毕业论文-基于AT89S52单片机的啤酒发酵温度测控仪设计.doc

基于AT89S52单片机的啤酒发酵温度测控仪设计摘 要本设计主要是以啤酒发酵温度控制为对象，以AT89S52单片机为控制系统核心，通过单片机系统设计实现对啤酒发酵罐温度的显示和控制功能。本温度控制系统是一个闭环反馈调节系统，由温度传感器DS18B20对啤酒发酵罐温度进行检测，经过调理电路得到合适的电压信号。经数模转换器DAC0832得到相应的温度值，将所得的温度值与设定温度值相比较得到偏差。通过对偏差信号的处理获得控制信号，去调节加热器的通断，从而实现对啤酒发酵罐温度的显示和控制。本文主要介绍了啤酒发酵罐中温度控制系统的工作原理和设计方法，论文主要由三部分构成：第一部分是系统整体方案设计；第二部分是啤酒发酵工艺和发酵罐温度控制方案；第三部分是硬件设计，主要包括温度检测电路、D/A转换电路、显示电路、键盘设计和控制电路等；第四部分是系统软件设计，软件的设计采用模块化设计，主要包括主程序、DS18B20基本操作子程序、数据处理子程序、显示子程序、报警子程序和延时子程序等。关键词： 单片机；传感器； 温度检测；啤酒发酵AbstractSummary of the design is mainly targeted to beer fermentation temperature control, AT89S52 microcontroller to control core, on through the design of single chip microcomputer system of beer fermentation temperature display and control functions. This is a closed-loop feedback control system of temperature control system, by detecting temperature sensor DS18B20 temperature on beer fermentation tank, after proper conditioning circuit of voltage signals. Digital-analog converter DAC0832 be temperature values, from the deviation of temperature and temperature values are compared. Through the bias signal processing gain control of signals, to adjust the heater on/off, to enable display and control of beer fermentation temperature. This main describes has beer fermentation tank in the temperature control system of work principle and design method, papers main by three part constitute: first part is system overall programme design; second part is beer fermentation technology and fermentation tank temperature control programme; third part is hardware design, main including temperature detection circuit, and D/A conversion circuit, and displayed circuit, and keyboard design and control circuit,; IV part is system software design, software of design used module of design, main including main program, and DS18B20 basic operating procedures, data processing program, display subroutine, alarm and time delay subroutine.Keywords: Single chip microcomputer; transducer; Temperature detection; Beer fermentation目 录1 绪论11.1 啤酒概述11.2 啤酒生产工艺流程11.3单片机简介21.4传感器介31.5发酵罐的简介31.6国内外啤酒发酵温度控制发展现状31.7课题研究目的31.8课题研究内容及方案32 