啤酒发酵过程的微机控制

啤酒发酵过程的微机控制摘要在啤酒发酵中，温度糖度和时间三者的变化是相辅相成的。而实际上糖度的控制是由调节发酵温度来完成的。时间的控制，在一定麦汁浓度酵母数量和活性的条件下，亦取决于发酵温度。所以说目前的发酵操作中，最主要的是温度的控制。要使整个发酵过程按预定曲线进行，达到良好的产品质量，对麦汁发酵过程的温度进行控制，是十分重要的。单片机控制啤酒发酵的过程控制系统采用了集成电路温度传感器和优化采样控制，具有了较好的控制精度，稳定性和可靠性。而且由于其控制功能要通过内部的控制系统来实现，人们只要改变这些程序就可以更改系统的控制功能，以适应新的研制要求而不需要改变硬件系统。本文介绍了一种把单片机应用在啤酒发酵过程中的控制系统。具体介绍了该系统涉及的对象特性，发酵温度的测量与控制，以及该系统的软件框图设计。我们选择MCS51系列的80C31作为CPU，构成一个最小系统机。系统机的特点是开发量大，应用灵活。整个系统的硬件主要包括微处理器（80C31）和外扩存储器（27512、62256）及外扩I/O接口、译码电路、A/D转换器（AD1674JN）、D/A转换器（DAC0832）、LCD液晶显示器（ZJM12864B）、提供12V和5V的电源、44键盘、由PT100铂电阻构成的温度传感器、后向通道V/I变换电路、可调流量阀、开关阀。控制算法选用PID控制算法。关键词温度控制PID液晶显示器集成电路采样控制BEERFERMENTATIONPROCESSOFMICROCOMPUTERCONTROLABSTRACTINBEERFERMENTATION,THESUGARCONTENTANDTIMINGOFTEMPERATURECHANGESINTHETHREECOMPLEMENTEACHOTHERINFACTTHECONTROLOFSUGARFERMENTATIONBYADJUSTINGTHETEMPERATURETOCOMPLETETIMECONTROL,TOACERTAINNUMBEROFWORTCONCENTRATIONANDACTIVITYOFYEASTCONDITIONS,ALSODEPENDSONTHEFERMENTATIONTEMPERATURESOTHECURRENTOPERATIONOFTHEFERMENTATION,THEMOSTIMPORTANTONEISTEMPERATURECONTROLFERMENTATIONPROCESSTOMAKETHEWHOLECURVEASSCHEDULED,AGOODPRODUCTQUALITY,ONTHETEMPERATUREOFWORTFERMENTATIONPROCESSCONTROLISVERYIMPORTANTTHISARTICLEINTRODUCEDONEKINDTHEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITAPPLICATIONINTHEBEERFERMENTATIVEPROCESSCONTROLSYSTEMINTRODUCEDSPECIFICALLYTHISSYSTEMINVOLVESOBJECTCHARACTERISTIC,FERMENTATIONTEMPERATURESURVEYANDCONTROL,ASWELLASTHISSYSTEMSOFTWAREDIAGRAMDESIGNWECHOOSEMCS51SERIES80C31TOTAKECPU,CONSTITUTESASMALLESTSYSTEMMACHINETHESYSTEMMACHINECHARACTERISTICISDEVELOPSTHEQUANTITYTOBEBIG,THEAPPLICATIONISFLEXIBLETHEOVERALLSYSTEMHARDWAREMAINLYINCLUDESTHEMICROPROCESSOR80C31ANDOUTSIDEEXPANDSTHEMEMORY27512,62256ANDOUTSIDEEXPANDSTHEI/OCONNECTION,THEDECODINGCIRCUIT,THEA/DSWITCHAD1674JN,THED/ASWITCHDAC0832,THELCDLIQUIDCRYSTALDISPLAYZJM12864B,PROVIDES12VANDTHE5VPOWERSOURCE,THE44KEYBOARD,THETEMPERATURESENSOR,THEBACKWARDCHANNELV/ITRANSFERNETWORK,THEADJUSTABLEFLOWVALVE,THESWITCHVALVEWHICHCONSTITUTESBYTHEPT100PLATINUMRESISTANCETHECONTROLALGORITHMSELECTSTHEPIDCONTROLALGORITHMKEYWORDSTEMPERATURECONTROLPROPORTIONINTEGRATIONDIFFERENTIATIONLIQUIDCRYSTALDISPLAYINTEGRATEDCIRCUITSAMPLINGCONTROL第1章引言啤酒是以大麦和水为主要原料，大米或谷物、酒花为辅料，经制成麦芽、糖化、发酵酿造而成的低酒精度、含二氧化碳、营养丰富的饮料酒。一九七二年七月二日在墨西哥举行的第九界“国际营养食品会议”上，被正式列为营养食品。