家釀啤酒機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)—總體設(shè)計(jì)、下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

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1、200 2 級(jí) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 0 頁(yè) 共 43 頁(yè) 目 次 1 引言 1 1.1 啤酒發(fā)酵過(guò)程溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 1 1.2 啤酒發(fā)酵過(guò)程溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 2 1.3 啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的工藝要求 3 2 啤酒發(fā)酵過(guò)程控制的現(xiàn)狀和需要解決的問(wèn)題 3 2.1 課題的提出和研究?jī)?nèi)容 4 2.2 智能控制的發(fā)展趨勢(shì) 5 2.3 家釀啤酒機(jī)的設(shè)計(jì)方案 5 3 家釀啤酒機(jī)系統(tǒng)控制方案 6 3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 6 3.2 家釀啤酒機(jī)設(shè)計(jì)分工情況 7 3.3 控制算法 8 4 下位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì) 12 4.1

2、系統(tǒng)構(gòu)成 ......................................................... 12 4.2 主程序 MAIN 模塊設(shè)計(jì) .............................................. 13 4.3 顯示模塊 ......................................................... 13 4.4 溫度采集模塊 ..................................................... 13 4.5 模糊控制算法模塊 ...

3、.............................................. 15 4.6 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 TO 中斷服務(wù)模塊 ....................................... 16 5 系統(tǒng)調(diào)試 ........................................................... 17 5.1 仿真器和調(diào)試軟件的使用 ........................................... 17 5.2 模塊程序的調(diào)式 .............................

4、...................... 17 5.3 系統(tǒng)的聯(lián)調(diào) ....................................................... 18 結(jié) 論 ................................................................ 19 致 謝 ................................................................ 20 參 考 文 獻(xiàn) .........................................

5、.................. 21 附 錄：軟件代碼 ....................................................... 22 0 200 2 級(jí) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 10 頁(yè) 共 43 頁(yè) 1 引言 隨著社會(huì)的發(fā)展，生化工業(yè)在國(guó)民生活和國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中越來(lái)越重要。為此，對(duì)這一工業(yè)領(lǐng)域的操作管理、測(cè)量控制、優(yōu)化生產(chǎn)成為很重要的課題。具有悠久歷史的發(fā)酵工業(yè)己成為生物工程(Biotechnology)和生化工程(Biochemical Engineering)的基礎(chǔ)。在近幾十年中，發(fā)酵工業(yè)的

6、發(fā)展越來(lái)越快并趨于旺盛時(shí)期。但由于生化過(guò)程的復(fù)雜性，它的工業(yè)自動(dòng)化水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后與其它工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。隨著生物工程的迅速發(fā)展，生物工程的許多成果，都要經(jīng)過(guò)生化工業(yè)轉(zhuǎn)化為工業(yè)產(chǎn)品，所以，生化反應(yīng)器及其系統(tǒng)在生化工業(yè)中顯得越來(lái)越重要，生化反應(yīng)器的體積從幾立方米發(fā)展到幾十立方米，而今是幾百立方米，甚至上千立方米。對(duì)于這樣大型的生化反應(yīng)器系統(tǒng)，若控制不當(dāng)，將會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，對(duì)于生化生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)測(cè)量、操作監(jiān)視、自動(dòng)控制、優(yōu)化操作與控制，成為生化生產(chǎn)優(yōu)化管理與自動(dòng)化的關(guān)鍵問(wèn)題。另一方面， 計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，為測(cè)量、分析、控制生化工程提供了先進(jìn)的自動(dòng)化工具。因此為使生化工業(yè)過(guò)程安全、平穩(wěn)

7、地運(yùn)行，以達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)的目的，必須對(duì)生化生產(chǎn)進(jìn)行自動(dòng)控制。自第一個(gè)微處理器問(wèn)世以來(lái)，以微處理器為核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)以各種方式 無(wú)孔不入地滲透到人們生產(chǎn)生活科研等各個(gè)領(lǐng)域，為人類(lèi)帶來(lái)了滲透到各個(gè)領(lǐng)域的“智能”。 1.1 啤酒發(fā)酵過(guò)程溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工序，其工藝條件的控制效果，直接決定了啤酒的質(zhì)量。啤酒生產(chǎn)過(guò)程主要包括糖化、發(fā)酵以及過(guò)濾分裝三個(gè)環(huán)節(jié)。 一、糖化 糖化過(guò)程是把生產(chǎn)啤酒的主要原料與溫水混合，利用麥芽的水解酶把淀粉、蛋白質(zhì)等分解成可溶性低分子糖類(lèi)、氨基酸、膝、膚等物質(zhì)，形成啤酒發(fā)酵原液——麥汁。二、發(fā)酵 啤酒發(fā)酵是一個(gè)微生物代謝過(guò)程，簡(jiǎn)單的說(shuō)是

8、把糖化麥汁經(jīng)酵母發(fā)酵分解的過(guò)程，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生種類(lèi)繁多的中間代謝物：雙乙酞、脂肪酸、高級(jí)醇、酮等，這些代謝產(chǎn)物的含量雖然極少，但它們對(duì)啤酒的質(zhì)量和口味的影響很大，它們的產(chǎn)生主要取決于發(fā)酵溫度。一般認(rèn)為，低溫發(fā)酵可以降低雙乙酞、脂類(lèi)等代謝物的含量，提高啤酒的色澤和口味；高溫發(fā)酵可以加快發(fā)酵速度，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。總之，如何掌握好啤酒發(fā)酵過(guò)程中的發(fā)酵溫度，控制好溫度的升降速率是決定啤酒生產(chǎn)質(zhì)量的 1 核心內(nèi)容。啤酒發(fā)酵是個(gè)放熱過(guò)程，如不加以控制，罐內(nèi)的溫度會(huì)隨著發(fā)酵生成熱的產(chǎn)生而逐漸上升，目前大多數(shù)對(duì)象是采用往冷卻夾套內(nèi)同入致冷酒精水混合物或液氨來(lái)吸收發(fā)酵過(guò)程中不斷放出的熱

9、量，從而維持適宜的發(fā)酵溫度。整個(gè)發(fā)酵過(guò)程分前酵和后酵兩個(gè)階段。 （1） 前酵 這個(gè)階段又稱(chēng)為主發(fā)酵。麥汁接種酵母進(jìn)入前酵，接種酵母幾小時(shí)以后開(kāi)始發(fā)酵， 麥汁糖度下降，產(chǎn)生二氧化碳并釋放生化反應(yīng)熱，使整個(gè)罐內(nèi)的溫度逐漸上升。經(jīng)過(guò)2～3天后進(jìn)入發(fā)酵最為旺盛的高泡期再經(jīng)過(guò)2～3天，糖度進(jìn)一步降低，降糖速度變慢， 酵母開(kāi)始沉淀，當(dāng)罐內(nèi)發(fā)酵糖度達(dá)標(biāo)后進(jìn)行降溫轉(zhuǎn)入后酵階段。普通啤酒在前酵階段一般要求控制在12℃左右，降溫速率要求控制在0.3℃/h。 （2） 后酵 當(dāng)罐內(nèi)溫度從前酵的12℃降到5℃左右時(shí)后酵階段開(kāi)始，這一階段最重要的是進(jìn)行雙乙酞還原，此外，后酵階段還完成了殘?zhí)前l(fā)酵，充分沉淀蛋白質(zhì)，降