啤酒发酵工艺和发酵罐温度控制方案42.1啤酒发酵工艺42.2控制系统选择及简介62.3控制方案的确定63 系统硬件电路设计73.1啤酒发酵温度控制系统电路结构73.2主要器件选择及简介113.2.1 单片机AT89S52113.2.2 温度传感器DS18B20113.2.3 LED显示113.3功能电路设计133.3.1 测温电路设计143.3.2 显示与按键电路设计163.3.3 报警电路设计193.3.4 接口电路设计223.3.5 控制电路234 系统软件设计254.1程序流程图264.2主循环程序274.3 传感器DS18B20基本操作子程序274.4 数据处理子程序284.5 显示子程序294.6报警子程序304.7 延时子程序325 结论35参考文献基于AT89S52单片机啤酒发酵温度测控仪设计1 绪论啤酒是以麦芽（包括特种麦芽）为主要原料，加酒花，经酵母酿制而成的，含有二氧化碳的、起泡的、低酒精度（体积分数）的发酵酒（低酵啤酒酒精度除外）。啤酒是世界上产量最大、酒精含量最低、营养非常丰富的酒种，早在1977年7月在墨西哥举行的第届“国际营养食品会议”上就被正式列为营养食品。据统计，除茶、碳酸饮料和牛奶以外，啤酒与咖啡并列为2001年世界人均消费量的第位，达到。据国家统计局公布的数据显示：我国啤酒产量在2002年之前的九年内连续位居世界第二，2002年的啤酒产量是万吨，超过了美国的多万吨，位居世界第一。此后的五年内，中国啤酒产销量连续五年全球第一。2003年国内啤酒消费量达到万吨，成为世界上最大的啤酒消费市场。2006年全球啤酒生产量比2005年增长了六个百分点，达到亿升，增长量为亿升，其中近一半（亿升）是在中国实现的。2007年国内啤酒增长达以上，中国的啤酒行业已经进入了准高速增长阶段，在此基础上，由于国内啤酒厂商不断整合，国内啤酒行业吨酒利润率不断上升。作为日常消费品的啤酒产品正在面临消费升级的重大机遇 。近十年来，虽然我国啤酒产销量都位于世界领先水平，啤酒装备配套的技术水平也有了很大提高，但是和国外相比，由于我国啤酒产业起步比较晚，尤其是成套设备和国外的差距较大，自动化程度低，因此导致了产品生产效率比较低，生产质量也不高，啤酒能耗较大，这都是我国啤酒工业亟待解决的问题。鉴于以上原因，提高我国啤酒设备的自动化水平将会是一个非常棘手的问题。在啤酒生产的自动化控制过程中，温度是一个非常重要的参数，因此对于啤酒发酵罐温度的控制是自动化控制的一个重要方面。温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械和石油等工业中，具有举足重轻的作用。在啤酒的生产过程中，麦汁制取和啤酒发酵这两个阶段都必须把温度控制在一定的范围内，才能使啤酒的生产顺利成功。随着中国啤酒产业的集团化、规模化和国际化进程的不断加快，中国啤酒市场的竞争也越来越激烈了。因此啤酒生产的全自动化将会成为啤酒产业发展的最终趋势。1.1啤酒发酵的概述。啤酒发酵是在发酵罐中静态进行的，它是由罐体、冷却带、保温层等部件组成。发酵罐的形状一般为圆形锥形，容积较大，大部分（我国的啤酒发酵罐容积在）以上。啤酒发酵要严格的按着工艺曲线进行，否则就会影响啤酒质量。为了有利于热量的散发，在发酵罐的外壁设置了上、中、下三段冷却套，相应设立上、中、下三个测温点和三个偏心气动阀，通过阀门开度调节冷却套内的冰水流量以实现对就提温度的控制。以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量，相应有三个冷媒阀门，通过控制流过冷却带的冷媒流量，控制发酵罐的温度。在发酵的过程中，温度在不断的升高，当达到上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循环使罐内的温度降下来。当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续发展，整个发酵过程大约多天完成。因此，控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键。1.2啤酒发酵生产工艺流程啤酒生产可以分成两大部分：麦芽制取和啤酒酿造。下面将分别讲述麦取和啤酒制造的工艺流程，其工艺流程如图1和2所示。（1）麦芽制造工艺流程 麦芽制取主要有三大步骤：浸麦、发芽和干燥。麦芽制造的简单流程如1所示。图1-1 麦芽制造工艺流程图（2）啤酒酿造工艺流程啤酒酿造的工艺流程如图2所示，从下面这个图中可以对啤酒酿造有一个比较抽象的理解。图1-2 啤酒酿造工艺流程图图3能形象地表达出啤酒制造过程的每一个步骤，更能对啤酒制造整体过程有一个形象的理解。图1-3 啤酒生产流程图1.3单片机的简介1.31单片机单片机是将微机的CPU、存储器、I/O接口和总线制作在一块芯片上的超大规模集成电路。