啤酒有着同人类文化同样悠久的历史，但我国的啤酒工业迄今只有百余年的历史。啤酒生产要经过许多道工艺，其中发酵是最为重要的一环。麦芽汁冷却至规定温度后，进入发酵罐，添加一定量酵母后，开始发酵作用。啤酒发酵是一项非常复杂的生化反应过程啤酒在所含酶系的作用下，在厌气的条件下，使大部分发酵性糖转变为二氧化碳和酒精，另外还有一系列的发酵副产物，如醇类、醛类、酸类、酯类、酮类和硫化物等生成。这些发酵产物决定了啤酒的风味、泡沫、色泽和稳定性等各项理化性能，使啤酒具有其独特的典型性。不同的酿造者由于采用不同的酵母菌种，不同的发酵工艺，所以生产出不同类型的啤酒，传统的发酵方法可分为上面发酵和下面发酵两种类型。下面发酵法虽出现比较完，却较上面发酵法更为盛行。目前大多数国家采用下面发酵法酿造啤酒，国内啤酒全部采用下面发酵法。啤酒的发酵可分为几个过程1发酵过程麦芽汁经冷却进入发酵罐，在此阶段自然升温到135，并保持30小时；2还原过程发酵液在24小时内从135升温到155，并保持90小时；3降温过程发酵液在72小时内从155降温到4；4储存过程发酵液在48小时内从4降温到05，并保温96小时。啤酒发酵工艺是一种批量生产工艺，是啤酒生产中最为重要的一环，发酵罐从一开始到结束，历时数周必须严格按照预定的温度控制曲线，以实现最佳发酵过程。因此发酵控制系统就尤为重要。由于发酵罐运行的数量随产量的变化而变化，各发酵罐的实际发酵情况也各不相同，因此各发酵罐可有自己的控制系统，如使用单片机组成系统，再将各分系统由上位机监控。单个发酵罐一般由罐体、罐体周围环绕的绕冷却管，及上、中、下三处三个开关阀和一个总的流量阀组成，啤酒的发酵过程是放热反应发酵液温度逐渐升高，要按照预定的温度曲线控制，只需控制冷却液的流量及开关阀的开关即可。这一简单的工作由MCS51系列单片机组成的系统足可以完成。本次设计即采用MCS51系列单片机组成的系统对啤酒的发酵过程进行控制。第2章系统控制方案的确定啤酒发酵过程中，温度是主要参数。系统所采用的控制方法，就是根据发酵液的温度来控制流量阀冷媒的输入量及三个开关阀的开关。其中调节系统是由微型计算机组成。当温度控制达到一定精度时，其它的参数如压力、液位等可以忽略不予考虑。本次设计即采用MCS51系列单片机组成的系统对啤酒的发酵过程进行控制。由温度传感器采温，经A/D转换进入80C31，相应算法求偏移量，由D/A转换送出，经V/I变换成010MA信号控制流量阀，调节冷媒流量以达到控温目的。发酵过程特性辩识为了使微型计算机控制的发酵过程满足工艺要求，需要了解被控制对象冷却液对发酵温度调节的动态特性建立控制对象的数学模型。这是一件比较困难的事情。因为所谓测验特性是靠控制外作用去侦知对象内部的变化过程，由于不允许破坏生产，以免影响企业的经济效益，故不能加入人为扰动典型特征来获得满度变化特性数据，因而采用微机控制运行的条件下，由微机本身采集被控过程的输入量输出量（冷媒调节量和温度变化），然后，离线回归辩识。控制系统的总体设计考虑根据发酵工艺要求和控制对象大惯性、温度调节精度和速度变化、硬件系统的可靠性、软件系统的可靠性及保持可编程多功能和灵活性等要求和特点，总体方案要求包括以下几个方面的方针测定和建立数学模型；选择检测和调节仪表方案；确定控制规律；确定微机硬件配置和工作方式；应用软件的功能和驱动方式。分述如下1测定和建立数学模型。决定对测定对象动态特性和辩识算法进行模拟研究，在此基础上确定了用采集正常生产运行数据，并用最小二乘法进行回归建立对象的数学模型。实验已证明，我们对建立对象的数学模型过程的大惯性、大滞后性质的预估是正确的，但其中不同发酵阶段的参数有很大变化是逐渐认识的。2检测与调节。对上百立方米这样的一个大容器，又无搅拌的系统，我们采用多点测温取平均值的方法，即分上、中、下三部，上部和下部分三点，中部两点。调节部分采用一个总的流量阀，上、中、下各采用一个开关阀。由微机控制总的流量和各阀的开关。3控制规律。对于一般温度惯性对象，由PID调节器构成闭环单回路系统，用离散化PID值直接控制就可以了。不过为适应不同工艺阶段给定值是变化的温度曲线（折线）这个情况，采用恒温段采用PID调节等不同控制措施。为了适应大惯性、大滞对象的特点，在软件设计中还提供了补偿的SMITH预估补偿以及比较著名的达林算法。4系统的硬件设计。微机选型要兼顾性能、可靠性、与外围接口设备的连接、功耗、价格等多方面因素。我们采用MCS51系列的80C31作为CPU并配以相应的外围电路。5软件设计。软件设计采用模块化程序，各种功能作成子程序，如键盘、显示、PID调节、报警等，供主程序调用。第3章系统数学模型的建立及控制算法的确定啤酒发酵的周期为15天左右，温度变化缓慢，是一个大滞后、大惯性的控制对象，对发酵液的温度控制精度要求在015的范围内。要使控制系统达到理想的效果，适当的选择控制算法是非常重要的。通常的数字调节器都利用常规的PID算法，即根据下式来编制调节程序。式中E为给定值与实际值的偏差；KP为调节器放大被数；TD为微分时间；TI为积分时间。由于发酵罐的容积比较大，每次投料很多，冷却液又不能与发酵液直接接触，100TIPDTTEEKP只在发酵罐周围的环管中循环，这样一来系统反应速度很慢，滞后时间较长，时间常数较大，常常会使调节出现超调或震荡。