10、低氧含量， 提高啤酒穩(wěn)定性。一旦雙乙酞指標(biāo)合格，發(fā)酵罐進(jìn)入第二個(gè)降溫過(guò)程，以0.15 ℃/h 的降溫速率把罐內(nèi)發(fā)酵溫度從5℃降到0～1℃左右進(jìn)行貯酒，以提高啤酒的風(fēng)味和質(zhì)量。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的貯酒，整個(gè)發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。 通常發(fā)酵液溫度在不同的發(fā)酵階段，對(duì)罐內(nèi)發(fā)酵液的溫度場(chǎng)要有相應(yīng)的要求：在前酵階段希望發(fā)酵罐內(nèi)從罐頂?shù)焦薜子幸徽臏囟忍荻?，以利于發(fā)酵液對(duì)流和酵母在罐內(nèi)的均勻混合；在后酵階段，則要求發(fā)酵液由上到下有一定的負(fù)溫度梯度，便于酵母的沉淀和排除。 三、啤酒的過(guò)濾和分裝 至此，一個(gè)啤酒生產(chǎn)周期結(jié)束。 1.2 啤酒發(fā)酵過(guò)程溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設(shè)備，酵母在罐內(nèi)發(fā)生反

11、應(yīng)而產(chǎn)生熱量，使麥汁溫度升高，機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)表明啤酒發(fā)酵罐的溫控對(duì)象不同于一般的工業(yè)對(duì)象，主要有以下兩方面的特點(diǎn)： （1） 時(shí)滯性很大 在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，由于生化反作用產(chǎn)生的生化反應(yīng)熱導(dǎo)致罐內(nèi)發(fā)酵溫度的升高，為了維持適宜的發(fā)酵溫度，通常是往發(fā)酵罐冷卻夾套內(nèi)通入酒精水或液態(tài)氨，來(lái)帶走多余的反應(yīng)熱。由于罐內(nèi)沒(méi)有攪拌裝置和加熱裝置，冷媒與發(fā)酵液間主要依靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱量交換，發(fā)酵液內(nèi)部存在一定的對(duì)流，影響到測(cè)溫點(diǎn)， 2 這就使得控制量的變化后，要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，被控量才發(fā)生變化，因此這類(lèi)系統(tǒng)會(huì)表現(xiàn)出很大的時(shí)滯效應(yīng)。 （2） 時(shí)變性 發(fā)酵罐的溫控特性主要取決于發(fā)酵液內(nèi)生化反應(yīng)的劇烈

12、程度。而啤酒發(fā)酵是從起酵，旺盛、衰減到停止不斷變化的間歇生產(chǎn)過(guò)程，在不同的發(fā)酵階段， 酵母活力不同，造成酒體溫度特性變化，因此對(duì)象特性具有明顯的時(shí)變性。 1.3 啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的工藝要求 啤酒發(fā)酵生產(chǎn)工藝對(duì)控制的要求是：控制罐溫在特定階段與標(biāo)準(zhǔn)的工藝生產(chǎn)曲線相符；控制罐內(nèi)氣體的有效排放，使罐內(nèi)壓力符合不同階段的需要；控制結(jié)果不應(yīng)與工藝要求相抵觸，如局部過(guò)冷、破壞酵母沉降條件等。 2 啤酒發(fā)酵過(guò)程控制的現(xiàn)狀和需要解決的問(wèn)題 啤酒發(fā)酵是整個(gè)啤酒生產(chǎn)過(guò)程最重要的環(huán)節(jié)，它是一個(gè)復(fù)雜的微生物代謝過(guò)程。由于發(fā)酵過(guò)程的內(nèi)部機(jī)理非常復(fù)雜，影響發(fā)酵的因素也很多，對(duì)于整個(gè)過(guò)程目前還缺乏精確的定量

13、的數(shù)學(xué)描述，但是啤酒發(fā)酵罐內(nèi)的發(fā)酵溫度始終是決定啤酒質(zhì)量的關(guān)鍵所在。從啤酒生產(chǎn)原料(麥汁)進(jìn)入發(fā)酵罐開(kāi)始發(fā)酵到啤酒出罐，前后必須經(jīng)過(guò)20-30 天不等的時(shí)間，如何掌握好啤酒發(fā)酵過(guò)程中的發(fā)酵溫度，控制好溫度的升降速度，使發(fā)酵過(guò)程滿(mǎn)足啤酒生產(chǎn)的工藝設(shè)定曲線，是決定啤酒生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。因此，如何有效地提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，提高啤酒質(zhì)量和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有十分重要的意義。 目前我國(guó)許多啤酒生產(chǎn)廠家在啤酒發(fā)酵過(guò)程中采用溫度集中或就地顯示，再根據(jù)顯示結(jié)果與工藝要求的偏差情況，人工調(diào)節(jié)冷媒流量達(dá)到控制溫度目的，這種操作會(huì)因操作人員的技術(shù)水平、責(zé)任心、熟練程度等外部因素影響溫

14、控的質(zhì)量，難以達(dá)到理想的溫度控制效果。有些啤酒廠采用模擬儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)啤酒生產(chǎn)的自動(dòng)控制，由于模擬儀表的靈活性較低、功能較少，要實(shí)現(xiàn)啤酒生產(chǎn)的自動(dòng)控制具有一定的困難。而且許多的發(fā)酵溫控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是手動(dòng)閥門(mén)來(lái)操作，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，溫控精度低，啤酒的質(zhì)量也不穩(wěn)定。 近年來(lái)，各啤酒企業(yè)隨著對(duì)生產(chǎn)控制過(guò)程的重視，控制水平愈來(lái)愈高。有些啤酒生產(chǎn)廠家以利用單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)啤酒發(fā)酵過(guò)程中參數(shù)的檢測(cè)和控制，由于單片機(jī)控制靈活性大，功能強(qiáng)，現(xiàn)今已被各級(jí)啤酒生產(chǎn)廠家所青睞。 從目前國(guó)內(nèi)情況來(lái)看，有些科研單位對(duì)此做了一些研究工作，如北京自動(dòng)化研究 3 所系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)院研制的一種啤

15、酒發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用集散控制方式，下位機(jī)選用STD總線模塊式工業(yè)控制機(jī)，上位機(jī)選用IBMPC/XT主機(jī)。方案中測(cè)點(diǎn)選擇在發(fā)酵罐上中帶之間，來(lái)表示罐內(nèi)平均溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)按比例動(dòng)作來(lái)調(diào)節(jié)冷卻液的流量以達(dá)到控制罐內(nèi)溫度的目的。整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)可以對(duì)6個(gè)罐進(jìn)行檢測(cè)控制，但是由于所測(cè)溫度不能準(zhǔn)確反映罐內(nèi)因?qū)α鞫纬傻母鞑糠譁囟鹊淖兓?，所以限制了控制精度，影響生產(chǎn)效率。還有，黑龍江電子技術(shù)研究所所開(kāi)發(fā)的啤酒發(fā)酵過(guò)程儀表集散型控制系統(tǒng)中，冷卻液的控制器件采用由固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥， 通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制冷卻液流量，但是每個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥都要有位置反饋電路，來(lái)對(duì)應(yīng)閥門(mén)開(kāi)度，固態(tài)繼電器

