DZ093基于单片机的啤酒发酵工艺及控制系统设计
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DZ093基于单片机的啤酒发酵工艺及控制系统设计,毕业设计
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哈尔滨理工大学学士学位论文 - I - 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 第 2 章 啤酒发酵工艺及控制要求 . 2 2.1 啤酒发酵工艺简介 . 2 2.2 系统的控制要求 . 2 2.3 本章小结 . 3 第 3 章 系统总体方案的设计 . 4 3.1 发酵罐测控点的分布及管线结构 . 4 3.2 检测装置和执行机构 . 4 3.3 控制 规律 . 5 3.3.1 PID 算式加特殊处理 . 5 3.3.2 Smith 补偿控制算法 . 6 3.3.3 啤酒发酵过程控制的数学模型分 析 . 7 3.4 控制系统的硬件 . 9 3.5 控制系统的软件 . 9 3.6 本章小结 . 10 第 4 章 硬件电路设计 . 11 4.1 89C52 单片机特点简介 . 11 4.2 主电路 . 12 4.2.1 采样电路 . 12 4.2.2 I/V 变换电路 . 14 4.2.3 A/D 转换电路 . 15 4.3 显示电路与按键 . 16 4.4 控制电路 . 17 4.5 本章小结 . 17 第 5 章 软件程序设计 . 18 5.1 概述 . 18 5.1.1 软件设计思想 . 18 5.1.2 系统构成 . 18 5.1.3 系统中 89C52 中断源的使用 . 19 5.2 程序中有关参数的设定 . 20 5.3 主程序 MAIN . 23 5.3.1 主程序介绍 . 23 5.3.2 掉电保护 . 24 5.4 外部中断服务子程序 JINT . 25 5.4.1 数据采集模块 DATA . 26 5.4.2 数据处理模块 PROM . 26 5.5 定时 /计数器 T0 中断服务子程序 JT0 . 28 5.6 按键处理子程序 KEY . 29 nts 哈尔滨理工大学学士学位论文 - II - 5.7 串行中断服务子程序 JSR . 31 5.8 显示子程序 DSP . 32 5.9 本章小结 . 32 结论 . 33 致谢 . 34 参考文献 . 35 附录 A AD 与单片机接口电路 . 36 附录 B 显示与按键电路 . 37 附录 C 控制电路与通讯电路 . 38 附录 D 文献及翻译 . 39 nts 哈尔滨理工大学学士学位论文 - III - 啤酒发酵过程计算机控制系统 摘要 啤酒发酵是整个啤酒生产过程最重要的环节，啤酒发酵罐内的发酵温度是决定啤酒质量的关键所在。目前许多啤酒生产厂的啤酒发酵过程中存在着一些缺点：大多手工作业，缺乏精密的控制装置，需要生产工人 24 小时中监视啤酒发酵的温度变化，根据偏差去调节冷媒的流量阀，导致工人的劳动强度加大，温度控制精度低，啤酒质量也不稳定，从温度控制系统的发展看，以单片 机为核心构成的微型温度控制系统调节装置已成为主要的发展方向。 本论文以 89C52 单片机芯片为核心，研究和设计了数字化的啤酒发酵过程计算机控制系统。本论文简述了啤酒发酵的工艺过程和工艺要求，介绍了 89C52单片机的原理及其他主要芯片的功能，设计出了数字化啤酒发酵过程计算机控制系统。实现对啤酒发酵罐上、中、下三层温度同时检测控制，以及啤酒发酵罐压力的控制，同时采用对冷却液阀门的“定频调宽”的方法来实现对啤酒发酵罐冷却液流量的控制以保证液位稳定在合理的位置。本文详细介绍了本系统硬件和软件的设计原理。 关键词 89C52 单片机；啤酒；发酵；控制 nts 哈尔滨理工大学学士学位论文 - IV - The computer 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 single-chip microcomputer has been the major phase. Using the 89C52 single chip microcomputer as its core computer, 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 microcomputer, 