图31示出阶跃信号作用下系统的反应曲线。对于此类含纯滞后的控制对象采用PID算法或史密斯补偿算法能收到良好的效阶跃信号图31阶跃信号作用下系统反应曲线由于发酵罐的时间常数大，将其闭环调节系统用一个一阶惯性环节加一个延时环节来进行。对于计算机控制必须把连续形式化成离散形式，而且为了防止计算机运算输出饱和值，通常采用增量输出离散算法。式中TC为采样周期，本系统为10秒。还可以变换下面的增量方程式中UIK第K个周期采样温度值；U0K第K个周期的给定温度值。初值QK10,EK1010KUKEBCQAKPKPICDPCDPCDIPTKCBTA21我们根据被控对象的特点，采取以下的方法结合到PID算法之中1在保温阶段，给定U0（K）保持不变，采用PI调节。2在升温和降温阶段，采用PID调节。3为了减少滞后的影响，在给定温度曲线发生折点变化时，应在拐点之前提前开阀或关阀。这就是拐点处理，其目的是为了使温度发生转折变化时过度自然。4对增量输出和阀位输出进行限幅处理。前面已提到了采用SMITH补偿算法，我们把被控对象视为具有纯滞后的惯性环节这是它的传递函数。式中K0为对象的放大倍数；T为对象的时间常数；为纯滞后时间。SMITH补偿环节的传递函数为化为微分方程形式为再化为差分方程形式为也可以改写为式中K0，1，2；TC为采样周期时间；C为滞后周期数；C。由于在主控部分采用PID控制算法，其算法在前面给出，可知又有0TPKTYDTTSS1100KTEYEKYTSTCSCCSSPEKEGS10SESDSY101110KPEKKYEKTSTSCC1KBEKQKQAEP00KYUKYUSISI而YSK可以由SMITH差分方程推出式中由此可见，SMITH补偿控制算法只不过是采样温度减去给定温度，再加上一个YSK值作为补偿值，再把这个值作为UK送入PID算式中计算增量输出。因而，可以把上述两种算法合成一个程序。只要在开始入口处用不同地址选择其中的一种算法即可第4章控制系统硬件设计及分析本次设计是为了实现啤酒发酵过程的自动控制，对次过程来说，要求处理精度高、速度快，结合前面叙述的控制方案、控制算法及兼顾性能、价格的综合研究，我们选择MCS51系列的80C31作为CPU，构成一个最小系统机。系统机的特点是开发量大，应用灵活。整个系统的硬件主要包括微处理器（80C31）和外扩存储器（27512、62256）及外扩I/O接口、译码电路、A/D转换器（AD1674JN）、D/A转换器（DAC0832）、LCD液晶显示器（ZJM12864B）、提供12V和5V的电源、44键盘、由PT100铂电阻构成的温度传感器、后向通道V/I变换电路、可调流量阀、开关阀。41微处理器和外部存储器扩展411微处理器80C31（CPU）微处理器（CPU）是控制系统的核心。我们选择MCS51系列的80C31作为CPU。80C31是CMOS工艺的芯片，功耗较小，价格便宜。80C31与51系列基本型完全兼容。片内有一个8位的处理器；片内震荡器；128字节的用户RAM，21个字节的专用寄存器；4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3）；1个全双工的串行I/O口；2个16位定时/计数器（T0、T1），111LKPPKFYSSTCETCEKH0CT5个中断源，2级中断优先权。80C31的供电电压可在5V20范围内。它有两种掉电工作方式一种是CPU停止工作，其它部分继续工作；一种是除片内RAM继续保持数据外，其它部分都停止工作。双列直插封装（DIP）方式的80C31共有40个引脚，图41是它的引脚分布，其按功能可分为三部分图4180C31管脚图1I/O口线P0、P1、P2、P3P0口的每一位都由一个多路转换开关MUX控制。即P0是一个多功能口。当单片机需要扩展片外程序存储器或数据存储器时，P0口各位用来输出片外存储器地址的低8位A0A7以及输入或输出数据D0D7。P0口一般都是用作地址/数据复用总线，它是双向口。本次设计也是如此使用。P1口是一个普通的单功能口，只能用来作普通的I/O口。可以按位设置成输入或输出。本次设计用P1口来控制多路开关、冷却开关阀及报警电路。P2口的每一位也都由一个多路转换开关MUX控制。它是一个双功能口。当扩展片外程序存储器时，P2作为地址总线，输出地址高8位A8A15；当扩展片外数据存储器时，可以输出锁存器的值作为地址高8位A8A15，也可以输出DPH的值作为地址高8位A8A15。P3口也是双功能口，除了作为普通I/O口之外，它还具有第二功能。作为第二功能时，P3口8条线有特殊用途P30第二功能为RDX串行输入；P31第二功能为TDX串行输出；P32第二功能为INT0外部中断0输入；P33第二功能为INT1外部中断1输入；P34第二功能为T0定时/计数器0输入；P35第二功能为T1定时/计数器0输入；P36第二功能为WR片外数据存储器写选通；P37第二功能为RD片外数据存储器读选通；本次设计我们用到P3口的第二功能。80C31的串行口在P30和P31，它要用于与上位机进行通讯。2控制口线PSEN（29）片外取指控制。此引脚输出的是外部程序存储器的读选通信号。ALE（30）地址锁存控制。当访问外部存储器时，ALE的输出用于锁存地址的低位字节。EA（31）片外程序存储器选择。当EA保持低电平时，访问片外程序存储器。