毕业论文-基于AT89S52单片机的啤酒发酵温度测控仪设计Word文件下载.doc
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Beerfermentation
目录
1绪论………………………………………………………………………1
1.1啤酒概述……………………………………………………………1
1.2啤酒生产工艺流程…………………………………………………1
1.3单片机简介…………………………………………………………2
1.4传感器介……………………………………………………………3
1.5发酵罐的简介………………………………………………………3
1.6国内外啤酒发酵温度控制发展现状………………………………3
1.7课题研究目的………………………………………………………3
1.8课题研究内容及方案………………………………………………3
2啤酒发酵工艺和发酵罐温度控制方案………………………………4
2.1啤酒发酵工艺………………………………………………………4
2.2控制系统选择及简介………………………………………………6
2.3控制方案的确定……………………………………………………6
3系统硬件电路设计………………………………………………………7
3.1啤酒发酵温度控制系统电路结构…………………………………7
3.2主要器件选择及简介………………………………………………11
3.2.1单片机AT89S52……………………………………………11
3.2.2温度传感器DS18B20………………………………………11
3.2.3LED显示………………………………………………………11
3.3功能电路设计………………………………………………………13
3.3.1测温电路设计………………………………………………14
3.3.2显示与按键电路设计………………………………………16
3.3.3报警电路设计………………………………………………19
3.3.4接口电路设计………………………………………………22
3.3.5控制电路……………………………………………………23
4系统软件设计…………………………………………………………25
4.1程序流程图…………………………………………………………26
4.2主循环程序…………………………………………………………27
4.3传感器DS18B20基本操作子程序…………………………………27
4.4数据处理子程序…………………………………………………28
4.5显示子程序………………………………………………………29
4.6报警子程序………………………………………………………30
4.7延时子程序……………………………………………………32
5结论……………………………………………………………………35
参考文献…………………………………………………………………
基于AT89S52单片机啤酒发酵温度测控仪设计
1绪论
啤酒是以麦芽（包括特种麦芽）为主要原料，加酒花，经酵母酿制而成的，含有二氧化碳的、起泡的、低酒精度（体积分数）的发酵酒（低酵啤酒酒精度除外）。
啤酒是世界上产量最大、酒精含量最低、营养非常丰富的酒种，早在1977年7月在墨西哥举行的第届“国际营养食品会议”上就被正式列为营养食品。
据统计，除茶、碳酸饮料和牛奶以外，啤酒与咖啡并列为2001年世界人均消费量的第位，达到。
据国家统计局公布的数据显示：
我国啤酒产量在2002年之前的九年内连续位居世界第二，2002年的啤酒产量是万吨，超过了美国的多万吨，位居世界第一。
此后的五年内，中国啤酒产销量连续五年全球第一。
2003年国内啤酒消费量达到万吨，成为世界上最大的啤酒消费市场。
2006年全球啤酒生产量比2005年增长了六个百分点，达到亿升，增长量为亿升，其中近一半（亿升）是在中国实现的。
2007年国内啤酒增长达以上，中国的啤酒行业已经进入了准高速增长阶段，在此基础上，由于国内啤酒厂商不断整合，国内啤酒行业吨酒利润率不断上升。
作为日常消费品的啤酒产品正在面临消费升级的重大机遇。
近十年来，虽然我国啤酒产销量都位于世界领先水平，啤酒装备配套的技术水平也有了很大提高，但是和国外相比，由于我国啤酒产业起步比较晚，尤其是成套设备和国外的差距较大，自动化程度低，因此导致了产品生产效率比较低，生产质量也不高，啤酒能耗较大，这都是我国啤酒工业亟待解决的问题。
鉴于以上原因，提高我国啤酒设备的自动化水平将会是一个非常棘手的问题。
在啤酒生产的自动化控制过程中，温度是一个非常重要的参数，因此对于啤酒发酵罐温度的控制是自动化控制的一个重要方面。
温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械和石油等工业中，具有举足重轻的作用。
在啤酒的生产过程中，麦汁制取和啤酒发酵这两个阶段都必须把温度控制在一定的范围内，才能使啤酒的生产顺利成功。
随着中国啤酒产业的集团化、规模化和国际化进程的不断加快，中国啤酒市场的竞争也越来越激烈了。