16、和智能儀表都有光隔離器件，這些無(wú)疑增加了系統(tǒng)的復(fù)性和不穩(wěn)定性。而且由于發(fā)酵罐的罐區(qū)底部環(huán)境潮濕，容易生銹和損壞，維修量大，使用不方便。另外，山東自動(dòng)化研究所研制的啤酒發(fā)酵罐微機(jī)控制系統(tǒng)中溫度的測(cè)量精度得到提高，并且采用了“等等看看”與常規(guī)PID相結(jié)合的復(fù)合控制算法，這可以說(shuō)是一種仿人工操作的非連續(xù)的控制方式，它對(duì)溫度偏差的調(diào)節(jié)不是連續(xù)進(jìn)行的，只有在偏差大到必須改變控制量時(shí)，才使其發(fā)生相應(yīng)的變化。但是在系統(tǒng)的等待時(shí)間段內(nèi)， 不對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)、控制，由此可以看出這種算法的局限性是不能反映啤酒發(fā)酵過(guò)程的時(shí)變性。綜上可以看出，目前在國(guó)內(nèi)的啤酒發(fā)酵工業(yè)中存在的問(wèn)題主要是：對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)的反應(yīng)溫度協(xié)調(diào)控制的問(wèn)

17、題、控制執(zhí)行器件的選用以及采用合理的控制算法。因此需要對(duì)啤酒發(fā)酵的溫度控制進(jìn)行技術(shù)上的改進(jìn)和優(yōu)化，以滿(mǎn)足工藝的要求。 2.1 課題的提出和研究?jī)?nèi)容 隨著人們生活水平的提高，對(duì)物質(zhì)的享受要求也越來(lái)越高，為了能讓人們不出家門(mén)就能品嘗到美味的啤酒，一臺(tái)家釀啤酒機(jī)是家居生活的新的需求，針對(duì)目前市場(chǎng)上的空缺，特提出研制家釀啤酒機(jī)這一課題。 啤酒發(fā)酵是整個(gè)啤酒生產(chǎn)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程, 發(fā)酵溫度的控制是影響啤酒發(fā)酵好壞的主要因素。在發(fā)酵過(guò)程中，溫度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，在發(fā)酵的不同階段，對(duì)溫度控制也不一樣。在周期為 20 多天的發(fā)酵過(guò)程中, 根據(jù)酵母的活動(dòng)能力, 生長(zhǎng)繁殖的快

18、慢, 對(duì)發(fā)酵液有不同的溫度要求。如果能將發(fā)酵溫度控制在給定的溫度范圍內(nèi), 就能使酵母的繁殖和衰減, 麥汁中糖度的消耗和雙乙酰等雜質(zhì)的含量都達(dá)到最佳狀況, 從而取得較好的產(chǎn)品質(zhì)量。因此對(duì)發(fā)酵溫度進(jìn)行控制便成了整個(gè)發(fā)酵過(guò)程的關(guān)鍵。對(duì)于啤酒發(fā)酵過(guò)程來(lái)說(shuō)，由于控制作用必須經(jīng)歷較大的滯后才能在被控變量上得到體現(xiàn)，以致當(dāng)被控變量的反饋反映出控制作用時(shí)，往往會(huì) 4 輸入過(guò)多的控制量，導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)甚至失穩(wěn)，而系統(tǒng)的時(shí)變性會(huì)給常規(guī) PID 控制的魯棒性提出更高的要求。因此在啤酒發(fā)酵過(guò)程中采用常規(guī) PID 控制是不適宜的。曾經(jīng)有人通過(guò)微機(jī)對(duì)被控過(guò)程的輸入、輸出量進(jìn)行采集，采用離線回歸辯識(shí)的方

19、法，取得了該過(guò)程的模型。那是一個(gè)近似帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，但值得注意的是，由于發(fā)酵的前期、中期、后期的熱交換有很大的差異，在此過(guò)程中被控對(duì)象的參數(shù)有較大的變化，因此基于被控對(duì)象精確模型的經(jīng)典控制法，難于取得很好的效果。因此目前研究利用模糊控制算法控制發(fā)酵的溫度，并利用上位機(jī)加以監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智能化的控制系統(tǒng)。 2.2 智能控制的發(fā)展趨勢(shì) 當(dāng)今時(shí)代是信息化時(shí)代，各個(gè)領(lǐng)域常以信息的獲取與利用為中心，一些先進(jìn)技術(shù)， 如信息傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)正在飛速發(fā)展并不斷變革。智能化是現(xiàn)代控制系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)。所謂智能是指隨外界條件的變化，具有確定正確行動(dòng)的能力，也即具有人的思維能力以及推

20、理并作出決策的能力。 從溫度控制系統(tǒng)的智能化的措施來(lái)看，以單片機(jī)為核心構(gòu)成的微型溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置己被國(guó)內(nèi)外許多公司和單位作為研究對(duì)象，客觀存在的硬件簡(jiǎn)單，軟件豐富， 能方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化控制規(guī)律和多種功能，性能優(yōu)良，運(yùn)行、調(diào)試都非常方便，且生產(chǎn)成本低，可加快生產(chǎn)設(shè)備的更新?lián)Q代，已開(kāi)始受到重視和歡迎。加之近年來(lái)，單片機(jī)的性能不斷提高，而價(jià)格卻逐年降低，所以單片機(jī)溫度控制裝置將具有廣闊的發(fā)展和運(yùn)用前景。 另一個(gè)智能化的措施就是控制算法的加入，目前以模糊控制為核心的控制算法被廣泛的應(yīng)用。模糊控制系統(tǒng)是基于知識(shí)或基于規(guī)則的系統(tǒng)。它的核心就是由所謂的IF ——THEN規(guī)則所組成的知識(shí)庫(kù)。模糊系統(tǒng)

21、理論的最大貢獻(xiàn)就是它為從知識(shí)庫(kù)向非線形映射的轉(zhuǎn)換提供了一套系統(tǒng)的程序。正是由于這一轉(zhuǎn)換，我們才能將基于知識(shí)的系統(tǒng)（模糊系統(tǒng)）采用同數(shù)學(xué)模型及傳感器測(cè)量一樣的方式，應(yīng)用到工程應(yīng)用中（控制、信號(hào)處理及通信系統(tǒng)等）。這樣，最終組合而成的系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)就會(huì)以數(shù)學(xué)這種嚴(yán)密方式來(lái)進(jìn)行。 2.3 家釀啤酒機(jī)的設(shè)計(jì)方案 本家釀啤酒機(jī)所實(shí)現(xiàn)的功能為：加熱、恒溫、制冷、防溢、報(bào)警和溫度時(shí)間顯示。整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程為：首先將物料加熱至 30～35℃（保溫 30 分鐘）→用 30 分鐘時(shí) 5 間升溫至 50～55℃（保溫 30 分鐘）→用 30 分鐘時(shí)間升溫至 65～70℃進(jìn)行糖化（保溫 9

22、0 分鐘）→添加啤酒花煮沸（10 分鐘）→自來(lái)水噴淋冷卻至 10～12℃→去除麥槽添加酵母→保持 12～14℃進(jìn)行發(fā)酵（48～72 小時(shí)）→降溫至 2～4℃沉淀酵母（12～ 24 小時(shí)）。發(fā)酵溫度的工藝設(shè)定曲線如圖 2.1 所示。 溫度 5分鐘 99 6 65-70 50-55 30-35  30分鐘  30分鐘 90分鐘 12-14 2-4  72小時(shí) 24小時(shí) 時(shí)間 圖 2.1 3 家釀啤酒機(jī)系統(tǒng)控制方案 在本次設(shè)計(jì)中溫度控制系統(tǒng)如圖3.1所示，控制對(duì)象為發(fā)酵罐，檢測(cè)元件為溫度傳