因为我们用的80C31片内没有程序存储器，必须进行外部扩展，因此，将EA引脚直接接地。RESET（9）复位控制。在此引脚保持两个机器周期的高电平，CPU将执行复位操作，恢复初始状态。我们将此引脚与“看门狗”相连。3电源及时钟VCC（40）、VSS（20）这两个引脚为处理器提供电源。其中VCC接5V，VSS接地。XTAL1（19）、XTAL2（18）这两个引脚用于引进外部震荡源，来给处理器提供基准时钟信号。我们采用外接12M晶体震荡器。412外部存储器存储器是计算机不可缺少的部分，它担负着计算机程序和数据的存储的重任。有了存储器计算机才能脱离人的直接干预，自动的完成工作。存储器的容量越大，存储的信息就越多，计算功能就越强。1外部程序存储器在MCS51系列单片机应用系统扩展中，程序存储器的扩展应用是最多的，扩展方法也比较简单。外部程序存储器根据烧写方法的不同可以分为掩膜式的（PROM）、光可擦的（EPROM）和电可擦的（EEPROM）。我们选用INTER公司的27系列的27512芯片，它的存储器空间达到了64K字节。外部程序存储器和外部数据存储器是分别独立编址的，因此外部程序存储器有自己独立的地址编号（0000HFFFFH）。外部程序存储器内指令的读取由PSEN引脚的信号控制，使用MOVC指令。外部程序存储器和外部数据存储器共同使用地址总线和数据总线。MCS51系列单片机访问外部程序存储器的操作时序分两种情况，即不执行MOVX指令和执行MOVX指令。在执行MOVX指令时，P0口作为地址线，专门用于输出程序存储器的低8位地址PCL。P2口专门用于输出程序存储器的高8位地址PCH。P2口具有输出锁存功能，而P0口除输出地址数据外，还要输出指令，故要用ALE来锁存P0口输出的地址数据PCL，在每个机器周期中允许地址锁存器两次有效，在下降沿时锁存器出现P0口上的低8位地址PCL。同时PSEN也是每个机器周期中两次有效，用于选通外部程序存储器，使指令读入片内。当应用系统中接有外部数据存储器时，在执行MOVX指令时，程序存储器的操作有变化，其主要原因是在执行MOVX指令时，16位地址应指向数据存储器。在指令输入以前，P2口、P0口输出的地址PCH、PCL指向程序存储器。在指令输入并判断是MOVX指令后，在该机器周期S5状态中ALE锁存的P0口的地址数据则不是存储器的低8位，而是数据存储器的地址。若执行的是MOVXA，DPTR/MOVXDPTR，A指令，则此地址就是DPL（数据指针的低8位），同时，在P2口上出现的是DPH（数据指针的高8位）。若执行的是MOVXA，RI/MOVXRI，A指令时，此地址就是RI的内容，而P2口提供的是指向数据存储器高8位P2口内锁存器的内容，实际上就是下一条指令的高8位地址。在同一机器周期中将不再出现PSEN有效取指信号，下一个机器周期中ALE的有效信号也不复出现，而当RD/WD有效时，P0口将读/写数据存储器中的数据。P0口将出现有效的输入数据或输出数据。只有执行MOVX指令时，第二个机器周期间地址总线才由数据数据存储器使用。我们选用INTER公司的27系列的27512芯片，是64K8位的紫外线擦除、电可编程只读存储器，单一5V供电，工作电流最大125MA维持电流40MA，读出时间最大为250NS。其CS引脚为片选线，本次设计直接接地；OE引脚是数据选通线，与80C31的PSEN相连，A0A15为地址线；O0O7为数据输出线。具体引脚分布见图42。2外部数据存储器虽然MCS51系列片内有128字节的RAM，但一般情况这是不够的，需要扩数据数据存储器。外部数据数据存储器与外部程序存储器的地址编号是完全重叠的，都是0000HFFFFH，所以它们的地址和数据总线可以共用。虽然地址重叠，但它们采用不同的控制信号，所以不会冲突。可是外部数据数据存储器却是和I/O口及外围设备是统一编址的，任何I/O口及外围设备均要占用外部数据数据存储器的地址空间。本次设计扩展的外部数据数据存储器，我们选用常用的SRAM芯片62256，它采用单一5V供电。其中CE引脚为片选信号输入线，低电平有效；OE引脚为读选通信号输入线，低电平有效；WE为写允许信号输入线，低电平有效；A0A14为地址输入线；D0D7为双向三态数据线。具体引脚分布见图43。图4227512管脚图图4362256管脚图413锁存器由于MCS51单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行外部程序存储器扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。通常，地址锁存器可以使用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373或8282，可以使用带清除端的八D锁存图4474LS373管脚图器74LS273，它们的地址锁存信号都是ALE。我们选用的是74LS373。其引脚如图44所示。74LS373是带三态缓冲输出的八D锁存器。当三态门的使能信号线OE为低电平时，三态门处于导通状态，允许Q1Q8输出；当三态门的使能信号线OE为高电平时，三态门处于断开状态，输出端对外呈现高阻状态。因此，74LS373用作地址锁存器时，应首先使三态门的使能信号线OE为低电平。