因此啤酒生产的全自动化将会成为啤酒产业发展的最终趋势。
1.1啤酒发酵的概述。
啤酒发酵是在发酵罐中静态进行的，它是由罐体、冷却带、保温层等部件组成。
发酵罐的形状一般为圆形锥形，容积较大，大部分（我国的啤酒发酵罐容积在）以上。
啤酒发酵要严格的按着工艺曲线进行，否则就会影响啤酒质量。
为了有利于热量的散发，在发酵罐的外壁设置了上、中、下三段冷却套，相应设立上、中、下三个测温点和三个偏心气动阀，通过阀门开度调节冷却套内的冰水流量以实现对就提温度的控制。
以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量，相应有三个冷媒阀门，通过控制流过冷却带的冷媒流量，控制发酵罐的温度。
在发酵的过程中，温度在不断的升高，当达到上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循环使罐内的温度降下来。
当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续发展，整个发酵过程大约多天完成。
因此，控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键。
1.2啤酒发酵生产工艺流程
啤酒生产可以分成两大部分：
麦芽制取和啤酒酿造。
下面将分别讲述麦取和啤酒制造的工艺流程，其工艺流程如图1和2所示。
（1）麦芽制造工艺流程
麦芽制取主要有三大步骤：
浸麦、发芽和干燥。
麦芽制造的简单流程如1所示。
图1-1麦芽制造工艺流程图
（2）啤酒酿造工艺流程
啤酒酿造的工艺流程如图2所示，从下面这个图中可以对啤酒酿造有一个比较抽象的理解。
图1-2啤酒酿造工艺流程图
图3能形象地表达出啤酒制造过程的每一个步骤，更能对啤酒制造整体过程有一个形象的理解。
图1-3啤酒生产流程图
1.3单片机的简介
1.3．1单片机
单片机是将微机的CPU、存储器、I/O接口和总线制作在一块芯片上的超大规模集成电路。
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器、串行通信口（SCI）、显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）、脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转换器和A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小的然而完整的计算机系统。
这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。
通过分析单片机的特点可以看出，单片机有着微处理器所不具有的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这也是单片机最大的特点。
1.3.2单片机的应用领域
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理和过程控制等领域，大致可分如下几个范畴。
（1）在智能仪器仪表上的应用
（2）在工业控制中的应用
（3）在家用电气中的应用
（4）在计算机网络和通信领域中的应用
（5）单片机在医用设备领域中的应用
此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防和航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
1.4传感器简介
传感器的经典定义是指能够感受规定的被测量，并按照一定规律转换成与之相对应的可用输出信号的元器件或装置的总称[6]。
通常认为传感器是一种以一定的精确度把被测量转换成与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。
传感器一般被认为是由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成的，有时还需外加辅助电源，组成框图如图4所示。
图1-4传感器原理图
1.5发酵罐简介
现代发酵技术主要包括大容量发酵罐发酵法（其中主要是圆柱露天锥形发酵罐发酵法）、高浓糖化后稀释发酵法、连续发酵法等。
圆柱锥形发酵罐是目前世界通用的发酵罐，该罐主体呈圆柱形，罐顶为圆弧状，底部为圆锥形，具有相当的高度（高度大于直径），罐体设有冷却和保温装置，为全封闭发酵罐。
圆柱锥形发酵罐既适用于下面发酵，也适用于上面发酵，加工十分方便。
德国酿造发明的历史圆柱锥形发酵罐由于其诸多发面的优点，经过不断改进和发展，逐步在全世界得到推广和使用。
我国自20世纪70年代中期，开始采用室外圆柱体锥形底发酵挂发酵法（简称锥形罐发酵法），目前国内啤酒生产几乎全部采用此发酵法。
1.5.1锥形罐发酵法的特点
（1）底部为锥形便于生产过程中随时排放酵母，要求采用凝聚性酵母。
（2）罐本身具有冷却装置，便于发酵温度的控制，生产容易控制，发酵周期缩短染菌机会少，啤酒质量稳定。