23、感器、液位傳感器，執(zhí)行器件為繼電器與調(diào)節(jié)閥門(mén)。溫度控制部分，它包括單片機(jī)電路、過(guò)程輸入輸出通道、鍵盤(pán)、顯示器、通訊接口電路和穩(wěn)壓電源。 圖 3. 1 3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)共分兩大部分，分別是控制與通訊部分和人機(jī)界面部分?？刂婆c通訊部分 實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵罐的溫度控制并實(shí)時(shí)的發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；人機(jī)界面的功能是提供對(duì)啤酒機(jī)的操作途徑并顯示啤酒機(jī)的當(dāng)前狀況。 3.1.1 控制與通訊部分的設(shè)計(jì) 由于啤酒發(fā)酵過(guò)程最重要的是溫度的控制，所以溫度升溫是通過(guò)控制電熱絲的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)完成的，啤酒發(fā)酵過(guò)程的降溫是通過(guò)繞在啤酒發(fā)酵罐外壁上冷帶中的冷卻液來(lái)

24、完成的，冷卻液的流量和速度決定了降溫的速度。 根據(jù)以上所述的對(duì)本系統(tǒng)的控制要求，為實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐的溫度得到監(jiān)控，設(shè)計(jì)中采用的方法是在控制周期開(kāi)始時(shí)對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)的溫度進(jìn)行采集，并通過(guò)模糊控制算法得到控制量，并在一個(gè)控制周期內(nèi)向控制通道輸出需要的控制量。 溫度采集選用 DS18B20 溫度傳感器，它集成了溫度傳感器、信號(hào)調(diào)整電路、A/D 采樣和轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)器等部件。它可以直接以數(shù)字量的形式輸出被測(cè)環(huán)境的溫度而不需要配加其它外圍電路。另外，多個(gè) DS1820 可以共用一條數(shù)據(jù)總線與 CPU 進(jìn)行通信，與傳統(tǒng)的溫度傳感器（AD590、LM35） 一個(gè)器件需要一條數(shù)據(jù)線相比，具有十分突出的優(yōu)越性。測(cè)溫范

25、圍- 55 ℃～ + 125℃,在- 10℃～ +85℃時(shí)精度為0. 5℃，可編程的分辨率為 9～12 位,對(duì)應(yīng)的可編程溫度分別為 0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625 ℃， 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 750ms。 在系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中還對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)的液位進(jìn)行檢測(cè)，防止液體溢出。當(dāng)檢測(cè)到液位超出最高位置就發(fā)出警報(bào)并停止啤酒機(jī)的工作。 通訊部分是通過(guò) RS232 接口使下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信。上位機(jī)的工作任務(wù)為記錄實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)并繪制溫度控制曲線，并對(duì)下位機(jī)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止操作。 3.1.2 人機(jī)界面部分的設(shè)計(jì) 人機(jī)界面主要是提供對(duì)啤酒機(jī)的操作途徑并反映啤酒機(jī)的狀態(tài)。在下位機(jī)上用數(shù)碼管顯示當(dāng)

26、前時(shí)間和溫度，用兩個(gè)按鈕啟動(dòng)和暫停下位機(jī)。為了反映啤酒機(jī)當(dāng)前處于的工作階段，用發(fā)光二極管指示當(dāng)前工作階段。 3.1.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)方案 上位機(jī)采用 VB 開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)界面。上位機(jī)要完成的功能是利用 VB 中的 MSCOMM 控件進(jìn)行通信軟件的開(kāi)發(fā)，與下位機(jī)進(jìn)行通信，畫(huà)出溫度控制曲線圖，表明下位機(jī)的工作狀態(tài)，并對(duì)下位機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)和停止功能。 3.2 家釀啤酒機(jī)設(shè)計(jì)分工情況 本次課題分為硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)設(shè)計(jì)三大模塊。本人在此次設(shè)計(jì)中的 7 主要任務(wù)是完成對(duì)啤酒機(jī)的總體設(shè)計(jì)和進(jìn)行下位機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)。 3.3 控制算法 啤酒廠發(fā)酵罐溫度控制過(guò)程是一個(gè)大時(shí)滯，大慣性

27、的過(guò)程，采用傳統(tǒng)的控制工藝是不能滿(mǎn)足溫度控制要求的，因此應(yīng)采用恰當(dāng)?shù)目刂扑惴?，?lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，以達(dá)到工藝的要求。在實(shí)際的工業(yè)控制系統(tǒng)中，常規(guī)的PID控制是最容易被考慮和采用的，但是對(duì)于大容量、時(shí)變、大滯后系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，常規(guī)的PID控制一般難以取得滿(mǎn)意的控制效果，究其原因是PID控制忽略了這樣一個(gè)事實(shí)：控制作用必須經(jīng)歷較大的滯后才能在被控變量上得到體現(xiàn)，致使當(dāng)被控變量的反饋反映出控制作用時(shí)，往往會(huì)輸入過(guò)多的控制量，導(dǎo)致系統(tǒng)嚴(yán)重超調(diào)甚至失穩(wěn)，而系統(tǒng)的時(shí)變性會(huì)給常規(guī)的PID控制的魯棒性提出過(guò)高的要求，因此在啤酒發(fā)酵控制中采用常規(guī)的PID控制是不適宜的。故在本系統(tǒng)中采用模糊控制算法。 3.3.1 模

28、糊控制算法 模糊控制器包括：模糊化、模糊推理和解模糊三部分，其控制系統(tǒng)框圖3.2所示。 圖3.2 本系統(tǒng)采用查表法模糊控制，它的作法是：首先通過(guò)事先的離線計(jì)算，取得一個(gè)模糊控制表，然后將其控制表存放到單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中。于是在過(guò)程控制中，只需直接根據(jù)采樣和論域變換得來(lái)的以論域元素形式表現(xiàn)的e（x）和ec（y），通過(guò)查控制表得到對(duì)應(yīng)的同樣以論域元素形式表現(xiàn)的控制量u（z），把其乘以比例因子，即可用于控制被控過(guò)程，以達(dá)到預(yù)期的控制目的。 本系統(tǒng)的模糊控制器采用雙輸入單輸出型, 以誤差及誤差變化作為輸入量, 經(jīng)模糊化，按模糊控制規(guī)則定出輸出量。模糊控制器選用實(shí)際溫度Y與溫度給定值R的偏

29、差 e=Y-R及其偏差變化率ec作為輸入語(yǔ)言變量，把控制繼電器道通的占空比變化量U選作為輸出語(yǔ)言變量。 溫度誤差的范圍設(shè)定為+ e , 將區(qū)間[ - e , +e ] 范圍的精確級(jí)分為9個(gè)等級(jí)： E = { - 4 , - 3 , - 2 , - 1 , 0 , + 1 ,+ 2 , + 3 , + 4 }，則溫度誤差e的量化因子應(yīng)為： 8 k = 4 1 e E 的語(yǔ)言變量集即模糊狀態(tài)分為5個(gè)： E = { NB , NS , ZE , PS , PB } 根據(jù)操作者的經(jīng)驗(yàn)得模糊變量e 的賦值如表3.1所示。 表3.1 u E e

