ＬＣＭ１２８Ｘ６４液晶显示模块，把温度控制结果显示在液晶屏上。１．２数据采集电路的工作原理温度传感器使用集成温度传感器ＬＭ３５，它的灵敏度为１０ｍＶ／℃，即温度为１０℃时，输出电压为１００ｍＶ。常温下测温精度为＋／－０．５℃以内，消耗电流最大也只有７０μＡ。本文采用±５Ｖ双电源供电方式，电路简单，不需要对ＬＭ３５的输出进行调整。将ＬＭ３５的输出电压放大５倍（注：根据发酵温度的变化范围和温度传感器的灵敏度，将电压放大器的电

4、压放大倍数整定为５倍），使放大器输出电压限制在不大于５Ｖ的范围（给定温度对应值要在５Ｖ范围之内），以便与单片机的电平相匹配。放大电路采用集成运放组成，如ＴＬＣ２２７２等。由于温度信号为缓慢变化的信号，对Ａ／Ｄ转换速度要求不高，可选用价廉的集成Ａ／Ｄ芯片ＡＤＣ０８０９。ＡＤＣ０８０９将经过５倍电压放大的电压模拟量转化成与其大小成正比的数字量，并送给单片机。１．３蜂鸣器报警电路系统时刻检测发酵温度值，出现异常时启动蜂鸣器报警。蜂鸣器报警电路由晶体管和蜂鸣器组成。由单片机Ｉ／Ｏ口输出信号控制晶体管的导通或截止，晶体管导通，则蜂鸣器报警。１．４驱动电路ＤＡＣ０８３２输出的０～５Ｖ的

5、电压经过放大器放大为０～１０Ｖ的电压。由于ＤＤＺ－ＩＩＩ型电动角形阀的控制信号是４～２０ｍＡ直流电流信号，因此需要将电压信号转换成相应的电流信号。Ｖ／Ｉ转换电路使用集成电路ＡＤ６９４。ＤＤＺ－ＩＩＩ型电动角形阀以单相交流２２０Ｖ电源为动力，接受４～２０ｍＡ直流信号，自动地控制阀门的开度，从而达到对冷却酒精水流量的连续调节，实现发酵罐内温度的控制，使实际温度向着给定温度变化并最终达到给定温度。２软件设计本系统软件设计采用结构化和模块化设计方法，便于功能扩展，程序可采用汇编语言进行编程。程序模块主要包括：主程序、ＰＩＤ数据处理、按键处理、温度采样与Ａ／Ｄ转换、数字滤波、越限报警

6、等子程序。本文重点介绍主程序流程图和数据处理模块。２．１主程序控制系统主程序的流程图如图２所示。本系统利用定时循环轮流对８个温度进行实时采样，为了能够实现温度的巡回测量，必须有相应的程序来选择温度输入通道。用户可以通过键盘设定温度的上限值和下限值、偏差ｅ（ｋ）绝对值的设定值Ｍ、ＰＩD控制的系数ｋｐ、ｋｉ和ｋｄ等参数。２．２数据处理模块本温控系统采用的数字ＰＩＤ算法由软件实现，增量ＰＩＤ控制算法的优点是编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算快。但是对于温度这种响应缓慢、滞后性大的过程，不能用标准的ＰＩＤ算法进行控制。当扰动较大或者给定的温度值大幅度变化时，由于产生较

7、大的偏差，加上温控本身的惯性及滞后，在积分作用下，系统往往产生较大的超调和长时间的振荡。因此，为克服这种不良的影响，采用积分分离法对增量ＰＩＤ算法进行改进。当偏差ｅ（ｋ）绝对值较大时，暂时取消积分作用；当偏差ｅ（ｋ）绝对值小于某一设定值Ｍ时，才将积分作用投入。１）当｜ｅ（ｋ）｜＜Ｍ时，用ＰＩＤ控制。偏差小，说明系统温度已经接近设定值，此时加入了积分作用，可以消除系统静差，保证系统的控制精度。根据递增原理可得ｕ（ｋ）＝ｋｐｅ（ｋ）＋ｋｉｋｉ＝０!ｅ（ｉ）＋ｋｄ［ｅ（ｋ）－ｅ（ｋ－１）］（１）式中：ｅ（ｋ）＝ｒ（ｋ）－