此时加入积分作用，可消除系统静差，保证系统的控制精度。根据递增原理可得

U(k)＝kpｅ(k)+kiki＝0!ｅ(i)+kd[e(k)-e(k-1)] （１） 式中：e(k)=r(k)-y(k)为第ｋ时刻所得偏差信号，rk是给定值，yk是实际输出值；kp为比例增益，ki为积分系数，kd为微分系数。则增量式ＰＩＤ控制算法为

Δu(k)＝kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] （２） 2）当|e(k)|≥M时，用PD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PD控制，可以提高系统的动态响应速度，避免产生过大的超调，减小动态误差。

数据处理程序流程图如图4所示。

子程序入口 计算e(k)=r(k)-y(k) 计算ki×e(k) 计算kp[e(k)-e(k-1)] 计算kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] |e(k)|≥m? 求取PID控制的Δu(k) 求取PD控制的Δu(k) 子程序返回

图4 数据处理程序路程图

3.抗干扰措施

在硬件方面的抗干扰措施有：①在电源输入端设置低通滤波器，滤去高次谐波成份。②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。③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。④采用

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了AT89S52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：①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FF（RST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NOP指令，以保证程序流向的正确性。②利用平均滤波法求取平均值。将最近6次采样得到的温度值，去除最大值和最小值，求算术平均值。

五、各部分电路设计

1.微处理器系统

AT89S52单片机为主控制器件。AT89S52是ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS8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PID控制并计算出相应的控制数据量，将控制数据量输出到D/A转换器。AT89S52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8155A芯片来扩展键盘和液晶显示，用MAX232实现RS-232C标准接口通信电路。键盘主要负责温度控制范围和PID控制参数的输入；液晶显示器采用LMC128X64液晶显示模块，把温度控制结果显示在液晶屏上。

2.数据采集电路的工作原理

温度传感器使用集成温度传感器LM35，它的灵敏度为10MV/℃，即温度为10℃时，输出电压为100mV。常温下测温精度为+/-0.5℃以内，消耗电流最大也只有70μA。本文采用±5V双电源供电方式，电路简单，不需要对LM35的输出进行调整。

将LM35的输出电压放大5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5倍），使放大器输出电压限制在不大于5V的范围（给定温度对应值要在5V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TLC2272等。

由于温度信号为缓慢变化的信号，对A/D转换速度要求不高，可选用价廉的集成A/D芯片ADC0809。ADC0809将经过5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。

3.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警。蜂鸣器报警电路由

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晶体管和蜂鸣器组成。由单片机I/O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。

4.驱动电路

DAC0832输出的0-5V的电压经过放大器放大为0-10V的电压。由于DDZ-III型电动角形阀的控制信号是4-20mA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。V/I转换电路使用集成电路AD694。DDZ-III型电动角形阀以单相交流220V电源为动力，接受4-20mA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。

六、整体电路图

本系统主要由AT89S52单片机、温度采集与A/D转换电路、8155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、DAC0832、电压放大和V/I转换等单元组成。控制系统硬件组成框图如图5所示。

冷却酒精水调节阀 温度传感器信号和5倍电压放大器 ADC0809 AT89S51 单 液晶显示电路 8155 扩展电路 片 机 电压放大和V/I转换 DAC0832 蜂鸣器报警电路 出口通信电路 键盘控制 PC上位机

图5 控制系统硬件结构框图

七、设计总结

1.设计过程中遇到的问题及解决方法

啤酒发酵过程中由于发酵液自身的生化反应、罐内的自然对流以及发酵液与

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冷带以及外界环境之间的热交换，使得被控对象具有时滞性和时变性特征，而且发酵罐内的温度场分布难以精确建模。通过对PID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。

2.设计体会

本次设计让我深刻的理解了一些在学习中没有理解的知识。多次的查阅资料，使我了解了啤酒发酵过程温度控制系统的相关知识。本次设计对我影响深远，在以后的工作中，我会牢记老师的教导来服务社会。在这次课程设计中，我们结合所学知识以及查阅的资料，将理论与实际相结合，不仅了解了生产过程的复杂，更加深刻的掌握了理论知识。

3.对设计的建议

啤洒发酵是一个复杂的生物化学反应过程。发酵期间，根据酵母的活动能力，繁殖快慢，确定发酵给定的温度。要使酵母的繁殖与哀减，麦汁中糖度的消耗和双乙酞等杂质含量达到最佳状态，必须严格控制发酵各个阶段的温度。因此，啤洒发酵过程，除生产工艺水平外，生产工序控制指标的优劣，将直接影响啤洒生产的质量，必须严格加以控制。

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