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 up-grade computer was also studied in this paper. The design principle of the hardware and software of this system were provided and simulation analysis results were also introduced in this paper. Keywords 89C52 single-chip microcomputer; beer; the temperature of fermentation; control nts 哈尔滨理工大学学士学位论文 - V - 目录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 第 2 章 啤酒发酵工艺及控制要求 . 2 2.1 啤酒发酵工艺简介 . 2 2.2 系统的控制要求 . 2 2.3 本章小结 . 3 第 3 章 系统总体方案的设计 . 4 3.1 发酵 罐测控点的分布及管线结构 . 4 3.2 检测装置和执行机构 . 4 3.3 控制规律 . 5 3.3.1 PID 算式加特殊处理 . 5 3.3.2 Smith 补偿控制算法 . 6 3.4 控制系统的硬件 . 9 3.5 控制系统的软件 . 9 3.6 本章小结 . 10 第 4 章 硬件电路设计 . 11 4.1 89C52 单片机特点简介 . 11 4.2 主电路 . 12 4.2.1 单片机电路 . 错误 !未定义书签。 4.2.2 电源的配置 . 错误 !未定义书签。 4.2.3 采样电路 . 12 4.2.4 放大电路 . 错误 !未定义书签。 4.2.5 A/D 转换电路 . 15 4.3 显示电路与按键 . 16 4.4 控制电路 . 17 4.5 本章小结 . 17 第 5 章 软件程序设计 . 18 5.1 概述 . 18 5.1.1 软件设计思想 . 18 5.1.2 系统构成 . 18 5.1.3 系统中 89C52 中断源的使用 . 19 5.2 程序中有关参数的设定 . 20 5.3 主程序 MAIN . 23 nts 哈尔滨理工大学学士学位论文 - VI - 5.3.1 主程序介绍 . 23 5.3.2 掉电保护 . 24 5.4 外部中断服务子程序 JINT . 25 5.4.1 数据采集模块 DATA . 26 5.4.2 数据处理模块 PROM . 26 5.5 定时 /计数器 T0 中断服务子程序 JT0 . 28 5.6 按键处理子程序 KEY . 29 5.7 串行中断服务子程序 JSR . 31 5.8 显示子程序 DSP . 32 5.9 本章小结 . 32 结论 . 33 致谢 . 34 参考文献 . 35 附录 A 主电路图 . 36 附录 B 显示与按键电路 . 37 附录 C 控制电路 . 38 附录 D 文献及翻译 . 39 nts 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第 1章 绪论 1.1 课题背景 我国的啤酒市场非常巨大，国内生产啤酒的企业数以百计，但与国外的主要啤酒生产厂家相比大部分企业技术落后，大部分处于手动控制阶段，只有极少数企业实现半自动化。由于自动化程度低，导致产品生产效率低，质量也不高，能耗较大。啤酒生产是一个利用微 生物生长进行生产的过程，生产周期长，过程参数分散性大，传统操作方式难以保证产品的质量。 近年来，国外的各大啤酒生产厂家纷纷进军中国市场，凭借技术优势与国内的啤酒生产厂家争夺市场份额。国内的啤酒行业迫切要求技术改造，提高生产率，保证产品质量，以确保在激烈的市场竞争中立于不败之地。 啤酒发酵是啤酒生产过程中最重要的一道工序，是决定啤酒质量的关键的一步。按现在的生产工艺，生产周期在十五天左右，要求发酵液的温度严格按照一定的工作曲线变化。温度控制精度在 0.5范围内，这样的控制精度单凭传统的热工仪表加上手工操作方 式是完全不能满足要求的，但目前国内的不少生产厂家都是采用这种生产方式。这就要求生产工人 24 小时中监视啤酒发酵的温度变化，根据偏差去调节冷媒的流量阀。这种方法，工人的劳动强度大，而且质量难以控制。国外的著名啤酒生产厂家大部分都实现了自动化控制，在保证产品质量的同时缩短了生产周期。