30、-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 NB 1 0.33 0 0 0 0 0 0 0 NS 0 0.4 1 0.4 0 0 0 0 0 ZE 0 0 0 0.2 1 0.2 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 0.4 1 0.4 0 PB 0 0 0 0 0 0 0 0.35 1 設(shè)溫度誤差變化率的論域?yàn)? ec , 將區(qū)間[ - ec , +ec ] 范圍的精確級(jí)分為9個(gè)等級(jí)： EC = {- 4 , - 3 , - 2 , - 1

31、, 0, + 1 ,+ 2 , + 3 , + 4 }，則溫度誤差變化率ec的量化因子應(yīng) 4 為： k2 = ec 9 表3.2 EC 的語(yǔ)言變量集即模糊狀態(tài)分為5個(gè)： EC = { NB , NS ,ZE , PS , PB } 根據(jù)操作者的經(jīng)驗(yàn)得模糊變量ec 的賦值如表3.2所示。 EC u ec -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 NB 1 0.33 0 0 0 0 0 0 0 NS 0 0.4 1 0.4 0 0 0

32、0 0 ZE 0 0 0 0.2 1 0.2 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 0.4 1 0.4 0 PB 0 0 0 0 0 0 0 0.35 1 設(shè)輸出的論域?yàn)? u , 將區(qū)間[ - u , +u ] 范圍的精確級(jí)分為9個(gè)等級(jí)： U= {- - 4 , - 3 , - 2 , - 1 , 0 , + 1 ,+ 2 , + 3 , + 4 }，則u的量化因子應(yīng)為： k = u 3 4 U 的語(yǔ)言變量集即模糊狀態(tài)分為5個(gè)： U = { NB , NS , ZE , PS , PB } 模糊控

33、制規(guī)則，實(shí)質(zhì)上是將操作者在控制過(guò)程中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)而得到的一條條模糊條件語(yǔ)句的集合，通常簡(jiǎn)寫(xiě)為一個(gè)表，稱(chēng)為模糊控制狀態(tài)表。 考慮溫度偏差e為負(fù)的情況。當(dāng)e為負(fù)大時(shí)，無(wú)論ec的變化如何，為盡快消除偏差， 應(yīng)使控制量增加較快，所以控制量u的變化取正大，即有控制規(guī)則組如下： (1) IF E=NB and EC=PB then U=PB (2) IF E=NB and EC=PS then U=PB (3) IF E=NB and EC=ZE then U=PB (4) IF E=NB and EC=NS then U=PB 當(dāng)偏差e為負(fù)小或0時(shí)，為了防止超調(diào)并使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，就要根

34、據(jù)偏差的變化來(lái)確定控制量的變化。若ec為正，表明偏差有減小的趨勢(shì)，所以可取較小的控制量，即有控制規(guī)則如下： (5) IF E=NS and EC=ZE then U=PS (6) IF E=NS and EC=PS then U=ZE (7) IF E=NS and EC=PB then U=NS (8) IF E=ZE and EC=ZE then U=ZE (9) IF E=ZE and EC=PS then U=NS (10) IF E=ZE and EC=PB then U=NB 當(dāng)偏差e為負(fù)小或0時(shí)，而ec為負(fù)時(shí)，偏差有增大的趨勢(shì)，所以這時(shí)應(yīng)使控制量增加，去控制規(guī)則如下

35、： (11) IF E=ZE and EC=NS then U=PS (12) IF E=ZE and EC=NB then U=PB (13) IF E=NS and EC=NS then U=PS (12) IF E=NS and EC=NB then U=PB 取得了以上對(duì)應(yīng)于偏差e為負(fù)或?yàn)?的控制規(guī)則后，根據(jù)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，當(dāng)偏差和偏差變化率同時(shí)變號(hào)時(shí)，控制量的變化也應(yīng)變號(hào)。這樣當(dāng)偏差為正時(shí)，可對(duì)稱(chēng)地得到控制量變化的值。最終形成一個(gè)模糊控制狀態(tài)表如表3.3所示。 10 200 2 級(jí) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 12 頁(yè) 共 43 頁(yè) 表3.3

36、 U EC E NB NS ZE PS PB NB X PB PB PS NB NS PB PS PS ZE NB ZE PB PS ZE NS NB PS PB ZE NS NS NB PB PB NS NB NB X 最后是模糊控制表的求法。把溫度偏差e和偏差變化率ec對(duì)應(yīng)的論域值中的全部元素的所有組合采用重心法計(jì)算出相應(yīng)的控制量的對(duì)應(yīng)值，構(gòu)成模糊控制器的控制表，如表3.4所示。重心法也稱(chēng)力矩法。它是對(duì)模糊推理的結(jié)果的所有元素求取重心元素的方法。重心法把模糊量的重心元素作為反模糊化之后得

37、到的精確值u，求取公 m (ui ) ui 式為： u = i m(ui ) i 表3.4 u ec e -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -4 4 3 3 2 2 3 0 0 0 -3 3 3 3 2 2 2 0 0 0 -2 3 3 2 2 1 1 0 -1 -2 -1 3 2 2 1 1 0 -1 -1 -2 0 2 2 1 1 0 -1 -1 -2 -2 1 2 1 1 0 -1

38、 -1 -2 -2 -3 2 2 1 0 -1 -1 -2 -2 -3 -3 3 0 0 0 -2 -2 -2 -3 -3 -3 4 0 0 0 -3 -2 -2 -3 -3 -4 11 4 下位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì) 本次課題軟件的主要部分是下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，利用單片機(jī)內(nèi)部的特點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示以及輔助的功能，如時(shí)間的顯示， 溫度的調(diào)節(jié)控制、控制過(guò)程的開(kāi)始與結(jié)束等。 在軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，考慮到程序的可讀性，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，以及升級(jí)的需要， 程序設(shè)計(jì)過(guò)程采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)

39、模塊實(shí)現(xiàn)一定的功能，模塊與模塊間功能相對(duì)獨(dú)立，這樣就使得程序結(jié)構(gòu)清晰。另外，模塊的功能相對(duì)獨(dú)立，同一模塊可以應(yīng)用在不同的地方，這增加了代碼的使用效率。 本系統(tǒng)的軟件采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，C語(yǔ)言作為一種編程語(yǔ)言，移植性好， 便于調(diào)試，它是一種較好的語(yǔ)言工具。 4.1 系統(tǒng)構(gòu)成 本系統(tǒng)的軟件由主程序MAIN模塊、定時(shí)/計(jì)數(shù)器TO中斷服務(wù)模塊、串行口中斷服務(wù)模塊、按鍵處理模塊、通信模塊、顯示模塊、溫度采集模塊、模糊控制算法模塊等構(gòu)成。其中定時(shí)/計(jì)數(shù)器TO中斷服務(wù)模塊中又包括時(shí)鐘計(jì)算、輸出控制子程序。各模塊功能說(shuō)明如下： 主程序模塊：完成系統(tǒng)自檢、初始化、協(xié)調(diào)各模塊工作。 定時(shí)/計(jì)數(shù)器