42外部I/O口的扩展在MCS51的应用系统中，单片机本身提供给用户使用的输入、输出口线并不多，只有P1口和部分P3口。因此，在大部分MCS51单片机应用系统设计中都不可避免的要进行I/O口的扩展。我们的系统亦如此。由于MCS51的外部数据存储器是和I/O口及外围设备是统一编址的，因此，我们可以把外部64K字节的数据存储器RAM空间的一部分作为扩展外围I/O口的地址空间。这样一来单片机就可以像访问外部RAM存储器那样访问外部接口芯片，对其进行读/写操作。在实际的应用系统中，我们把所有的外围芯片都通过总线与单片机相连。如何使单片机数据总线分时的与各外围芯片进行数据传送而不发生冲突，这是我们需要解决的一个问题。MCS51单片机的数据存储器和程序存储器地址可以重叠使用，因此数据存储器和程序存储器之间不会因为地址重叠而产生数据冲突问题。但I/O口外围设备是和数据存储器统一编址的，它不仅占用数据存储器地址单元，而且使用数据存储器的读写控制指令与读写指令，这就使得在系统的硬件设计中，单片机数据存储器与外围I/O接口芯片的地址译码较为复杂。为了唯一的选中外部某一存储单元（I/O接口芯片已作为数据存储器的一部分），必须进行两种选择一是必须选出该存储器芯片或I/O接口芯，称为片选；二是必须选择出该芯片的某一存储单元或I/O接口芯片中的寄存器，称为字选。常用的选址方法有线选法和全地址译码法。线选法适用于扩展少量的RAM和I/O接口芯片，它是把单独的地址线（通常是P2口的某一根线）接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。全地址译码法就是将低位地址线作为芯片的片内地址（取外部电路中最大的地址线位数），用译码器对高位地址线进行译码，译出的信号作为片选线，一般采用74LS138作为地址译码器。本次设计我们也采用全地址译码的方法，但地址译码器我们采用的是一个可编程的逻辑器件GAL16V8B。它是一种可以用不同的程序来实现不同功能的逻辑器件。我们在本次设计中用它来实现74LS138的译码功能。采用这种器件可以方便日后对系统修改。GAL16V8B芯片如图45所示。其实现74LS138译码器功能的具体程序如下MODULEYIMAQITITLEYIMAQIU3DEVICEGAL16V8BA,B,C,DPIN9,8,7,6E,F,G,HPIN5,4,3,2I,J,K,LPIN19,18,17,16M,N,O,PPIN15,14,13,12TRUTH_TABLEH,G,F,E,D,C,B,AI,J,K,L,M,N,O,P1,X,X,X,X,X,X,X1,1,1,1,1,1,1,0图45GAL16V8B管脚图0,1,0,1,X,X,X,X1,1,1,1,1,1,0,10,1,0,0,X,X,X,X1,1,1,1,1,0,1,10,1,1,0,X,X,X,X1,1,1,1,0,1,1,10,0,1,0,X,X,X,X1,1,1,0,1,1,1,1ENDYIMAQI各外部芯片的地址分配如下622568000HFFFFHDS128875000H5FFFHAD1674JN4000H4FFFHDAC08326000H6FFFH81552000H2FFFH图468155管脚图43人机通道配置在我们的系统中需要有人机对话功能，来实现我们对系统在必要情况下的干预和系统向我们报告运行状态及运行结果。我们的系统采用8155外扩接口芯片带一个44键盘和一块LCD液晶显示器（ZJM12864B）。431接口芯片81558155是INTER公司生产的可编程的输入输出接口芯片。它包含有256字节的RAM，2个8位、1个6位的可编程并行I/O口和1个14位定时/计数器及控制逻辑电路。各部件和存储器地址的选择由IO/M引脚的信号决定。我们的系统将其接到80C31的P20引脚上。8155的工作方式由CPU写入8155的控制命令寄存器的控制字来决定。我们的系统只是使用8155的I/O口扩展。使PA口、PB口为输出线，PC口为输入线，控制字写入03H即可。8155的引脚如图46所示。432键盘键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，我们用它来来实现我们对系统在必要情况下的干预。键盘的种类很多，我们采用44的矩阵式键盘。行线接8155的PA7PA4，列线接PC0PC3，采用列扫描方式编程。433LCD液晶显示器LCD液晶显示器是一种低功耗的显示器。我们选用的是吉林紫晶公司的液晶显示模块ZJM12864B。ZJM12864B是一低功耗的点阵图形式LCD模块。显示格式为128点（列）64点（行）；显示类型为STN黄绿模式、半反半透、600视角、正向显示；驱动方式1/64占空比；易与8位的CPU相连；多功能指令；加电自动复位；控制芯片为KS0107B、KS0108B；EL背光源电压AC110V、400HZ；工作电压50V05V。ZJM12864B的引脚功能如表41所示。