为此，在国内啤酒行业中实现自动化生产是十分迫切的。啤酒的发酵过程实现自动化后，工人的劳动强度将大大地减小，同时啤酒的质量与生产有望升上一个新的台阶，企业通过技术改造增加了市场竞争能力。 nts 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 第 2章 啤酒发酵工艺及控制要求 2.1 啤酒发酵工艺简介 啤酒发酵是一个复杂的生物化学过程，通常在锥形发酵罐中进行。在 20 多天的发酵期间，根据酵母的活动能力和生长繁殖的快慢，确定发酵给定温度曲线，如图 2-1 所示。要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙酵等杂质含量等方面达到最佳状态，必须严格控制发酵各阶段的温度，使其在给定温度的0.5范围内。 图 2-1 发酵过程温度工艺曲线 某啤酒厂要求控制 10 个 200m3 的锥形啤酒发酵罐，这种发酵罐的内层是用不锈钢板焊接而成的，外层用白铁皮包制而成的，内层与外层中间是保温材料和上中下三段冷却带，罐体由上下两部分 组成，上部分是圆柱体，下部分是圆锥体，故称为锥形发酵罐。啤酒发酵期间，当罐内温度低于给定温度时，则要求关闭冷却带的阀门，使之自然发酵升温；当罐内温度高于给定温度时，则要求接通冷却带的阀门，自动的将冷酒精打入冷却带循环使之降温，直至满足工艺要求为止。另外，在发酵过程中，还需在各段工艺中实行保压，即要求发酵罐顶部气体压力恒定，以保证发酵过程的正确进行。 2.2 系统的控制要求 1. 系统共有 10 个发酵罐，每个罐测量 5 个参数，即发酵罐的上中下三段温度、罐内上部气体的压力和管内发酵液（麦汁）的高度，共有 30 个温度测量点、 10 个压 力测量点、 10 个液位测量点。因此共需检测 50 个参数。 2. 自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按图 2-1 所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于 0.5。共有 30 个控制点。 3. 系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种工作方式。 nts 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 4. 系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改设置功能。 5. 系统具有表格、图形、曲线等现实和打印功能。 2.3 本章小结 本章主要介绍了啤酒发酵工艺及控制要求，作为标尺对本次设计起指导作用。 nts 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 第 3章 系统总体方案的设计 3.1 发酵罐测控点的分布及管线结构 本系统有 10 个发酵罐，每个发酵罐上有 5 各检测 点和 3 个控制点，其中保空上段温度 TTa、中段温度 TTb、下段温度 TTc、罐内上部气体压力 PT、液位LT、上段冷带调节阀 TVa、中段冷带调节阀 TVb、下段冷带调节阀 TVc。检测点与分布点的分布如图 3-1 所示。 图 3-1 发酵罐的测控点分布及管线图 3.2 检测装置和执行机构 检测装置中，温度检测采用 精密温度传感器 AD590；压力检测采用 TY-PB扩散硅压力变送器，输入量程 0 1MPa，输出 4 20mA；液位检测采用 TY-PB扩散硅液位变送器，输入量程（差压）为 0 1MPa，输出为 4 2mA。 1. TY-PB 扩散硅 压力变送器 选用进口扩散硅压力芯片，经过精密的补偿技术、信号处理技术。转换成标准的电流信号输出，可直接与二次仪表以及计算机控制系统连接，实现生产过程的自动检测和控制。可广泛应用于各种工业领域中的气体、液体的压力检测。 2. TY-PB 扩散硅液位变送器 选用进口扩散硅压力芯片制成，当外界液位发生变化时，压力作用在不锈钢隔离膜片上，通过隔离硅油传递到扩散硅压力敏感元件上引起电桥输出电压变nts 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 化，经过精密的补偿技术、信号处理技术、转换成标准的电流信号。该电流信号的变化正比于液位的变化。 3. 