40、TO 中斷服務(wù)模塊：在這個(gè)子程序中要完成對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)算，對(duì)發(fā)酵罐控制周期的計(jì)算和通過(guò)模糊控制算法得到的輸出量進(jìn)行輸出控制。 串行口中斷服務(wù)模塊：讀取上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)串行中斷進(jìn)行復(fù)位。 按鍵處理模塊：完成對(duì)下位機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行和停止運(yùn)行的功能。顯示模塊：完成系統(tǒng)時(shí)間和當(dāng)前溫度的數(shù)據(jù)顯示。 溫度采集模塊：通過(guò)DS18B20完成對(duì)發(fā)酵罐的溫度數(shù)據(jù)的采集。 模糊控制算法模塊：根據(jù)溫度偏差和溫度偏差率，利用模糊控制算法，計(jì)算出系統(tǒng)應(yīng)輸出的控制量。 整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是：程序開(kāi)始時(shí),對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化，由10ms產(chǎn)生一次中斷，初始化定時(shí)器T0，計(jì)數(shù)初值為T(mén)H0=0xDB；TL0=0xFF；

41、設(shè)置定時(shí)器工作的模式為T(mén)MOD=0x01。等待系統(tǒng)開(kāi)始標(biāo)志f置1后啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)工作，進(jìn)入系統(tǒng)的功能函數(shù)， 判別系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并用發(fā)光二極管指示。本系統(tǒng)采用2秒的控制周期，在每個(gè)控制周期開(kāi)始前進(jìn)行溫度采集和模糊控制計(jì)算，得到的輸出控制量在時(shí)鐘T0中斷服務(wù) 13 200 2 級(jí) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 14 頁(yè) 共 43 頁(yè) 模塊中對(duì)輸出進(jìn)行控制。 4.2 主程序MAIN模塊設(shè)計(jì) 開(kāi) 始 分配顯 示寄存 器內(nèi)容 開(kāi) 始 主程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，檢測(cè)液位，如果超出標(biāo)準(zhǔn)液位，則發(fā)出警報(bào)，并掃描鍵盤(pán)等待啟動(dòng)命令，即啟動(dòng)標(biāo)志 f=1。若得到啟動(dòng)命令

42、則進(jìn)入系統(tǒng)功能函數(shù)，否則進(jìn)行溫度檢測(cè)并顯示當(dāng)前溫度。在主程序里每執(zhí)行完一次系統(tǒng)功能函數(shù)，則進(jìn)行一次鍵盤(pán)掃描。主程序的流程圖如圖 4.1 所示。 N F=1? Y 溫度采集 調(diào)用功 能函數(shù) 鍵盤(pán)掃描 液位檢測(cè) 顯 示 初始化 N 6位 數(shù) 據(jù)是 否送完 Y 8 個(gè)數(shù)碼 管同 時(shí)顯示 返 回 把段 碼 串入7 4H C 59 5 查此 顯 示數(shù)字 的 段碼 選中下一 位 選中第 一位 圖 4.1 圖 4.2 4.3 顯示模塊 在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中作為人機(jī)對(duì)話的一個(gè)重要部分就是顯示

43、器，硬件電路中使用6 位LED作為系統(tǒng)的顯示器，在軟件中dis[6]是顯示寄存器。在顯示模塊中還有一個(gè)重要的狀態(tài)顯示，就是用發(fā)光二極管指示目前系統(tǒng)的工作階段，每當(dāng)前一個(gè)階段的完成后，階段號(hào)就加1，系統(tǒng)就進(jìn)入下一階段。數(shù)碼管顯示流程圖如圖4.2所示。 4.4 溫度采集模塊 本系統(tǒng)的溫度采集選用 DS18B20 溫度傳感器。在程序設(shè)計(jì)中一般有四個(gè)步驟：初始化命令；傳送 ROM 命令；傳送 RAM 命令；數(shù)據(jù)交換命令。由于 DS18B20 有著嚴(yán)格的時(shí)序控制，因此在進(jìn)行溫度采集時(shí)必須關(guān)閉所有的中斷，保證 DS18B20 安全的工作。 初始化的時(shí)序是單片機(jī)先發(fā)出480～960us

44、的復(fù)位脈沖，在15～60us后，DS18B20 發(fā)出60～240us的應(yīng)答脈沖，完成對(duì)DS18B20的初始化。 DS18B20 的傳送命令有：讀 ROM 命令（33H），匹配 ROM 命令（55H），跳過(guò) ROM 命令（CCH），搜索 ROM 命令（F0H），報(bào)警搜索命令（ECH）。傳送 RAM 命令有：溫度轉(zhuǎn)換命令（44H），讀存儲(chǔ)器命令（EBH），寫(xiě)存儲(chǔ)器命令（4EH），復(fù)制存儲(chǔ)器命令（48H），讀 EEPROM 命令（B8H），讀供電方式命令（B4H）。數(shù)據(jù)交換命令是用具體的讀/寫(xiě)時(shí)序脈沖讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。 對(duì)于 DS18B20 的讀時(shí)序分為讀 0 時(shí)序和讀 1 時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。DS18

45、B20 的讀時(shí)隙是從主機(jī)把單總線拉低之后，在 15 秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓 DS18B20 把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20 在完成一個(gè)讀時(shí)序過(guò)程，至少需要 60us 才能完成。 對(duì)于 DS18B20 的寫(xiě)時(shí)序仍然分為寫(xiě) 0 時(shí)序和寫(xiě) 1 時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。DS18B20 寫(xiě) 0 時(shí)序和寫(xiě) 1 時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫(xiě) 0 時(shí)序時(shí)，單總線要被拉低至少 60us，保證 DS18B20 能夠在 15us 到 45us 之間能夠正確地采樣 IO 總線上的“0”電平，當(dāng)要寫(xiě) 1 時(shí)序時(shí)， 單總線被拉低之后，在 15us 之內(nèi)就得釋放單總線。溫度采集模塊的流程圖如圖 4.3 所示。 當(dāng)DS18B2

46、0 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16 位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可通過(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃/LSB形式表示。溫度值格式如下。 低字節(jié)格式： 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4 高字節(jié)格式： S S S S S 26 25 24 當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，先將補(bǔ)碼變換為原碼， 再計(jì)算十進(jìn)制值。在本系

47、統(tǒng)中對(duì)溫度的精度只需要到1℃，因此在轉(zhuǎn)換時(shí)去掉寄存器中的小數(shù)部分，得到整數(shù)部分的十六進(jìn)值后再通過(guò)查表將16進(jìn)制的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成壓縮BCD碼。 14 200 2 級(jí) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 17 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 4.3 4.5 模糊控制算法模塊 由于本系統(tǒng)使用的是查表法模糊控制算法，在實(shí)際使用中只需進(jìn)行查控制表就可得到控制量。因此模糊控制器按以下步驟工作： 第一步 在每個(gè)控制周期中采樣系統(tǒng)的輸出 Y(k)，并求取實(shí)際的即時(shí)偏差 e(k) 和偏差變化率 ec(k)如下： e(k)=Y(k)–R ec(k)=e(k)–e(k–1) (k=0

48、,1,2…) 第二步 將實(shí)際的 e(k)和 ec(k)分別乘以量化因子k1 和k2 ，取得以相應(yīng)論域元素表征的查找控制表所需的x和y 值。 第三步 以x和y 查找控制表，得到輸出控制量的論域值，再將此論域值乘以量 化因子k3 ，便得到實(shí)際控制量，輸出去控制被控對(duì)象。 模糊控制算法的流程圖如圖 4.4 所示。 15 圖 4. 4 4.6 定時(shí)/計(jì)數(shù)器TO中斷服務(wù)模塊 開(kāi) 始 是 否 m< 100 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0 中斷服務(wù)模塊完成的功能是進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)算，系統(tǒng)控制周期的計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)控制量進(jìn)行輸出。本系統(tǒng)中 T0 每 10ms 產(chǎn)生一

