基于单片机的啤酒发酵温度控制系统设计

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。系统硬件设计及工作原理本系统主要由单片机、温度采集与转换电路、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、电压放大和转换等单元组成。控制系统硬件组成框图如图所示。温度传感器信号和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

2、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微处理器系统单片机为主控制器件。是公司生产的低功耗、高性能位单片机，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，然后进行控制并计算出相应的控制数据量，将控制数据量输出到转换器。还负责按键处理、液晶显示以及与上位机进行通信等工作。本系统采用芯片来扩展键盘和液晶显示，用实现标准接口通信电路。键盘主要负责温度控制范围和控制参数的输入；液晶显示器采用液晶显示模块，把温度控制结果显示在液晶屏上。数据采集电路的工作原理温

3、度传感器使用集成温度传感器，它的灵敏度为，即温度为时，输出电压为。常温下测温精度为以内，消耗电流最大也只有。本文采用双电源供电方式，电路简单，不需要对的输出进行调整。将的输出电压放大倍（注：根据发酵温度的变化范围和温度传感器的灵敏度，将电压放大器的电压放大倍数整定为倍），使放大器输出电压限制在不大于的范围（给定温度对应值要在范围之内），以便与单片机的电平相匹配。放大电路采用集成运放组成，如等。由于温度信号为缓慢变化的信号，对转换速度要求不高，可选用价廉的集成芯片。将经过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。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

4、警。蜂鸣器报警电路由晶体管和蜂鸣器组成。由单片机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。驱动电路输出的的电压经过放大器放大为的电压。由于型电动角形阀的控制信号是直流电流信号，因此需要将电压信号转换成相应的电流信号。转换电路使用集成电路。型电动角形阀以单相交流电源为动力，接受直流信号，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。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、数据处理、按键处理、温度采样与转换、数字滤波、越限

5、报警等子程序。本文重点介绍主程序流程图和数据处理模块。主程序控制系统主程序的流程图如图所示。本系统利用定时循环轮流对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（）绝对值的设定值、D控制的系数、和等参数。数据处理模块本温控系统采用的数字算法由软件实现，增量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

6、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算法进行改进。当偏差（）绝对值较大时，暂时取消积分作用；当偏差（）绝对值小于某一设定值时，才将积分作用投入。）当（）时，用控制。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（）（）!（）（）（） （）式中：（）（）（）为第时刻所得偏差信号，是给定值，是实际输出值；为比例增益，为积分系数，为微分系数。则增量式控制算法为（）（）（）（）（）（）（） （）当（）时，用控制。由于偏差大，说明系统温度远离设定值，应快速降温，采用控制，可以提高系统的动态响应速度，避免产生过大的

7、超调，减小动态误差。数据处理程序流程图如图所示。抗干扰措施与实际测试结果控制系统的抗干扰措施在硬件方面的抗干扰措施有：在电源输入端设置低通滤波器，滤去高次谐波成份。在温度传感器两端，以及其它地方使用压敏电阻器，吸收不同极性的过电压。在运行现场进行电磁干扰试验，对试验结果进行概率统计分析，并通过精心选择元器件、采用抗干扰技术使干扰源产生的电磁干扰降至最小。采用了中的看门狗定时器，提高系统硬件抗干扰的能力。在软件方面的抗干扰措施有：在程序设计时，将各程序模块分区存放，彼此之间空出一些存储单元，在这些单元中填充（指令）。同时对程序中重要的跳转和调用子程序指令前均加入三个指令，以保证程序流向的正确性。利用平均滤波法求取平均值。将最近次采样得到的温度值，去除最大值和最小值，剩下的个数据求算术平均值。实际测试结果该控制系统在实验过程中，运行状况良好，达到了设计要求。以初始温度、设定温度是为例，啤酒发酵温度控制的实验结果如图所示。由于啤酒发酵罐的容积达数百立升，发酵温度基本达到设定值的调节时间需要小时左右。结束语通过对算法中各控制参数的整定和采用积分分离方法，消除了系统的振荡和超调现象，实现了温度的相对精确控制。此啤酒发酵温度控制系统不但有现场的温度液晶显示和按键控制，还通过单片机串口将测得的温度值传递给上位机，实现了远程的温度显示与控制