执行机构的选择 电磁阀选用 强制先导式 操作电磁阀 主要应用于 电力工业 、 石化工业 、 蒸汽锅炉装置 、 贮罐系统 、 液化汽设备 、 环保行业 、 热水控制系统 、 水处理装置 、 共暖系统 、 管道和管线设计 、 饮水净化设备和给水设备 、 仪表和机械工程 、 燃气工程等。它 操作安全性能好，更多选项、功能强大，强制先导式电磁阀的辅助提升机构直接连接于执行机构上，这 是它 控制方法的优点。阀门的操作 0bar 到最大操作压力，这种阀门可全部用于直动式阀门所应用的领域。由于辅助提升作用，相对于直动阀所用电磁线圈小而且功率低。 气动执行阀选用 W.E.Anderson 2V 系列气动执行阀 中的 2VB14000 型常开 气动执行阀 ， 结构紧凑 ,是一种组合两通球阀。其极小的制动器（执行器）容积、较短的阀门冲程结合快速发送以及积极工作（动作）使得这种阀门在推动膜片执行器的响应时间以及当作锁入和锁出装置成为了理想选择。 3.3 控制规律 啤酒发酵过程中，输入量为冷却液流量，输出量为发酵液温度，由离线辨识可知，被控对象具有大惯性和纯滞后特性，而且在不同发酵阶段特性参数变化不大，这是确定控制规律的依据。 为适应温度给定值为折线的情况，在恒温段采用增值型 PI 控制算法，在升温、降温段采用 PID 控制算法，考虑到被控对象大惯性和纯滞后的特点， 在软件设计中提供了施密斯（ Smith）预估控制算法。 3.3.1 PID 算式加特殊处理 采用增量型 PID 控制算法： ( ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u k A e k B e k C e k V（ 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 分别为 PID 调节器的比例增益、积分时间、微分时间和采样周期。 r(k)、 r(k-1)、 r(k-2)分别为第 k 个、第 k-1 个、第 k-2 个采样周期的给定温度。 (k)、 (k-1)、 (k-2)分别为第 k 个、第 k-1 个、第 k-2 个采样周期的实测温nts 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 度。 其控制系统的方框图如图 3 2 所示。 P I D H 0 ( S )G ( S ) e- sr( k )e ( k )T 0- u ( k )T 0u ( k )图 3 2 PID 温度控制系统方框图 3.3.2 Smith 补偿控制算法 史密斯 (Smith)预估补偿方法是预先估计出过程的基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使大延迟系统被延迟 的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而明显地减少超调量和加速调节过程。其控制系统原理图见图 3 3。 P I D H 0 ( S )G ( S ) e- sS m i t h 补 偿 器G ( S ) ( 1 - e- s)r( s )e ( z )T 0-U ( s )U ( z )T 0u ( s )+Y s( s ) ( s ) 图 3 3 Smith 补偿控制系统 图中 G(s)是对象除去纯滞后环节 e-s 以后的传递函数， G s (s)是 Smith 补偿器的传递函数。若系统中无 此补偿器，则由调节器输出 U(s)到被调量 (s)之间的传递函数为： ( ) / ( ) ( ) ss U s G s e （ 3 2） 上式表明，受到调节器作用之后的被调量要经过纯延迟 滞后才能返回调节器。若采用了补偿器，则调节量 U(s)与反馈到调节器的信号 (s)之间的传递函数是两个并联通道之和，即 ( ) / ( ) ( ) ( )s ss U s G s e G s （ 3 3） 为使调节器采集的信号 (s)不至延迟 ，则要求上式可表示为： ( ) / ( ) ( ) ( ) ( )s ss U s G s e G s G s （ 3 4） 从而被控对象视为带纯延迟的一阶惯性 环节， Smith 补偿的传递函数为： ( ) (1 )1 ss KG s eTS （ 3 5） 式中 K 为对象的增益； T 为对象的时间常数； 为纯延迟时间。 其相应的差分方程为： nts 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 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称为延迟周期数。 