49、個(gè)中斷，因此當(dāng)每產(chǎn)生100 次中斷時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘的秒寄存器就加 1。 控制量是否大于 0 Y 控制周 期計(jì)算 時(shí)鐘計(jì)算 此外系統(tǒng)控制周期為 2 秒，也就是 200 個(gè) T0 中斷為一個(gè)控制周期，每產(chǎn)生一個(gè) T0 中斷， 控制周期寄存器減 1，當(dāng)控制周期寄存器為 0 時(shí)，對(duì)系統(tǒng)輸出量重新賦值，并對(duì)一些系統(tǒng) 系統(tǒng)標(biāo) 志修正 Y 控制周期 是否等于 0 N 返回 加熱控制量減 1 不加熱 標(biāo)志進(jìn)行修正。系統(tǒng)控制量也是在 T0 中斷中 N 進(jìn)行處理，每來(lái)一個(gè) T0 中斷，首先判斷控制量寄存器的值是否大于 0，當(dāng)其值大于 0 時(shí)， 系統(tǒng)控制量

50、寄存器減 1，輸出高電平；當(dāng)其值不大于 0 時(shí)，系統(tǒng)輸出低電平。故 T0 中斷服務(wù)模塊的流程圖如圖 4.5 所示。 圖 4. 5 16 5 系統(tǒng)調(diào)試 5.1 仿真器和調(diào)試軟件的使用 本系統(tǒng)的調(diào)試是利用的 TKS 系列的仿真器，調(diào)試軟件是 Keil 編譯軟件。TKS系列仿真器可以實(shí)時(shí)在線仿真PHILIPS半導(dǎo)體公司的80C51系列單片機(jī)的同時(shí)， 還能夠?qū)崟r(shí)在線仿真ATMEL、HY、Winbond等公司兼容MCS-51內(nèi)核的標(biāo)準(zhǔn)80C51單片機(jī)， 徹底解決80C51開(kāi)發(fā)中的仿真工具的瓶頸問(wèn)題。TKS仿真器可以選用外部晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘，同時(shí)還提供6MHz、12MHz、24MH

51、z三個(gè)內(nèi)部晶振。利用微機(jī)把源程序匯編為目標(biāo)程序并通過(guò)串行口把目標(biāo)程序送入仿真機(jī)。 Keil是基于80C51內(nèi)核的微處理器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)工具，可以完成工程建立和管理，編譯，連接，目標(biāo)代碼的生成，軟件仿真，硬件仿真等完整的開(kāi)發(fā)流程。尤其C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面達(dá)到了較高的水平。整個(gè)調(diào)式軟件的使用流程為：建立工程→為工程選擇目標(biāo)器件→設(shè)置工程的配置參數(shù)→打開(kāi)/建立程序文件→編譯和連接工程→使用TKS仿真器對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行仿真→將生成的Hex文件燒寫(xiě)到ROM中運(yùn)行測(cè)試。 5.2 模塊程序的調(diào)式 在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)前必須保證各個(gè)模塊調(diào)試正確，在每個(gè)模塊單獨(dú)通過(guò)調(diào)試

52、后才能把它們串聯(lián)起來(lái)，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。 5.2.1 顯示模塊的調(diào)試 顯示模塊主要是顯示時(shí)間和溫度的數(shù)據(jù)，用 74HC595 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。先調(diào)試數(shù)碼管能被正確點(diǎn)亮，接著對(duì)數(shù)碼管的每個(gè)段逐個(gè)單獨(dú)點(diǎn)亮，列出每個(gè)數(shù)字的正確段碼。最后能做到正確顯示 0～9 每個(gè)數(shù)字，至此本模塊調(diào)試才算通過(guò)。 5.2.2 溫度采集模塊的調(diào)試 溫度采集是選用的 DS18B20 溫度傳感器，該傳感器有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。在調(diào)試時(shí)必須嚴(yán)格按照它的時(shí)序要求。先調(diào)試初始化程序，在保證初始化程序正確后，才能進(jìn)行寫(xiě)操作和讀操作的調(diào)試。由于在 DS18B20 工作時(shí)不能有中斷，因此，在調(diào)試時(shí)不能使用斷點(diǎn)操作，調(diào)試結(jié)果主要看溫度

53、寄存器里的溫度數(shù)據(jù)是否正確。由于此模塊是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的，所以必須注意調(diào)用該模塊時(shí) C 語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言之間的參數(shù)傳遞情況。在 Keil 編譯器中參數(shù)的出口和入口都是 R6，R7，高字節(jié)是存在 R6，底字節(jié)是存在 R7。 18 200 2 級(jí) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 18 頁(yè) 共 43 頁(yè) 5.2.3 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 T0 中斷服務(wù)模塊的調(diào)試 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0 中斷服務(wù)模塊完成的功能是進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)算，系統(tǒng)控制周期的計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)控制量進(jìn)行輸出。調(diào)試此子程序時(shí)在每個(gè)功能程序前設(shè)置斷點(diǎn)，在程序運(yùn)行到每處時(shí)，都必須查看每個(gè)相關(guān)參數(shù)是否正確，完成的功能是否與

54、程序設(shè)計(jì)的目的相一致。 5.2.4 模糊控制算法模塊的調(diào)試 模糊控制算法模塊的調(diào)試是人為設(shè)置算法里的參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)得到運(yùn)行程序后的結(jié)果，然后與手工計(jì)算得到的結(jié)果相比較。在調(diào)試時(shí)盡量把模糊控制表里的每一個(gè)可能出現(xiàn)的情況都實(shí)現(xiàn)一次。 5.3 系統(tǒng)的聯(lián)調(diào) 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)是把每個(gè)模塊按照系統(tǒng)功能組合在一起，主要是完成各個(gè)模塊間的連接。在整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)始階段，完成一些寄存器和重要參數(shù)的設(shè)置，然后打開(kāi)通信端口， 整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)命令通過(guò)鍵盤(pán)或上位機(jī)送出，啟動(dòng)之后進(jìn)入系統(tǒng)主要功能工作階段。 在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中出現(xiàn)的一個(gè)重要問(wèn)題是 DS18B20 的使用，由于 DS18B20 在工作時(shí)必需關(guān)閉所有中斷，但系統(tǒng)的

55、時(shí)鐘是在 T0 中斷中計(jì)算的，因此每進(jìn)行一次溫度轉(zhuǎn)換就必需對(duì)時(shí)間做出修正，以保證系統(tǒng)時(shí)鐘的正確。 在本系統(tǒng)中，許多模塊的工作都是通過(guò)判斷一些標(biāo)志位來(lái)決定本模塊是否可以運(yùn)行的。加入這樣的手段有利于協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作，使系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。 200 2 級(jí) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 22 頁(yè) 共 43 頁(yè) 結(jié) 論 本課題是基于單片機(jī)的家釀啤酒機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)，是以溫度測(cè)控智能化為宗旨。本課題采用了模糊控制算法的基本原理和應(yīng)用方法，完成了一個(gè)基本的控制系統(tǒng)和通信功能。在課題中重點(diǎn)研究了模糊控制算法的實(shí)踐應(yīng)用，嘗試智能化的控制的方案。 本家釀啤酒機(jī)控制