表41ZJM12864B的引脚功能引脚号符号电平功能1VSS0地2VDD50V逻辑电压3VOLCD驱动电压调节4RSH/LH数据输入L指令输入5R/WH/LH数据读出L数据写入6EH、HL使能信号7DB0H/L8DB1H/L9DB2H/L10DB3H/L11DB4H/L12DB5H/L13DB6H/L数据总线14DB7H/L15CS1L片选信号116CS2L片选信号217RSTL复位信号18VEE10V输出端19NC20NCZJM12864的时序特性如表42所示表42ZJM12864的时序特性特性符号最小值最大值单位E信号周期TC1000NSE高电平宽度TWH450NSE低电平宽度TWL450NSE上升时间TR25NSE下降时间TF25NS地址建立时间TASU140NS地址保持时间TAH10NS数据建立时间TSU200NS数据延迟时间TD320NS数据保持时间1TDHW10NS数据保持时间2TDHR20NS图47ZJM12864B可以方便的和80C31CPU相连接。在我们的系统中，将ZJM12864B与8155相连接，如图48所示。PBPA0PA1PA2PA3D0D7RSR/WERST8155ZJM12864AVDDVSSV0VEE6V1M2MK12U图48ZJM12864B与8155相连图44前向通道配置当单片机用作测控系统时，系统中总要有被测信号的输入通道，由计算机提取必要的信息。被控对象的状态由传感器采集，但传感器采集的信号如温度、压220101TCBTART力、流量、速度等是连续变化的模拟量，而单片机只能处理数字量，只有将这些模拟量转换成离散的数字量才能输入到单片机中进行处理，这份工作要由A/D转换器来完成。但A/D转换器只能接受电信号，如果传感器输出的是非电信号，还要有专门的电路将非电信号转换成电信号。整个这部分称为前向通道。我们系统的前向通道包括PT100热电阻传感器及配套电路、A/D转换器AD1674JN、多路开关CD4051。441PT100热电阻传感器1热电阻工作原理热电阻是利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的原理制成的，这种现象称为热电阻效应。利用材料的这种特性而制成的热电阻传感器有金属热电阻传感器和热敏电阻传感器两大类。金属热电阻传感器测温范围在200600，它大多由纯金属材料制成，最常用有铂和铜。因为铂易于提纯，物理化学性质稳定，易于加工，而且精度高，稳定性好，性能可靠，所以在中、低温测量中得到广泛应用。铂热电阻与温度的关系接近于线性，在0600范围内可以用下式表示在1900范围内则用下式表示式中RT是温度为T时铂电阻的电阻值；R0是温度为0时铂电阻的电阻值；A、B、C为常数，由实验求的，其中由此可见，当R0值不同时，在同样的温度下RT值不同。目前国内同统一设计的一般工业用标准铂电阻R0值有100和10两种。我们选用的PT100热电阻传感器属于前一种。2测量电路2TTCCBA0303/124875/96电阻温度传感器阻值的变化R是用电桥来测量的，常用的是三线四分之一电桥电路。如原理图所示，当被测温度变化时，铂热电阻的电阻值发生变化，导致电桥失去平衡，电桥的输出端将有电压差产生，此电压差经阻容滤波后送到OP07运算放大器进行放大，然后送到第二级放大器LM308进行放大，其输出为05V，送入A/D转换器。运算放大器OP07的温度漂移小于06MV/，LM308的温度漂移小于5MV/，它们可以提高传感器精度，减小系统温度漂移。为了提高传感器的稳定性，我们将与PT100相邻的一臂采用精密的绕线电阻。为了加大工作电流引起的PT本身温升引起的误差，我们增加了两个25K电阻。442A/D转换器传感器采集的信号如温度、压力、流量、速度等是连续变化的模拟量，而单片机只能处理数字量，只有将这些模拟量转换成离散的数字量才能输入到单片机中进行处理，这需要由A/D转换器来完成这项任务。我们选用的A/D转换器AD1674JN是美国模拟器件公司生产的12位逐次逼近型快速A/D转换器。它是AD574/AD674的换代产品，与AD574/AD674的芯片引脚、应用特性及诸方面的功能完全兼容。AD1674的转换速度仅为10S，比AD674还要快。AD1674的一个非常突出的优点是芯片内自带采样保持器，可以直接与被转换的模拟信号相连接。与AD574/AD674一样，AD1674片内也包含高精度的参考电压和时钟电路，不需要外接任何电路和时钟信号就能完成任务。AD1674的引脚如图49所示。AD1674的基本特点和参数如下带有内部采样保持的完全12位逐次逼近（SAR）型模/数转换器,采样频率为100KHZ,转换时间为10S,具有1/2LSB的积分非线性（INL）以及12位无漏码的差分非线性（DNL）,满量程校准误差为0125内有10V基准电源，也可使用外部基准源,四种单极或双极电压输入范围分别为5V，10V，0V10V和0V20V,数据可并行输出，采用8/12位可选微处理器总线接口,图49AD1674JN管脚图内部带有防静电保护装置（ESD），采用双电源供电，采用28脚密封陶瓷DIP或SOIC封装形式。CE1，CS0同时满足时，AD1674才能处于工作状态。当AD1674处于工作状态时，R/C0时启动A/D转换；R/C1时进行数据读出。12/8和A0端用来控制转换字长和数据格式。A00时启动A/D转换，则按完整的12位A/D转换方式工作，如果按A01启动A/D转换，则按8位A/D转换方式工作。当AD1674处于数据读出工作状态（R/C1）时，A0和12/8成为数据输出格式控制端。12/81，对应12位并行输出；12/80则对应8位双字节输出。其中A00时输出高8位，A01时输出低4位，并以4个0补足尾随的4位。