（3）罐体外设有保温装置，可将罐体置于室外，减少建筑投资，节省占地面积，便于扩建。
（4）采用密闭罐，便于洗涤和回收，发酵也可在一定压力下进行，即可做发酵罐，也可做贮酒罐，也可将发酵和贮酒合二为一，称为一罐发酵法。
（5）罐内发酵液由于液体高度而生产梯度（即形成密度梯度）。
通过冷却控制，可使发酵液进行自然对流，罐体越高对流越强。
由于强烈对流的存在，酵母发酵能力提高，发酵速度加快，发酵周期缩短。
（6）发酵罐可采用仪表或微机控制、操作、管理方便。
（7）锥形罐既适用于下面发酵，也适用于上面发酵。
（8）可采用CIP自动清洗装置，清洗方便。
（9）锥形罐加工方便（可在现场就地加工），实用性强。
（10）设备容量可根据生产需要灵活调整，容量可从不等，最高可达
1.5.2锥形罐工作原理
锥形罐发酵法发酵周期短、发酵速度快的原因是由于锥形罐内发酵液的流体力学特性和现状啤酒发酵技术采用的结果。
接种酵母后，由于酵母的凝聚作用，使得罐底部酵母的细胞密度增大，导致发酵速度加快，发酵过程中产生二氧化碳量增多，同时由于发酵液的液柱高度产生的静压作用，也使二氧化碳含量随液层变化呈梯度变化,因此罐内发酵液的密度也呈梯度变化，此外，由于锥形罐体外设有冷却装置，可以认为控制发酵各阶段温度。
在静压差、发酵液密度差、二氧化碳的释放作用以及罐上部降温产生的温差（）这些推动力的作用下，罐内发酵液生产了强烈的自然对流，增强了酵母与发酵液的接触，促进了酵母的代谢，是啤酒发酵速度大大加快，啤酒发酵周期显著缩短。
另外，由于提高了接种温度、啤酒主发酵温度、双乙酰还原温度和酵母接种也利于加快酵母的发酵速度，从而使发酵能够快速进行。
1.6国内外啤酒发酵温度控制发展现状
目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先是由温度传感器来实现的。
测温仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。
温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。
温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有:
膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。
随着生产的发展,新型温度传感器还会不断出现,目前,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种:
热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪
啤酒发酵温度的控制是决定产品品质的关键因素，所以，必须对生产过程中的温度进行严格的控制。
啤酒发酵是一个具有时变性、非线性的复杂生化反应过程，使用冷却酒精水通过热交换器间接降温的方法控制发酵温度。
传统的手动控制不仅控制质量不稳定，而且操作工人的劳动强度也很大，人力资源浪费问题十分严重，为此我们使用以AT89S52单片机为核心的控制系统来控制啤酒发酵温度。
采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、灵活和组态简单的优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而可以显著提高啤酒产品的质量。
1.7课题研究目的
本次设计采用AT89s52单片机与各种外围电路构成单片机温度自动检测和控制系统，实现对温度的实时检测和控制。
通过本次设计掌握温度检测控制系统的硬件设计方法和软件编写方法。
通过课题的研究进一步巩固所学的知识，同时学习课程以外的相关知识，培养综合应用知识的能力。
锻炼动手能力与实际工作能力，将所学的理论与实践结合起来。
1.8课题研究内容及方案
本温度控制系统是一个闭环反馈控制系统，它用温度传感器将检测到的温度信号经放大，A／D转换后送入单片机中进行数据处理并显示当前温度值，用当前温度值与设定温度值进行比较。
根据比较的结果得到控制信号用以控制继电器的通断，实现对加热器的控制。
通过这种控制方式实现对保温箱的温度控制。
本课题设计的内容主要包括硬件设计和软件设计两部分。
系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行等电路的设计。
软件程序编写主要用来实现对温度的检测、标度转换、LED显示、继电器控制等数据处理功能。
2啤酒发酵工艺和发酵罐温度控制方案
2.1啤酒发酵工艺
啤酒发酵是啤酒生产过程中的关键工序，啤酒的发酵过程是否能按照工艺严格执行，以及其执行的效果，将会直接决定啤酒的质量。
啤酒发酵过程直观上可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程。
啤酒的整个生产过程主要包括糖化、发酵和啤酒分装三个环节。
1、糖化
啤酒的糖化过程是啤酒生产过程中的关键工序。