单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器、串行通信口（SCI）、显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）、脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转换器和A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小的然而完整的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。通过分析单片机的特点可以看出，单片机有着微处理器所不具有的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这也是单片机最大的特点。1.3.2单片机的应用领域单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理和过程控制等领域，大致可分如下几个范畴。（1）在智能仪器仪表上的应用（2）在工业控制中的应用（3）在家用电气中的应用（4）在计算机网络和通信领域中的应用（5）单片机在医用设备领域中的应用此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防和航空航天等领域都有着十分广泛的用途。1.4传感器简介传感器的经典定义是指能够感受规定的被测量，并按照一定规律转换成与之相对应的可用输出信号的元器件或装置的总称6。通常认为传感器是一种以一定的精确度把被测量转换成与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。传感器一般被认为是由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成的，有时还需外加辅助电源，组成框图如图4所示。图1-4 传感器原理图1.5发酵罐简介现代发酵技术主要包括大容量发酵罐发酵法（其中主要是圆柱露天锥形发酵罐发酵法）、高浓糖化后稀释发酵法、连续发酵法等。圆柱锥形发酵罐是目前世界通用的发酵罐，该罐主体呈圆柱形，罐顶为圆弧状，底部为圆锥形，具有相当的高度（高度大于直径），罐体设有冷却和保温装置，为全封闭发酵罐。圆柱锥形发酵罐既适用于下面发酵，也适用于上面发酵，加工十分方便。德国酿造发明的历史圆柱锥形发酵罐由于其诸多发面的优点，经过不断改进和发展，逐步在全世界得到推广和使用。我国自20世纪70年代中期，开始采用室外圆柱体锥形底发酵挂发酵法（简称锥形罐发酵法），目前国内啤酒生产几乎全部采用此发酵法。1.5.1锥形罐发酵法的特点（1）底部为锥形便于生产过程中随时排放酵母，要求采用凝聚性酵母。（2）罐本身具有冷却装置，便于发酵温度的控制，生产容易控制，发酵周期缩短染菌机会少，啤酒质量稳定。（3）罐体外设有保温装置，可将罐体置于室外，减少建筑投资，节省占地面积，便于扩建。（4）采用密闭罐，便于洗涤和回收，发酵也可在一定压力下进行，即可做发酵罐，也可做贮酒罐，也可将发酵和贮酒合二为一，称为一罐发酵法。（5）罐内发酵液由于液体高度而生产梯度（即形成密度梯度）。通过冷却控制，可使发酵液进行自然对流，罐体越高对流越强。由于强烈对流的存在，酵母发酵能力提高，发酵速度加快，发酵周期缩短。（6）发酵罐可采用仪表或微机控制、操作、管理方便。（7）锥形罐既适用于下面发酵，也适用于上面发酵。（8）可采用CIP自动清洗装置，清洗方便。（9）锥形罐加工方便（可在现场就地加工），实用性强。（10）设备容量可根据生产需要灵活调整，容量可从不等，最高可达1.5.2 锥形罐工作原理锥形罐发酵法发酵周期短、发酵速度快的原因是由于锥形罐内发酵液的流体力学特性和现状啤酒发酵技术采用的结果。接种酵母后，由于酵母的凝聚作用，使得罐底部酵母的细胞密度增大，导致发酵速度加快，发酵过程中产生二氧化碳量增多，同时由于发酵液的液柱高度产生的静压作用，也使二氧化碳含量随液层变化呈梯度变化,因此罐内发酵液的密度也呈梯度变化，此外，由于锥形罐体外设有冷却装置，可以认为控制发酵各阶段温度。在静压差、发酵液密度差、二氧化碳的释放作用以及罐上部降温产生的温差（）这些推动力的作用下，罐内发酵液生产了强烈的自然对流，增强了酵母与发酵液的接触，促进了酵母的代谢，是啤酒发酵速度大大加快，啤酒发酵周期显著缩短。另外，由于提高了接种温度、啤酒主发酵温度、双乙酰还原温度和酵母接种也利于加快酵母的发酵速度，从而使发酵能够快速进行。1.6国内外啤酒发酵温度控制发展现状目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有: 膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展,新型温度传感器还会不断出现,目前,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种: 热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪啤酒发酵温度的控制是决定产品品质的关键因素，所以，必须对生产过程中的温度进行严格的控制。