通过改变AD1674引脚REFOUT（8）、REFIN（10）、BIPOFF（12）的外电路，可使AD1674进行单极性和双极性模拟信号的转换。443多路开关多路开关是数据选择器的别称。多路开关的作用主要是用于信号的切换，在某一时刻接通某一路，让该路信号输入，而让其他路断开，从而达到信号切换的目的。我们的系统有八路温度信号输入，因此需用选用多路开关。我们选择的是CMOS工艺的八通道多路开关CD4015。它由逻辑电平转换电路、地址译码电路、开关通道三部分组成开关接通哪一通道由输入的3位地址码ABC来决定。其地址控制信号由80C31提供。CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。CD4051的引脚分布如图410所示。NH为禁止端，当INH为高电平时，八通道全部不通。当INH为低电平0时4051开始工作，当ABC0时,0脚输出为1；当AB0，图410CD4051管脚图C1时，1脚输出1当AC0，B1时，2脚输出为1；按8421码排列直到ABC1时，7脚输出为一。表43为地址译码电路的真值表。表43地址译码电路的真值表地址输入通道INHA2A1A0SI10000S00001S10010S20011S30100S40101S50110S60111S745后向通道配置在工业控制系统中，CPU实现控制运算处理后，要对控制对象实现控制操作，控制执行器完成任务。但单片机输出的都是离散的数字量，需要将离散的数字量转换成连续的模拟量，这一任务由D/A转换器来完成。我们的系统要求最后输出010MA的电流信号来控制流量阀，虽然D/A转换器输出为电流信号但功率特别小，不足以推动执行器，这就需要有相应的变换电路和功率放大电路。451D/A转换器微处理器处理后的数据需要使用D/A转换器及相应的接口将数字量变换成模拟量送出在我们的控制系统中，选用8位分辨率的D/A转换集成芯片DAC0832。DAC0832是最早和微处理器兼容的、双缓冲的D/A转换器之一。它的20引脚DIP封装具有很好的兼容性，当我们的系统的分辨率和精度需要提高时，用DAC1230系列很容易代替。只需将80C31的A0地址线与I引脚相连，即可实现12位的D/A转换。DAC0832大家非常熟悉，它与51系列单片机有两种基本的接口方法，即单缓冲器方式和双缓冲器同步方式。我们的控制系统采用单缓冲器方式，接成电压输出型8位DAC。DAC0832的IOUT1、IOUT2引脚输出的电流送入集成运算放大器UA741，从UA741的第6脚输出单极性模拟电压。此模拟电压为式中D为80C31通过P0口输出的数字量；VREF为基准电压，它由12V经分压后获得，因此输出电压为正值。输出电压的大小可以通过改变基准电压大小的方法调整，我们使基准电压为5V，因此输出电压可在05V之间改变。UA741的输出可由电位器W4调零。UA741输出的05V电压再经过两级集成运算放大器LM358和晶体三极管，最终变换成可以接执行器的010MA信号。452执行器我们的啤酒发酵系统是控制冷却液的流量，最终来达到控温的目的。执行器我们分为两个部分，一是由DA转换器控制的流量阀，一是由80C31口线直接控制的电磁阀。由DA转换器控制的流量阀用与控制冷却液进出总的流量，流量可调。电磁阀分别放置在发酵罐的上、中、下三处，分别控制上、中、下三处冷却蛇管的开关。这三个阀由80C31的P13、P14、P15口经晶体三极管放大来控制。阀门的具体选择要根据冷却蛇管的口径及最大要求流量来确定。256REFOUTDV46系统电源及其它外围芯片461系统电源我们的控制系统中的80C31、A/D转换电路、D/A转换电路、键盘显示、存储器芯片等都需要有稳定的直流电源供电才能正常工作。系统中需要12V和5V电源，我们采用串联型的集成稳压器来实现。采用集成稳压器外接元件少，使用方便，安全可靠，精度、稳定性高，噪声小。首先220V市电经过一个双18V变压器和二极管整流桥输出，两路输出分别进入三端固定正电压稳压器MC7812K和三端固定负电压稳压器MC7912K，由这两个电压稳压器输出就是我们需要12V电源，再将12电压经过正电压稳压器MC7805T，就得到了5V电源。MC7812K、MC7912K、MC7805T如图411所示图411电压稳压器462实时时钟芯片DS12887我们利用DS12887的时钟信息，配合液晶显示器来显示年、月、日、时、分、秒。另外，DS12887最重要的作用是用它来实现长时间定时，我们的系统需要定时几十小时，仅用单片机很难实现，我们利用DS12887的小时报警功能就能容易的完成任务。463系统监控集成电路我们选用的MAX705是美国MAXIM公司推出的单片机系统监控集成电路。它具有系统复位、备份电池切换、“看门狗”定时输出、电源电压监测等多种功能，价格低廉，性能价格比较高。我们主要用到“看门狗”定时输出、电源电压监测。一旦因干扰发生程序跑飞，WDO由高变低，通过微分电路在“与非”门2号引脚产生一个由高到低的信号，然后由于电容被充电而使“与非”门2号引脚又变为高电平。2号引脚的电平的这种变化使“与非”门输出一个正脉冲，使单片机发生一次复位。复位后，又程序控制向WDI引脚发正脉冲，使WDO回到高电平，“看门狗”从“0”开始计时，“看门狗”继续监视程序运行。