啤酒发酵工业中的信号检测与温度控制(编辑修改稿)

啤酒发酵工业中的信号检测与温度控制(编辑修改稿)内容摘要：

明，通过选择合适的加压介质、加压方式，可以保证微生物活性基本不受影响。 同时，压力可以增进细胞膜通透性，改善难溶底物的溶解性质，提高基质，产物的传质速率。 另外，压力作为微生物生长的胁迫因子，可以显著改变细胞的代谢通量，刺激细胞分泌应激产物。 针对某些发酵产物，适当提高压力有利于加快产物的合成。 啤酒发酵过程中各工艺参数的信号检测及控制 pH检测与控制pH检测可以取外采样，但这样不利于自动化管理。 因此一般采用在线检测，使用pH传感器。 pH的控制方法如今用的比较多的是补料的方法来调节pH，以生理酸性物质(硫酸铵)和碱性物质(氨水)来控制。 pH低，氨氮低，补氨水；pH高，氨氮低，补硫酸铵。 这种方法既可以达到稳定pH值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产生阻遏作用的物质。 少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作用，提高产物产量。 也就是说，采用补料的方法，可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节pH值和培养液的特性（如菌浓等）等几个目的。 pH控制如下图31所示。 图31罐内pH控制框图温度检测一般直接采用温度传感器。 罐内的温度值T是通过罐内的温度传感器采样并通过变送器将测得的数据送入单片机，再由单片机确定发酵罐温度设定值T2,发酵罐的温度T2则按照下图进行闭环回路控制并最终达到控制罐内温度T目的。 发酵罐内的温度值是通过罐内的温度传感器进行信号的采集，并通过测量电路将其转换为15V的电压信号送入A/D转换器，经过模数转换后将数字量送入计算机，计算机则通过预设的算法进行运算，然后得到相应的控制信号送入驱动放大电路，驱动控制阀控制冷媒的流量来控制发酵罐的温度。 罐内温度控制如下图32所示。 图32罐内温度T控制框图压力检测一般采用压力仪直接测量。 压力仪将罐内压力P转化为420mA电流信号，经过滤波和电流电压转化电路得到15V的电压信号。 此信号然后传输至A/D转换器，得到的数字量信号传输至单片机，单片机通过预设的PID算法进行运算得到相应的控制信号，通过D/A和电压电流转换后得到420mA的模拟信号，然后送至驱动放大电路，得到信号用来控制排气电动调节阀开闭的大小，借此以保持罐内压力P恒定，并形成对压力P的闭环控制。 罐内压力控制如下图33所示。 图33 罐内压力P控制框图溶解氧的测定一般采用溶氧仪。 对溶解氧进行控制的目的是把溶解氧浓度值稳定控制在一定的期望值或范围内。 在微生物发酵过程中，溶解氧浓度与其它过程参数的关系极为复杂，受到生物反应器中多种物理，化学和微生物因素的影响和制约。 对溶氧量（DO）值的控制主要集中在氧的溶解和传递两个方面。 （1）控制溶氧量。 控制溶氧量首要因素是控制氧分压。 高密度培养往往采用通入纯氧的方式提高氧分压，而厌氧发酵则采用各种方式将氧分压控制在较低水平。 如啤酒发酵，麦汁充氧和酵母接种阶段，一般要求氧含量达到810PPM；而啤酒发酵阶段，一般啤酒中的含氧量不得超过2PPM。 此外，由于氧是难溶气体，一定温度和压力下，DO值有一上限。 为此，向发酵液中加入氧载体是提高DO值的一个行之有效的方法。 实验表明，在发酵基质中添加5％正十二烷，可明显地提高发酵介质中的溶氧水平，改善供氧条件，维持溶氧的相对稳定，增加菌体浓度，提高发酵水平(21％左右)。 (2)控制氧传递速率。 氧传递速率主要考虑体积溶氧系数（KLa）的影响因素。 从一定意义上讲，KLa愈大，好氧生物反应器的传质性能愈好。 控制KLa的途径可分为操作变量、反应液的理化性质和反应器的结构3个部分。 操作变量包括温度、压力，通风量和转速(搅拌功率)等发酵液的理化性质包括发酵液的黏度、表面张力、氧的溶解度、发酵液的组成成分、发酵液的流动状态、反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的形式等。 当然有些因素是相互关联的。 值得注意的是，在培养过程中并不是维持DO越高越好。 即使是专性好气菌，过高的DO对生长可能不利。 过量的氧形成新生氧，超氧化物和过氧化物基，破坏许多细胞组分，进而破坏微生物生长。 罐内溶解氧控制如下图34所示。 图34 罐内溶解氧DO控制框图发酵过程中通过测定发酵过程中的数据以便对此过程进行有效的控制。 