啤酒发酵是一个具有时变性、非线性的复杂生化反应过程，使用冷却酒精水通过热交换器间接降温的方法控制发酵温度。传统的手动控制不仅控制质量不稳定，而且操作工人的劳动强度也很大，人力资源浪费问题十分严重，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。采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、灵活和组态简单的优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而可以显著提高啤酒产品的质量。1.7课题研究目的本次设计采用AT89s52单片机与各种外围电路构成单片机温度自动检测和控制系统，实现对温度的实时检测和控制。通过本次设计掌握温度检测控制系统的硬件设计方法和软件编写方法。通过课题的研究进一步巩固所学的知识，同时学习课程以外的相关知识，培养综合应用知识的能力。锻炼动手能力与实际工作能力，将所学的理论与实践结合起来。1.8课题研究内容及方案本温度控制系统是一个闭环反馈控制系统，它用温度传感器将检测到的温度信号经放大，AD转换后送入单片机中进行数据处理并显示当前温度值，用当前温度值与设定温度值进行比较。根据比较的结果得到控制信号用以控制继电器的通断，实现对加热器的控制。通过这种控制方式实现对保温箱的温度控制。本课题设计的内容主要包括硬件设计和软件设计两部分。系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行等电路的设计。软件程序编写主要用来实现对温度的检测、标度转换、LED显示、继电器控制等数据处理功能。2 啤酒发酵工艺和发酵罐温度控制方案2.1啤酒发酵工艺啤酒发酵是啤酒生产过程中的关键工序，啤酒的发酵过程是否能按照工艺严格执行，以及其执行的效果，将会直接决定啤酒的质量。啤酒发酵过程直观上可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程。啤酒的整个生产过程主要包括糖化、发酵和啤酒分装三个环节。1、糖化啤酒的糖化过程是啤酒生产过程中的关键工序。糖化过程一般使用糖化锅、糊化锅、过滤槽、煮沸锅等设备。麦汁制备过程中需要检测的参数主要有温度、压力、物位和流量。对介质温度实施检测控制，即按照工艺要求的糖化曲线控制糖化过程的进程，是过程控制的主要内容。2、发酵啤酒发酵是微生物的一个代谢过程，简单的说就是把糖化之后产生的麦汁经酵母发酵分解成酒精（）、二氧化碳（）和水（）的过程，同时还会产生种类繁多的中间代谢物。虽然这些代谢产物的含量非常低少，但它们对啤酒的质量和口味将会产生非常大的的影响。一般认为低温发酵可以降低双乙酰和脂类等代谢物的含量，提高啤酒的色泽和口味；高温发酵则可以加快发酵速度，提高生产效率和经济效益。总之，如何掌握好啤酒发酵过程中的发酵温度，控制好温度的升降速度是决定啤酒生产质量的关键所在。整个发酵过程分前酵和后酵两个阶段，发酵温度的工艺设定曲线如图2-1所示。图2-1 啤酒发酵过程温度工艺曲线在上图中，oa段为自然升温段，不需外部控制；ab段为主发酵阶段，控制温度一般在左右；bc段为降温阶段，是主发酵阶段和后酵阶段的过渡时期，经过此阶段后发酵进入后酵阶段，在此阶段降温速度一般为；cd段为后酵阶段，温度一般控制在左右；de段为进入贮酒阶段的过程，降温速度比较慢，一般为；ef段为贮酒阶段，也就麦汁发酵完毕之后啤酒长期贮存的温度，这个时期啤酒温度一般控制在左右。（1）前酵这个阶段又称为主发酵。在这个过程中麦汁糖度下降，产生并释放生化反应热，从而使整个罐内温度逐渐上升。经过天后进入发酵最为旺盛的高泡期，再经过天，糖度进一步降低。当罐内发酵糖度达到工艺要求之后，便可以降低温度转入整个发酵过程的后酵阶段。（2）后酵当发酵罐内部麦汁温度从前酵的降到左右时后酵阶段就开始了。在这一阶段最重要的是进行双乙酰的还原。一旦双乙酰含量指标合格之后，发酵罐便可以进入第二个降温过程，以提高啤酒的风味和质量。经过一段时间的贮酒，整个发酵环节基本结束。在不同的发酵阶段，发酵罐内部发酵液的温度场要有相应的要求：在前酵阶段希望发酵罐内从罐顶到罐底有一正的温度梯度，即以控制上层温度为主，以利于发酵液对流和酵母在罐内的均与混合；在后酵阶段，则要求发酵液由上到下有一定的负温度梯度，即控制以下层温度为主，便于酵母的沉淀和排除。对于发酵罐上、中和下三部分温度控制设定工艺曲线如图2-2所示。 (a)上层 (b)中层 (c)下层图2-2 温度控制设定工艺曲线3、啤酒过滤和分装在这个阶段主要是对发酵之后的啤酒初级产品进行再次处理。在啤酒发酵结束之后需要对啤酒进行澄清处理，如果用于销售还需要根据啤酒的销售方式对啤酒进行相应的包装。