糖化过程一般使用糖化锅、糊化锅、过滤槽、煮沸锅等设备。
麦汁制备过程中需要检测的参数主要有温度、压力、物位和流量。
对介质温度实施检测控制，即按照工艺要求的糖化曲线控制糖化过程的进程，是过程控制的主要内容。
2、发酵
啤酒发酵是微生物的一个代谢过程，简单的说就是把糖化之后产生的麦汁经酵母发酵分解成酒精（）、二氧化碳（）和水（）的过程，同时还会产生种类繁多的中间代谢物。
虽然这些代谢产物的含量非常低少，但它们对啤酒的质量和口味将会产生非常大的的影响。
一般认为低温发酵可以降低双乙酰和脂类等代谢物的含量，提高啤酒的色泽和口味；
高温发酵则可以加快发酵速度，提高生产效率和经济效益。
总之，如何掌握好啤酒发酵过程中的发酵温度，控制好温度的升降速度是决定啤酒生产质量的关键所在。
整个发酵过程分前酵和后酵两个阶段，发酵温度的工艺设定曲线如图2-1所示。
图2-1啤酒发酵过程温度工艺曲线
在上图中，oa段为自然升温段，不需外部控制；
ab段为主发酵阶段，控制温度一般在左右；
bc段为降温阶段，是主发酵阶段和后酵阶段的过渡时期，经过此阶段后发酵进入后酵阶段，在此阶段降温速度一般为；
cd段为后酵阶段，温度一般控制在左右；
de段为进入贮酒阶段的过程，降温速度比较慢，一般为；
ef段为贮酒阶段，也就麦汁发酵完毕之后啤酒长期贮存的温度，这个时期啤酒温度一般控制在左右。
（1）前酵
这个阶段又称为主发酵。
在这个过程中麦汁糖度下降，产生并释放生化反应热，从而使整个罐内温度逐渐上升。
经过天后进入发酵最为旺盛的高泡期，再经过天，糖度进一步降低。
当罐内发酵糖度达到工艺要求之后，便可以降低温度转入整个发酵过程的后酵阶段。
（2）后酵
当发酵罐内部麦汁温度从前酵的降到左右时后酵阶段就开始了。
在这一阶段最重要的是进行双乙酰的还原。
一旦双乙酰含量指标合格之后，发酵罐便可以进入第二个降温过程，以提高啤酒的风味和质量。
经过一段时间的贮酒，整个发酵环节基本结束。
在不同的发酵阶段，发酵罐内部发酵液的温度场要有相应的要求：
在前酵阶段希望发酵罐内从罐顶到罐底有一正的温度梯度，即以控制上层温度为主，以利于发酵液对流和酵母在罐内的均与混合；
在后酵阶段，则要求发酵液由上到下有一定的负温度梯度，即控制以下层温度为主，便于酵母的沉淀和排除。
对于发酵罐上、中和下三部分温度控制设定工艺曲线如图2-2所示。
（a）上层（b）中层（c）下层
图2-2温度控制设定工艺曲线
3、啤酒过滤和分装
在这个阶段主要是对发酵之后的啤酒初级产品进行再次处理。
在啤酒发酵结束之后需要对啤酒进行澄清处理，如果用于销售还需要根据啤酒的销售方式对啤酒进行相应的包装。
2.2控制系统选择及简介
根据啤酒发酵控制工艺环境与工艺控制需求，经过认真调研、分析，对目前国内外较先进的发酵温度控制系统进行了综合比较与评价。
同时，又充分考虑本课题的综合实力、现状与发展等因素，该啤酒发酵温度控制系统采用以AT89S52单片机为核心的控制系统。
该系统可靠实用、技术先进，完全满足了本课题啤酒生产发酵工艺的技术要求，并兼顾了该课题发酵装置发展的需求。
本控制系统由硬件系统和软件系统两部分组成。
硬件系统以单片机为核心，在其外围扩展存储器、外围设备、功能电路和接口电路等，是整个系统的物理基础；
软件部分则是在硬件系统的基础上，为完成本控制系统对温度控制的要求而编写的监控程序和应用程序。
2.3控制方案的确定
由于在啤酒的发酵过程中，发酵罐内部麦汁温度的升高主要原因是内部反应所放出的热量，所以发酵过程的升温速度是不可以控制的，所能控制的只有降温的速度。
本系统设计的啤酒发酵温度控制系统是通过绕在啤酒发酵罐内壁上的蛇形管中的冷却液的循环流动来实现的，冷却液的流量和速度决定了降温的速度，因此可以通过控制冷却液的流量来控制温度，从而达到控制酒体温度的目的。
根据以上所述的本系统的控制要求，为了实现发酵罐三个位置的温度同时得到监控，本设计中采用的方法是在一个采样周期中循环检测三路温度，并在一控制周期内向三路控制通道输出需要的控制量。
图2-2为圆筒锥底发酵罐示意图。
由于本系统使用的是具有严重非线性特性的管道制冷系统，所以本设计中采用电磁阀作为整个控制系统的执行器件，在对冷却液流量的控制中，通过改变一个控制周期内阀门的开度，从而达到了较好的使酒体冷却和保温的目的。
图2.2圆筒锥底发酵罐示意图
3系统硬件电路设计
3．1啤酒发酵温度控制系统电路结构
在本啤酒发酵温度控制系统中，在一个采样周期内安装于啤酒发酵罐上、中、下三个位置的温度传感器DS18B20将会分别采集发酵罐上、中和下三个位置的温度信号。
采集到的三个温度信号将会按照设定好的顺序依次向单片机提供中断信号，从而可以把测得的温度信号读入到单片机内部，然后再把预先设定好的发酵过程具体阶段的设定值与实测值相比较。
然后根据比较之后所得的余差给电机和电磁阀发出相应的控制信号。
在具体的硬件电路的设计过程中，需要引起注意的一点是外界干扰的消除。
控制系统的硬件结构框图如图3.1所
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