啤酒发酵计算机温度控制系统设计

课程设计报告

题目：啤酒发酵计算机温度控制系统设计课程：

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一、课程设计目的和任务

《计算机控制技术》是一门实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。

通过本课程设计，学生应学习并掌握：

1．掌握总线式工业控制机控制系统硬件方案设计，包括工业控制机、模拟输入、输出通道设计和元器件选型，掌握模拟量输入、输出通道及接口连接线路绘制。

2．掌握工业控制机控制系统软件方案（数学模型分析、控制策略、控制算法等）设计，掌握数据采集及处理程序、控制算法程序和模拟量输出程序流程图及软件编程。

这次课程设计的任务是：啤酒发酵计算机温度控制系统设计

二、课程设计的要求

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，通常在锥型发酵罐中进行。在二十多天的发酵期间，根据酵母的活动能力，生长繁殖快慢，确定发酵给定温度曲线，如下图所示。要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙酰等杂质含量达到最佳状态，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。

2.2系统控制要求

（1）现要求控制1个200m3的锥形啤酒发酵罐，罐测量3个参数，即发酵罐的上、中、下三段温度，三段温度的测量范围：-20—+50℃，共有三个温度测量点，因此需检测3个参数。

(2)自动控制各个发酵罐中的上、中、下三段温度使其按上图所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于±0.5℃。共有3个控制点。

（3）控制规律

被控对象可视为纯滞后的一阶惯性：

a、在恒温段采用增量型PI控制算法

b、在升温和降温段采用增量型PID控制算式

c、考虑被控对象为纯滞后的一阶惯性，还要采用施密斯（Smith）预估计控制算法。

（4）系统软件设计要求

a、数据采集程序:按顺序采集三个温度信号，每个信号采集5次并储存起来，采样周期为T=2s。

b、数字滤波程序

c、温度标度变换程序

d、给定工艺曲线的实时插补计算

e、控制算法①PID算式加特殊处理②施密斯（Smith)预估控制算式

三、硬件总体设计方案

3.1概述

根据设计要求可以得到系统的总体框图如下所示：

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。

3.1 控制系统的硬件结构框图

3.2主要器件选择及简介

3. 2.1单片机AT89S52

AT89S52的引脚分布如图3-2所示。

测温点1 DS18B20

测温点2 DS18B20 测温点3 DS18B20 液晶显示电路 键盘电路 8155

扩展电路

AT89S52

单

片

机 DACO832 电压放大 V/I 转换

调节阀

报警电路

图3-2 AT89S52引脚图

3. 2.2温度传感器DS18B20

DS18B20的引脚图如l图3-3所示。DS18B20遵循严格的单线串行通信协议，每一个DS18B20在出厂时都用激光进行了调校，并且具有唯一的64位序列号。DS18B20的内部使用了在板(ON-BOARD)专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只二极管的集成电路内，三端口分别是地线、数据和电容。其外围电路简单，可广泛应用于温度控制和温度测量系统中。

图3-3 DS18B20引脚图

图3-4 DS18B20内部功能框图

温度报警触发器和设置寄存器都由非易失性电可擦写存储器(E2PROM组成，设置值可以通过相应命令写入，一旦写入不会由于掉电而丢失。

3. 2.3LED显示驱动MAX7219

MAX7219是一种新型的串行LED数码管驱动器。它集BCD码译码器、多路扫描仪、段驱动和位驱动于一体，内含8X8位双口静态SRAM，每片最多可驱动8个LED数码管。它与微机的接口十分简单，仅用3根线即可实现多位数码管的显示。MAX7219与数码管可以直接相连，不用三极管驱动和大量限流电阻，也不用译码器、锁存器和其它硬件电路。因此MAX7219成为仪表、仪器LED显示的首选接口电路芯片。

MAX7219的引脚图和引脚说明分别如图3-8和表3-6所示。

图3-8 MAX7219引脚图

3.3功能电路设计

3. 3.1测温电路

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。具体连接电路如图3-9所示。

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4.7KΩ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。

3.3.2.1显示电路设计

显示电路系统是实现人机联系的主要途径。显示系统根据发酵罐内的反应情况，需要实时循环显示出三路冷却液温度、发酵罐温度、罐内压力、液位以及三

路阀门的准确位置，并在参数设定时显示更新的数据，同时LED显示器又承担对发酵罐内部温度反应工艺曲线的设定参数的显示任务，以达到更好的人机对话。

单片机通过LED驱动电路把显示值到数码管，通过译码选择某一个数码管显示温度值的某一位，可以动态循环扫描，软件实现方式显示设定值，动态显示的扫描频率一般在50Hz 以上，每个数码管能有 1 ms的导通时间，从而肉眼感觉不到闪烁。本课题采用一种基于MAX7219芯片的LED串行显示技术。