2.2控制系统选择及简介根据啤酒发酵控制工艺环境与工艺控制需求，经过认真调研、分析，对目前国内外较先进的发酵温度控制系统进行了综合比较与评价。同时，又充分考虑本课题的综合实力、现状与发展等因素，该啤酒发酵温度控制系统采用以AT89S52单片机为核心的控制系统。该系统可靠实用、技术先进，完全满足了本课题啤酒生产发酵工艺的技术要求，并兼顾了该课题发酵装置发展的需求。本控制系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统以单片机为核心，在其外围扩展存储器、外围设备、功能电路和接口电路等，是整个系统的物理基础；软件部分则是在硬件系统的基础上，为完成本控制系统对温度控制的要求而编写的监控程序和应用程序。2.3控制方案的确定由于在啤酒的发酵过程中，发酵罐内部麦汁温度的升高主要原因是内部反应所放出的热量，所以发酵过程的升温速度是不可以控制的，所能控制的只有降温的速度。本系统设计的啤酒发酵温度控制系统是通过绕在啤酒发酵罐内壁上的蛇形管中的冷却液的循环流动来实现的，冷却液的流量和速度决定了降温的速度，因此可以通过控制冷却液的流量来控制温度，从而达到控制酒体温度的目的。根据以上所述的本系统的控制要求，为了实现发酵罐三个位置的温度同时得到监控，本设计中采用的方法是在一个采样周期中循环检测三路温度，并在一控制周期内向三路控制通道输出需要的控制量。图2-2为圆筒锥底发酵罐示意图。由于本系统使用的是具有严重非线性特性的管道制冷系统，所以本设计中采用电磁阀作为整个控制系统的执行器件，在对冷却液流量的控制中，通过改变一个控制周期内阀门的开度，从而达到了较好的使酒体冷却和保温的目的。图2.2 圆筒锥底发酵罐示意图3 系统硬件电路设计31啤酒发酵温度控制系统电路结构在本啤酒发酵温度控制系统中，在一个采样周期内安装于啤酒发酵罐上、中、下三个位置的温度传感器DS18B20将会分别采集发酵罐上、中和下三个位置的温度信号。采集到的三个温度信号将会按照设定好的顺序依次向单片机提供中断信号，从而可以把测得的温度信号读入到单片机内部，然后再把预先设定好的发酵过程具体阶段的设定值与实测值相比较。然后根据比较之后所得的余差给电机和电磁阀发出相应的控制信号。在具体的硬件电路的设计过程中，需要引起注意的一点是外界干扰的消除。控制系统的硬件结构框图如图3.1所示。本系统主要由AT89S52单片机、温度采集电路、8155扩展电路、液晶显示接口、键盘接口、报警电路、DAC0832、电压放大和V/I转换等单元组成。图3.1 控制系统的硬件结构框图本温度控制系统的具体工作原理为：啤酒发酵罐内部麦汁在各个发酵阶段的温度设定值以及相关的参数被存放在外部中，也可以由PC机或键盘来设置。单片机上电复位后通过数字传感器DS18B20检测发酵罐上、中和下三个位置的温度。每隔固定的时间读入采集的数据并做相应的处理。对数据的处理是采用模糊控制和PID相结合的方法来实现的，单片机内部设定好的程序对采样得到的温度进行信号调理后，得到相应的偏差和偏差变化，然后通过查询模糊控制表输出控制量，经过DAC0832转换后控制电磁阀的开度，从而控制冷却水的流量，从而达到了控制温度的目的。3.2主要器件选择及简介 3.2.1单片机AT89S52AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程 图 3.2 AT89S52引脚图Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52内部增加了片内看门狗定时器，这将有利于坚固用户应用系统，提高系统的可靠性；其次AT89S52独有的双指针功能，使数据操作更加快捷方便；再次，AT89S52运行速度更高，最高晶振可达到33MHZ；最后AT89S52支持ISP（In-System Programming）在线下载功能，使得其使用更加方便。正因为AT89S52单片机具有更高的可靠性和安全性的功能，所以能够避免因外部芯片扩展过多或传感器输入信号过多而引起的信号失真、电磁干扰等现象的发生，从而进一步提高了系统的稳定性。3.2.2温度传感器DS18B20DALLAS公司单线数字温度传感器DS18B20是一种新的“一线器件”，它具有体积小、适用电压宽等特点。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55+125，在-10+85范围内，精度为0.5；通过编程可实现912位的数字值读数方式；可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化为9位和12位的数字量。每个DS18B20具有唯一的64位长序列号，存放于DS18B20内部ROM只读存储器中。 图3.3 DS18B20引脚图 图3.4 DS18B20使用图 表1 温度与温度字节间的对应关系DS18B20温度传感器的内部存储器包括1个高速暂存RAM和1个非易失性的电可擦除E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节，前2字节为测得的温度信息，第1个字节为温度的低8位，第2个字节为温度的高8位。