电源电压监测功能主要对主电源VCC进行监控。当VCC低于465V时，RESET引脚输出为低电平。当VCC高于465V时，RESET引脚先保持200MS低电平，然后上升为高电平。当“看门狗”在16S之内不被触发时，会使WDO引脚变为低电平。如果对MAX705触发，WDO引脚又变为高电平。按原理图，当VCC低于465V时，单片机不工作；当VCC高于465V时，单片机执行一次复位操作。第5章软件设计软件设计采用模块化程序，各种功能作成子程序，供主程序调用。首先通过T0产生中断，作为本系统的采样周期。在中断程序中实现采样、数字滤波、标度变换、上限报警、PID算法、送控制量。我们用外部中断INT1来实现啤酒发酵的阶段定时。51主程序模块NY图51主程序52T0中断程序设置堆栈指针8155初始化DS12887初始化T0初始化T0、INT1、中断开液晶显示开始有无按键键关中断进程序开始返回NYYN图52TO中断程序结论啤酒发酵温度控制系统，是根据本次毕业设计的要求设计的，它涉及微处理器、各种检测元件、转换元件、执行器、接口电路的知识，同时又包括了控制算法及数学仿真。通过本次毕业设计，使我的专业知识得到了巩固，是否到10秒采温数字滤波标度转换温度显示PID算法D/A转换是否超限阀全开报警开中断开阔眼界。在设计中得到了李霄燕等多位老师的帮助和指导，在此向他们表示深深的感谢。同时由于我设计水平有限，在某些方面考虑不周，希望各位老师批评指正，我深表感谢。参考文献1冯博琴,吴宁，陈文革，程向前单片机计算机原理20072罗云林，顾德英，马淑华计算机控制技术第二版北京邮电大学出版社3阎石数字电子技术基础第四版高等教育出版社4慰孙,俞金寿过程控制工程第三版电子工业出版社20075森，黄杭美，阮智利自动检测与转换技术机械工业出版社20066李霄燕自动控制原理吉林科学出版社7RUMELHARTDE,MCCLELLANDJLPARALLELDISTRIBUTEDPROCESSINGEXPLORATIONSINTHEMICROSTRUCTUREOFCOGNITIONMCAMBRIDGE,MAMITPRESS,19868NARENDRAKS,PARTHASARATHYKIDENTIFICATIONANDCONTROLOFDYNAMICALSYSTEMSUSINGNEURALNETWORKSJIEEETRANSONNEURALNETWORKS,1990附录主程序清单ORG0000HSJMPMAINORG000BHSJMPKONGZHIORG0013HSJMPDINGSMAINMOVSP,60H设置堆栈MOVA,03H初始化8155MOVDPTR,2100HMOVXDPTR,AMOVDPTR,5005H初始化DS12887MOVA,0FFHMOVXDPTR,ACLRPSW3CLRPSW4MOVR2,0C8HT0初始化MOVTMOD,01HMOVTL0,0B0HMOVTH0,3CHSETBTR0MOVIP02HSETBEASETBET0SETBEX1MAIN1ACALLLCDACALLKEYCJNE8DH,10H,MAIN1SJMPMAINSJMPMAIN1T0中断程序清单KONGZHIMOVIE,00HMOVTL0,0B0HMOVTH0,3CHDJNZR2,FANHUIACALLCAIWENACALLBIANHUANCJNE7CH，7DH，QUANJCQUANACALLLCDACALLPIDMOVDPTR,6000HMOVA,MOVXDPTR,AFANHUISETBEASETBET0SETBTR0RETICAIWENSETBPSW3CLRPSW4MOVR0,30HCLRP10000CLRP11CLRP12ACALLADACALLINTFSETBP10001CLRP11CLRP12ACALLADACALLINTFCLRP10010SETBP11CLRP12ACALLADACALLINTFCLRP10011SETBP11SETBP12ACALLADACALLINTFSETBP10100CLRP11CLRP12ACALLADACALLINTFSETBP10101CLRP11SETBP12ACALLADACALLINTFSETBP10110SETBP11CLRP12ACALLADACALLINTFSETBP10111SETBP11SETBP12ACALLAD定点转浮点ACALLINTFACALLFAVG取平均值RETADMOVDPTR,4000HAD转换MOVXA,DPTRMOVR0,AINCR0INCDPTRMOVXA,DPTRANLA,0F0HMOVR0,ARETQUANSETBP17SETBP13SETBP14SETBP15SIMPFANHUI数字滤波程序清单INTFMOVR6,16定点到浮点,阶为16SETBCCLRF0LCALLFSDTMOVA,R6MOVC,3CHMOVACC7,CMOVR4,ALCALLFSTRRETFSDTJCFS2规格化MOVC,39HJBF0,FS1MOVA,R2RRCAMOVR2,AMOVA,R3RRCAMOVR3,AINCR6RETFS1MOVA,R4RRCAMOVR4,AMOVA,R5RRCAMOVR5,AINCR7RETFS2MOVA,R2JNZFS4CJNER3,0,FS5MOVR6,41HFS3RETFS4JBACC7,FS3FS5MOVC,F0