56、系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，便于設(shè)計(jì)、運(yùn)行安全可靠，經(jīng)過(guò)在實(shí)驗(yàn)室的調(diào)試，表明系統(tǒng)工作正常、穩(wěn)定，能完成對(duì)溫度曲線的控制，但由于時(shí)間和條件的限制，系統(tǒng)中的降溫手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)。由于系統(tǒng)軟件主要采用C語(yǔ)言編寫(xiě)， 軟件調(diào)試、維護(hù)方便，可移植性強(qiáng)?？梢宰鳛橐环N先進(jìn)的啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)來(lái)取代常用的人工操作。當(dāng)然，由于時(shí)間比較短暫，條件不夠成熟，本課題完成的還不夠完善，其中還有一些不盡如人意的地方，例如系統(tǒng)的降溫手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)還具有很大的完善空間。 在本次課題的研究工作過(guò)程中，我深深地體會(huì)到理論研究與實(shí)際應(yīng)用之間的巨大差距，開(kāi)展理論研究是實(shí)際應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，而要將理論成果應(yīng)用于實(shí)際工程中， 還需要

57、多接觸現(xiàn)場(chǎng)，積累經(jīng)驗(yàn)。另外，我在研究工作的過(guò)程中真正體會(huì)到許多老師說(shuō)的“不要小看每一步瑣碎的工作”的意義，很多工作當(dāng)時(shí)看起來(lái)也許很瑣碎而且沒(méi)有什么意義，但卻有可能對(duì)將來(lái)的工作產(chǎn)生或多或少的影響，而且這種辦事態(tài)度所培養(yǎng)出來(lái)的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng).更是能讓人終生受益的。 19 致 謝 回顧歷時(shí)幾個(gè)月左右的從理論準(zhǔn)備，到實(shí)踐準(zhǔn)備，到系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施，到最后撰寫(xiě)論文、定稿，此時(shí)，我思緒萬(wàn)千心里充滿(mǎn)了對(duì)曾經(jīng)幫助過(guò)我的老師、同學(xué)們，以及曾經(jīng)實(shí)習(xí)過(guò)的公司的感激。 首先感謝王泰教授，他嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)的榜樣； 他循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的

58、啟迪。在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中， 王老師從方問(wèn)性的指引到具體問(wèn)題的分析，一次又一次的不厭其煩的給予我指導(dǎo)，使我擺脫了最初的迷茫，明確了方向，最后完成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。 我還要感謝的是無(wú)錫信捷電子的李新總經(jīng)理和鄒駿宇工程師。很有幸能得到李經(jīng)理給與的機(jī)會(huì)，讓我做單片機(jī)的開(kāi)發(fā)工作。李經(jīng)理對(duì)于事業(yè)的執(zhí)著和處事的魄力都讓我敬佩不已，這也使我每天對(duì)所從事的事業(yè)而充滿(mǎn)熱情。鄒駿宇工程師是這段時(shí)間里對(duì)我?guī)椭畲蟮娜耍屛覍W(xué)到的東西很多，而且不僅僅是技術(shù)上。和鄒工一起調(diào)程序的時(shí)光，也成了我享受工作的時(shí)光。鄒工處事嚴(yán)謹(jǐn)、追求完美、對(duì)事業(yè)的熱情以及高超的技術(shù)能力，使我在贊嘆的同時(shí)，也將成為鄒工一樣的工程師作為了努力學(xué)

59、習(xí)的方向。 最后，借此機(jī)會(huì)我要向幾年來(lái)幫助過(guò)我的師長(zhǎng)、同學(xué)和朋友們致以我最誠(chéng)摯的謝 意! 華軼2006．6．3 20 參 考 文 獻(xiàn) 1 趙亮, 侯國(guó)銳.單片機(jī)C語(yǔ)言編程與實(shí)例.北京：人民郵電出版社 2003 2 余永權(quán)，汪明慧，黃英.單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社， 2003 3 王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程.北京：清華大學(xué)出版社，2003 4 余永權(quán)，曾碧.單片機(jī)模糊邏輯控制.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995 5 章衛(wèi)國(guó)，楊向忠.模糊控制理論與應(yīng)用.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社 1999

60、 6 顧濱，趙偉軍，王泰，鮑可進(jìn)，李鐵香.單片微型計(jì)算機(jī)原理、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用. 北京：高等教育出版社，2000 7 王建笑，楊建國(guó)，寧改嫡，危建國(guó).C51 系列單片機(jī)及 C51 程序設(shè)計(jì).科學(xué)出版社 2002 8 戴佳，苗龍，陳斌.51 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)典型實(shí)例.北京：中國(guó)電力出版社2005 9 范風(fēng)強(qiáng)，蘭嬋麗.單片機(jī)語(yǔ)言 C51 應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)集錦.北京：電子工業(yè)出版社 2005 10 毛謙敏.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：國(guó)防工業(yè)出版社 2005 11 尹勇, 王洪成.單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境uVision2 使用指南及USB固件編程與調(diào)試.北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2004 12 胡偉

61、, 季曉衡.單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例.北京：人民郵電出版社 2003 13 馬忠梅.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社2003 14 周德澤，袁南兒，應(yīng)英著.計(jì)算機(jī)智能監(jiān)控控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2002.1 15 范逸之，陳立元.Visual Basic 與 RS-232 串行通信控制.北京：清華大學(xué)出版社，2002.6 21 附 錄：軟件代碼 Normal.h: /************************************************************************

62、 definition of data structure added ************************************************************************/ typedef bit BOOLEAN; typedef unsigned char INT8U; // Unsigned 8 bit quantity typedef signed char INT8S; // Signed 8 bit quantity typedef unsigned short INT16U; // Unsigned 16

63、 bit quantity typedef signed short INT16S; // Signed 16 bit quantity typedef unsigned long INT32U; // Unsigned 32 bit quantity typedef signed long INT32S; // Signed 32 bit quantity typedef float FP32; // Single precision floating point typedef double FP64; // Double precision floating point

64、 /*********************************************************************** 用途： 對(duì)常用的、普適性的宏的定義 ************************************************************************/ #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long #define OK 1 #define ERR 0

65、 #define ON 0xFF #define OFF 0 #define YES 1 #define NO 0 #define TRUE 1 #define FALSE 0 23 200 2 級(jí) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 第 24 頁(yè) 共 43 頁(yè) /************************************************************************ bit of port 的定義 ***********************************

66、*************************************/ sbit P0_0 = P0 ^ 0; sbit P0_1 = P0 ^ 1; sbit P0_2 = P0 ^ 2; sbit P0_3 = P0 ^ 3; sbit P0_4 = P0 ^ 4; sbit P0_5 = P0 ^ 5; sbit P0_6 = P0 ^ 6; sbit P0_7 = P0 ^ 7; sbit P1_0 = P1 ^ 0; sbit P1_1 = P1 ^ 1; sbit P1_2 = P1 ^ 2; sbit P1_3 = P1 ^ 3; sbit P1_4 = P1 ^ 4; sbit P1_5 = P1 ^ 5; sbit P1_6 = P1 ^ 6; sbit P1_7 = P1 ^ 7; sbit P2_0 = P2 ^ 0; sbit P2_1