高8位中，前4位表示温度的正(全“0”)与负(全“1”)；第3个字节和第4个字节为TH、TL的易失性拷贝；第5个字节是结构寄存器的易失性拷贝，此三个字节内容在每次上电复位时被刷新；第6、7、8个字节用于内部计算；第9个字节为冗余检验字节。所以，读取温度信息字节中的内容，可以相应地转化为对应的温度值。表1列出了温度与温度字节间的对应关系。由于DS18B20输出的温度信号是数字量，而且只占有一个I/O口，所以它特别适合于微处理器控制各种温度测量控制系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的A/D转换和较复杂的外围电路。缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。 3.2.3 LED显示智能显示驱动HD7279AHD7279A是比高公司生产的单片具有串行接口、可同时驱动8位共阴极数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时可连接64键的键盘矩阵，一片即可完成LED显示及键盘接口的全部功能。HD7279A和微处理器之间采用串行接口，其接口和外围电路比较简单，且占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域获得了广泛的应用。1、主要特点l 带有串行接口，无须外围元件便可直接驱动LED。l 各位可独立控制译码/不译码、消隐和闪烁等属性。l 具有（循环）左移/（循环）右移指令。l 具有段寻址指令，可方便地用来控制独立的LED数码管。l 4键键盘控制器内含有去抖动电路。2、引脚说明HD7279A一共有28个引脚，各引脚的主要功能如下：l RESET：复位端。当该端由低电平变成高电平，并保持25ms后，复位过程结束。通常，该端接+5V电源。l DIG0DIG7：8个LED数码管的位驱动输出端。l SASG：LED数码管的A段G段的输出端。l DP：小数点的驱动输出端。l RC：未接振荡元件连接端，其中电阻典型值为电容的典型值为。 HD7279A与微处理器仅需4条接口线，其中CS为片选信号（低电平有效）。DATA为串行数据端，当向HD7279A发送数据时，DATA为输入端；当HD7279A输出键盘代码时，DATA为输出端。CLK为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿表示数据有效。KEY为按键信号输出端，该端在无键按下时为高电平；而在有键按下时变为低电平，并一直保持到按键释放为止。 3.3功能电路设计3.3.1 测温电路设计根据本控制系统的实际需要，然后再考虑到DS18B20独特的单总线接口、多点组网功能以及很高的测温精度。本温度检测系统是由AT89S52组成的控制模块和3个温度传感器DS18B20组成的检测电路组成的。连接电路如图3.5所示。图3.5 温度检测接口电路DS18B20与单片机的接口非常简单，可以采用寄生电源供电方式，P1.0口接数据总线，为了保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可以用一个MOSFET管和AT89S52单片机的P1.1口来完成对总线的上拉。由于总线只有1根线，因此发送接收口必须是三态的。图3-9采用外部电源供电方式，P1.0口接数据总线，只要在数据线上加一个4.7K的上拉电阻，另外2个脚分别接电源和地，这种电路连接方式可靠、编程简单。3.3.2 显示与按键电路设计人和单片机之间的对话是单片机应用系统中的一个必要的组成部分，主要包括键盘和显示这两部分。这两部分是控制系统和操作人员之间交互的窗口，它既反映系统运行的状态，又能改变参数的设置，必要时实现适当的人工干预。1、显示电路设计上文中提到该显示电路是串行显示电路。串行显示电路属于静态显示，比动态显示亮度更大一些。由于74LS164在低电平输出时，允许通过的电流达8mA，故不必添加驱动电路，亮度也比较理想。与动态扫描相比较，无需CPU不停的扫描，频繁地为显示服务，节省了CPU时间，软件设计也比较简单。由于本设计采用的是共阳极数码管，所以相应的亮段必须送0，相应的暗段必须送1。原理图如图3.6所示：图3.6 显示原理图2、按键电路设计键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一个选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU忙于各项任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。考虑仪表系统中CPU任务的份量，来确定键盘的工作方式。键盘的工作方式选取的原则是：既要保证能及时响应按键的操作，又不过多的占用CPU的工作时间。