如果控制部分采用式 (3-1)的 PID 算式，那么从图 3 2 可知 ( ) ( ) ( )k se k k y k （ 3 7） 也就是说， Smith 补偿控制算式只不过是把给定温度减去采样温度与补偿器输出ys(k)之和，作为 e(k)代入 PID 算式计算增量输出。 3.3.3 啤酒发酵过程控制的数学模型分析 啤酒发酵过程中 ,忽略次要因素 ,罐内热平衡方程为 : （ 3 8） 式中 :Q1-发酵过程产生的热量 ,J/s Q2-散失的热量 , J/s M-麦汁的总质量 ,kg C-发酵罐内麦汁的比热容 ,J/(kg, C ) -发酵罐内的温度 , C 发酵罐内 反应热使麦汁温度逐渐上升 ,发酵过程也可看成是麦汁温度的储备过程 ,由 式 （ 3 8）可得发酵罐内的传递函数为 （ 3 9） 式中 : Q-使温度上升的反应热量 , J/s , Q1-Q2; Ti-为积分时间常数 ,s/C 因此罐 内反应热是一个积分传递函数 . 由以上分析可知 ,不加控制时罐内温度是积分上升的 ,而按照质量要求要 图 3-4,发酵温度控制的系统方框图 求完成整个发酵过程的反应 ,必须还要对发酵过程中麦汁的温度进行控制。发酵温度控制的系统方框图见图 3-7。在控制中要不断的检测罐内温度与设定温度nts 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 的偏差值，不断的调节冷却水的流量来带走多余的热量或者保持温升的速度。因此在温度控制中，反应温度的设定值 g 是控制过程中的输入，每隔一定的时间段检测到实际温度 是控制的输出，同时也作为闭环控制的反馈量， 经反馈调节为 f，罐内的反应热 Q1 可以看作是反应控制的干扰因素。温度设定值与反馈量的差值经过 PID 运算后，控制量 UC 在冷却水的流量上体现出来，罐内的反应热 Q1 减去冷凝水带走的热量 Q2 所剩余的热量 Q 从而是温度升高，控制系统输出罐内温度。 由于试验条件的限制 ，啤酒发酵麦汁的比热容，发酵的积分时间常数、冷却水的单位时间流量的参 数不能确定，所以下面只能定性地对温度控制系统进行分析。为了便于分析，温度系统中冷却水带走的热量 Q2、使温度上升的反应热 Q和罐内反应热 Q1 都用标么值来表示，即 Q2*， Q*和 Q1*。当罐内的反应温度 大于温度的设定值 g，需要降温是，偏差 e 为负值，冷却水流量应与 Q2*成正比，而且 Q2*Q1*,则 Q* 0 ?计 算 A , B , CI 1 = A * E K , I 2 = B * E K 1 , I 3 = C * E K 3D E L T U = I 1 - I 2 + I 3U K = D E L T U + U K 1U K U K M ?T O F F = T CT O N = 0T O F F = 0T O N = T CU K = 0U K = U K M计 算 T O N , T O F FE K 1 E K 2 , E K E K 1将 E K 1 , E K 2 , T O N , T O F F 存储 到 本 路 相 应 的 存 储 单返 回Y图 5 3 PID 计算子程序组成 SPID 流程图 5.5 定时 /计数器 T0 中断服务子程序 JT0 定时 /计数器 T0 的使用是要利用 T0 的计时功能来达到对系统运行时间的计时。在程序中将 T0 设定工作在模式 1 状态，即 T0 作为 16 位的定时器，其定时范围为 0 65ms，为计算方便，将 T0 作为 50ms 的定时器使用。 50ms 定时到，T0 申请中断。 T0 的预置的计数初值是 216-50*103/1=15535=3CAF(H)。于 是系统中的 1 秒定时是通过 20 次（ TT0=20）的 50ms 定时来实现的。 TS 为秒计时器，TM 为分钟计时器， TH 为小时计时器。 出于掉电保护的考虑，每小时到应将运行时间 TH 和本次采样周期里各检测路的控制量存储到 E2PROM24C02 中 （运行时间、三路温度、一路压力、液位）。 JT0 程序流程图见图 5 5。 T 0 中 断 服 务 程 序 J T 0保 护 现 场T T 0 - 1T 0 置 初 值1 秒 到 ( T T 0 = 0 ) ?1
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