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1、摘 要随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象的温度进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。啤酒发酵过程是一个极其复杂的生化放热反应,其温度控制对象具有严重的非线性、时变性、对象模型的不确定性， 并存在严重的纯滞后性。本文通过对啤酒发酵温度动态特性的分析及其控制方案的综合比较，结合单片机在温度控制中所具备的强大功能，设计了一个以 AT89C52 单片机为核心的啤酒发酵温度控制系统。本设计依据啤酒发酵过程中对发酵罐的温度控制提出的具体功能要求，主要介绍了 AT89C52 芯片各引脚功能和系统各组成部分单片机元件的工作原理及电路原理图，并且绘制出了部分主要元件的电路图和连接图，并
2、在最后绘制出了各相关软件的流程图和软件的具体程序。本设计还把外扰和模型不确定性都看作外部扰动, 预先估计出过程在基本扰动下的动态特性,介绍了应用于啤酒发酵过程温度的数字 Smith 预估补偿控制，为解决时滞系统的控制问题提供了一种有效的途径。该系统具有硬件结构简单、成本低,扩展性、移植性强, 软件功能完善，控制系统可靠，具有一定的参考实用价值。关键词：AT89C52 单片机，啤酒发酵过程，温度检测与控制，Smith 预估器，传感器ABSTRACTAccording to the fast development of single chip technology in recent years
3、, control the object temperature through the single chip has become a major development directions of the automatic control field. The process of the beer fermentation is a very complex biochemistry exothermic reaction, its temperature control has very serious Non-linearity When denaturation Uncerta
4、inty of Object model and has Pure time delay .The paper based on the analysis of the beer fermentation temperature Dynamic Properties and the comparison the control program , combine the powerful function of single chip in which temperature control, design a AT89C52 as the core of beer fermentation
5、temperature control system .The design based on the beer fermentation process for fermenter temperature control to the specific functional requirements, introducing AT89C52 Chip various pins function and introducing principle and circuit diagram of single chip System components ,and drawing Some of
6、the key components of the circuit diagrams and link map , and drawing the flowchart of related Software and concrete procedure of software. The design also regards the outside harasses and the model uncertainty as exterior perturbation, estimating the process in advance under the basic perturbation
7、dynamic characteristic , introducing temperature digital Smith estimate compensate control which applies in the beer fermentative process, providing one effective way to solve the time-lag system control problem. The system has hardware to be circuit simple to design originally, with perfect functio
8、n software have , reliable control system have, the high characteristic of cost performance, have certain use and reference value.KEY WORDS : AT89C52single chip，beer fermentation process, Smith predictor controller， sensor目 录摘 要 IABSTRACT II1 绪论 11.1 系统开发背景 11.2 温度控制系统的概况 11.3 啤酒发酵的工艺流程 21.4 选题的提出及意
9、义 31.5 本文的主要工作 42 啤酒发酵过程动态特性分析与温度控制策略 52.1 发酵过程温度控制对象及动态特性 52.2 发酵过程温度控制策略 63 系统的硬件设计 83.1 系统结构框图 83.2 系统 CPU 芯片介绍 83.2.1 89C52 单片机 83.2.2 扩展外部存储器电路 123.3 输入电路芯片介绍 133.3.1 AD590 温度传感器 133.3.2 AD 转换芯片 ADC0809 153.4 键盘、显示、报警电路 183.4.1 键盘电路 183.4.2 显示接口电路 213.4.3 报警电路 243.5 输出电路介绍 263.5.1 DA 转换芯片 DAC08
10、32 263.5.2 执行器的设计 274 系统的软件设计 294.1 系统的控制算法 294.2 系统软件程序设计 314.2.1 主程序设计 324.2.2 T0 中断服务程序 324.2.3 子程序清单 344.3 源程序清单 365 总结 42致 谢 43参 考 文 献 44一 、 传 统 发 酵 技 术生产工艺流程： 充氧冷麦汁发酵前发酵主发酵后发酵贮酒鲜啤酒 菌种 编 辑 本 段 二 、 现 代 发 酵 技 术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。 （ 一 ） 锥 形 发 酵 罐 发 酵 法 传统啤酒是在
11、正方形或长方形的发酵槽（或池）中进行的，设备体积仅在 530m，啤酒生产规模小，生产周期长。20 世纪 50 年代以后，由于世界经济的快速发展，啤酒生产规模大幅度提高，传统的发酵设备以满足不了生产的需要，大容量发酵设备受到重视。所谓大容量发酵罐是指发酵罐的容积与传统发酵设备相比而言。大容量发酵罐有圆柱锥形发酵罐、朝日罐、通用罐和球形罐。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 酿造师发明的立式圆柱锥形发酵罐由
12、于其诸多方面的优点，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罐发酵法（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 CO2 洗涤和 CO2 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
13、，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产生 CO2 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 20600m 不等，最高可达 1500m。 2. 锥 形 罐 工 作 原 理 与 罐 体 结构 （1）锥
14、 形 发 酵 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代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，发酵过程中产生的二氧化碳量增多，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（见表 4-3-1） ，因此罐内发酵液的密度也呈现梯度变化，此外，由于锥形罐体外设有冷却装置，可以人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（12）这些推动力的作用下，罐内发酵液产生了强烈的自然对流，增强了酵母与发酵液的接触
15、，促进了酵母的代谢，使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量也利于加快酵母的发酵速度，从而使发酵能够快速进行。 （2）锥 形 发 酵 罐 基 本 结 构 罐 顶 部 分 罐顶为一圆拱形结构，中央开孔用于放置可拆卸的大直径法 兰 ，以安装 CO2 和 CIP 管道及其连接件，罐顶还安装防真空阀、过压阀和压力传感器等，罐内侧装有洗涤装置，也安装有供罐顶操作的平台和通道。 罐 体 部 分 罐体为圆柱体，是罐的主体部分。发酵罐的高度取决于圆柱体的直径与高度。由于罐直径大耐压低，一般锥形罐的直径不超过 6m。罐体的加工比罐顶要容易
16、，罐体外部用于安装冷却装置和保温层，并留一定的位置安装测温、测压元件。罐体部分的冷却层有各种各样的形式，如盘管、米 勒 扳、夹套式，并分成 23 段，用管道引出与冷却介质进管相连，冷却层外覆以聚氨酯发泡塑料等保温材料，保温层外再包一层铝合金或不锈钢板，也有使用彩色钢板作保护层。 圆 锥 底 部 分 圆锥底的夹角一般为60，但这多用于大容量的发酵罐。发酵罐的圆锥底高度与夹角有关，夹角越小锥底部分越高。一般罐的锥底高度占总高度的 1/4 左右，不要超过 1/3。圆锥底的外壁应设冷却层，以冷却锥底沉淀的酵母。锥底还应安装进出管道、阀门、视镜、测温、测压得传感元件等。 此外，罐的直径与高度比通常为1：21：4，总高度最好不要超过 16m，以免引起强烈对流，影响酵母和凝固物的沉降。制罐材料可用不锈钢或碳钢，若使用碳钢，罐内壁必须涂以