键盘的工作方式有：查询方式（编程扫描，定时扫描方式）、中断扫描方式。本设计中由于所用键盘不多，采用独立连接式的查询式键盘。键盘接口与键盘程序的根本任务就是要检测有没有键按下？按下的是那个位置的键？键值是多少？在本次设计中采用了软件扫描的方法。通过对键盘接口P1.0和P1.1的查询判断是否有键按下。本次设计采用了软件去抖动的方法。当有键按下时，按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如果不妥善处理，将会使按键命令的错误执行和重复执行。采用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一般大于5ms。如图3.7所示，为按键接口电路。图3.7 按键接口电路3.3.3 报警电路设计图3.8是本系统温度报警器电路原理图。本电路由音乐片及外围原件构成。温度传感器采用测量范围为0100的电接点玻璃温度计。温度计最大额定电压为36V，额定电流为20mA。音乐片采用MX-01或786153系列音乐片集成块。上限报警电路由IC2、VD5、VT1、VT2构成，下限报警电路由IC3、VD6、VT3、VT4等构成。两只电接点玻璃温度计分别设定在上下限温度给定值，并插在被检测系统的有关部分，将温度计电极分别接在上下限温度控制点SKD1和SKD2上。图3.8 上下限温度报警电路啤酒发酵罐内部麦汁温度正常时，接在SKD1的电接点温度计开路，VT1基极无偏流而截止，发光二极管VD5不发光，音乐片IC2不被触发；接在SKD2上的控制下限温度的电接点温度计接通，VT3基极和发射极短路，Ib等于零，VT3截至，发光二极管VD6不亮，IC3音乐片不触发。这时，上下限报警电路均 不做声。如果被检测系统的温度达到上限给定的值，上限控制接点SDK2接通，由电阻R2提供偏流，使晶体管VT1导通，上限发光二极管VD5发光报警，同时VT1触发音乐片IC2的2脚，使3脚输出音频电流，通过晶体管VT2放大，推动扬声器BY发出音乐报警声。如果被检测系统的温度还没有调节到低于上限给定值，声光报警信号始终不止。如果被检测系统温度低于下限给定值，下限控制接点SKD2断路，晶体管VT3的基极b和发射极e开路，基极b通过电阻R6提供偏流VT3导通，温度下限发光二极管VD5有电流流过而发光报警。同时，VT3发音乐片IC3，并被晶体管VT4放大使扬声器BY发出音乐报警声。直到被检测系统温度被调节到高于下限给定值后，VT3截止，声光报警信号消失。电阻R4和R6是起限流作用的，防止电流过多流向发光二极管而影响使用寿命，又能使部分电流流向音乐片的2脚，触发音乐片。电源采用220V交流电路电容C1降压。VD1-VD2桥式整流，电容C2滤波，三端稳压集成块IC1稳压后，输出5V直流电压，1.5A电流。由于电压绝大部分降到电容C1上，所以，C1取值基本上取决于输出电流值。C1要求耐压大于400V，其容量按音乐片最大工作电流计，选择3F。为了使音乐片声音宏亮，VT2和VT4选用中功率晶体管，如3DG12B等，80左右。IC2和IC3可公用一个扬声器，选4或8电动扬声器。为区别上下限温度报警。VD5和VD6选用两种颜色的发光二极管，一般上限的选红色的，下限的选绿色的较好一些。3.3.4 控制电路在本设计中，被测温度信号经采样处理后，还需要通过单片机系统的P1.2口输出用以控制保温箱的温度，通过这种方式达到控制的目的。控制的方式主要有模拟量控制和开关量控制。本系统采用的是开关量控制。所谓的开关量控制就是通过控制设备的“开”或“关”状态的时间来达到控制的目的。由于输出设备往往需要大电压来控制，而单片机系统输出的为TTL电平，这种电平不能直接驱动外部设备的开启和关闭。另一方面，许多外部设备在开关过程中会产生很强的电磁干扰信号，如果不隔离会使系统进行错误的处理。因此在开关量的输出控制过程中要考虑到两个问题，一要隔离；二要放大。本设计采用继电器作为控制电路的主要器件，继电器具有一定的隔离作用，在继电器前面加一个三极管用以放大输出信号就可以驱动继电器的闭合和断开。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流控制较大电流的一种开关。故在电路中起自动调节、安全保护、转换电路等作用。在工业自动化控制系统中,继电器经常被用来控制执行机构, 特别是应用在一些耐潮、耐腐蚀、防爆的特殊装置中。固态继电器和MCS-51系列单片机组成的控制系统, 具有抗干扰性强、编程简单、系统兼容性好等特点,具有非常广阔的应用前景。继电器一般由通电线圈和触电组成。当线圈通电时，由于磁场作用，使开关触电闭合。当不通电时，则开关触点断开。一般线圈可用直流低电压控制（+5V，+9V，+12V）。继电器的特性参数包括输入和输出参数，主要的参数为额定输入电压、额定输出电流、浪涌电流。根据输入电压参数值大小，可确定工作电压大小。如采用TTL或CMOS等逻辑电平控制时，采用有足够带载能力的低电平驱动，并尽可能使“0”电平低于0.8 V。如在噪声很强的环境下工作，不能选用通、断电压值相差小的产品，必需选用通、断点压值相差大的产品，这样不会因噪声干扰而造成控制失灵 。本设计就是采用直流驱动电压为+5V的继电器。触电输出部分可以直接与市电连接。继电器控制电路如图3.9所示。 图3.9 继电器控制电路4 系统软件设计4.1 程序流程图开始初始化MAX7221采集通道温度温度超限报警程序调试数据显示延时3路显示是否完毕指向下一个通道YN图4.1 系统主程序流程该课题的主程序流程图如图4.1，系统上电后，首先对MAX7221芯片进行初始化设置，然后通过循环程序对3路DS18B20进行温度采集，并判断温度值是否超过测量范围，最后通过MAX7221驱动数码管进行显示。NN开始初始化1-Wire有应答？逃过读序列号的操作启动温度转换计算温度值并作为返回值读取温度寄存器是否有应答？初始化1-Wire发出匹配ROM命令并送出第n个通道对应ROM码返回YY 图4.2 DS18B20读温度程序流程图DS18B20读温度程序流程图如图4.2所示，首先通过初始化程序对单总线进行复位，然后跳过内部序列号读取，启动总线上所有的DS18B20进行温度转换。最后，有主机发送对应通道中DS18B20序列号，从其温度寄存器中读取温度值存入内部数据寄存器中。4.2 主循环设计 主程序主要完成系统的初始化，然后通过循环对各通道DS18B20采集温度信号并通过数码管实现温度显示，同时在测量超限时产生声光报警信号。4.3 传感器DS18B20基本操作子程序 DS18B20是1-Wire温度传感器，读写操作都要严格按照时序进行。DS18B20操作子程序就是实现1-Wire总线的相关操作，根据DS18B20的时序来编写以下函数： Init_DS18B20():DS18B20初始化函数，对指定DS18B20进行复位操作； Read_bit():DS18B20读位函数，实现从DS18B20中读取一位二进制数0或1； Write_bit():DS18B20写位函数，实现向DS18B20写入一位二进制数0或1； Read_byte():DS18B20读字节函数，从指定DS18B20处读取一个字节数据，通过8次调用Read_byte(）实现读取功能； Write_byte():DS18B20写字节函数，向指定的DS18B20写入一个字节数据，通过8次调用Write_bit()实现功能； CRC():DS18B20校验字节计算函数，可以计算出有关DS18B20内部ROM的CRC校验码； Match_ROM():DS18B20 ROM匹配函数，通过 Match_ROM()函数发送ROM匹配指令，接着送出64位ROM码。ROM码匹配的DS18B20等待接受一下步命令，而不匹配的DS18B20不响应接下来的命令。4.4 数据处理子程序 数据处理子程序主要用于调用函数读取DS18B20测量的温度值，并将其转换成实际温度值，由以下函数构成： Get_Tem():温度值处理函数，通过Get_Tem()可以将从DS18B20中读取的温度值合并成为一个uint型数据，然后返回。同时，该函数还可以判断出当前测量的温度值符号。若为正温度，Flag为0；若为负温度，Flag为1； Read Temperature():温度读取函数，调用Read Temperature()函数可以读取出第n+1个通道的温度值，并将此温度值返回； abj_dat():显示数据处理函数，它将读取第m+1个通道上的温度值，并将该数值各位上的数据存储到显示缓冲区。4.5显示子程序 显示子程序主要用于在LED上显示3路温度值及通道号。由以下函数构成： Write_7221():MAX7221写字节函数，通过Write_7221()函数可以向数码管写入显示数据，com为显示位置，da为显示代码； Init_MAX7221():MAX7221初始化函数，用于对MAX7221进行初始化； display():显示函数，它可以完成通道号、温度值的显示。 4.6报警子程序 报警子程序用于实现系统中的报警设置、清除和判断功能，由以下函数构成： set_alarm():设置报警函数，用于实现报警输出，调用set_alarm()函数后，将产生声光报警信号； clr_alarm():清除报警函数，用于清除报警输出，调用clr_alarm()函数后，将清除声光报警信号； alarm():报警判断函数，用于判断各通道温度是否超过测量范围。若超限，则输出报警信号；若在正常范围，则清除报警信号。 4.7延时子程序 延时子程序用于实现系统中的延时设计，由以下函数构成： delay(): 精确延时函数，用于DS18B20基本操作子程序，调用delay()函数产生的延时时间为（24+16n)us； delay1():延时函数，用于各通道温度显示时间间隔的调节。结论啤洒发酵是一个复杂的生物化学反应过程。发酵期间，根据酵母的活动能力，繁殖快慢，确定发酵给定的温度。要使酵母的繁殖与哀减，麦汁中糖度的消耗和双乙酞等杂质