其目的包括：了解过程变量与预期是否一致；对不可测变量进行估计；对过程变量给定值进行手动或自动控制；通过过程模型实施计算机控制；收集数据等等。 除了基本的pH，温度，压力，溶解氧模拟量测定外，还包括体积，流量，溶CO2等等其他物理化学量的测定。 第四章 控制系统的硬件设计在本啤酒发酵温度控制系统中[9]，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控制阀发出相应的控制信号。 与此同时，需要引起注意的是如何消除外界干扰。 控制系统的硬件结构框图[10]如下图所示。 本系统主要由 AT89S52 单片机、温度采集电路、液晶显示接口、键盘接口、报警电路、AD转换器ADC0809﹑DA转换器DAC083电压放大和 V/I 转换等单元组成。 图41 啤酒发酵温度控制硬件结构框图温度传感器从现场采集到温度通过温度变送器转化为420mA的电流，再经过A/D转换输入到单片机AT89S52，单片机检测温度是否超出，如果超出启动报警，同时将测出的温度显示在LED显示屏上，单片机内部通过与预设的温度对比，经过PID算法分析，将输出量通过D/A转换，I/V转换成电压来控制冷媒的控制阀，从而对发酵罐的温度进行控制。 微处理系统 单片机AT89S52[11]单片机型号的选择[12]应当根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定。 根据本课题的实际情况，适合本课题的单片机型号的选择主要从以下两方面考虑：一是要有较强的抗干扰能力，这是任何一个控制系统都需要考虑的问题；二是要有较高的性价比，也就是能够利用最低的成本实现本系统的功能。 由于52系列单片机在我国使用最广，并且该系列单片机的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是美国 ATMEL 公司 2003 年推出的新一代 89S 系列单片机，其典型产品 AT89S52 单片机具有较高的性能价格比。 因此本系统采用ATMEL 公司生产的 AT89S52 单片机作为检测系统的核 心部件，AT89S52 单片机是 AT89S 系列单片机中的一种，它是 AT89C52 系列单片机的更新换代产品，AT89C52 现已广泛应用于工业控制等各领域的，它具有 89C52 的全部功能。 是80C51 单片机的增强型并且指令完全兼容。 AT89S52 的引脚分布如下图所示。 图42 AT89S52引脚号AT89S52主要特性[13]如下：（1）兼容 MCS—51 单片机； （2）8k 字节 FLASH 存储器；（3）1000次擦写周期； （4）256 字节内部 RAM；（5）全静态时钟 0HZ 到 33MHZ； （6）三级程序锁存器；（7）32个可编程 I/O 口； （8）3个 16 位定时/计数器；（9）8个中断源； （10）全双工双向 UART 通道；（11）双数据指针； （12）上电复位标志；（13）低功耗支持 Idle 和 Powerdown 模式；此外,与AT89C52相比AT89S52 还新增加了许多功能，这将使得单片机在工作过程中具备更高的稳定性和电磁抗干扰能力。 首先，AT89S52 内部增加了片内看门狗定时器，这将有利于坚固用户应用系统，提高系统的可靠性；其次 AT89S52独有的双指针功能，使数据操作更加快捷方便；再次，AT89S52 运行速度更高，最高晶振可达33MHZ；最后 AT89S52 支持 ISP（InSystem Programming）在线下载功能，使得其使用更加方便。 AT89S52 中 ISP 引脚有：RST、MOSI、MISO和 SCK。 用户可以直接替代应用系统中的 AT89C51/52，而且软件和硬件均不需作任何修改，这给正使用 AT89C52 单片机的用户更新换代带来了许多方便。 正因为 AT89S52 单片机具有更高的可靠性和安全性的功能，所以能够避免因外部芯片扩展过多或传感器输入信号过多而引起的信号失真、电磁干扰等现象的发生，从而进一步提高了系统的稳定性。 键盘电路设计本次设计为44的矩阵键盘，这样的设计可以有效的减少键盘与单片机接口时所占用的I/O接口。 在这种非编码键盘的单片机[15]系统中，键盘处理程序首先执行有无按键按下的程序段，当确认有按键按下后，下一步就要识别哪一个按键被按下，对键的识别常采用逐行（逐列）扫描的方法。 首先判断有无按键按下。 方法是：向行线输出全扫描字00H，把全部行线置为低电平，然后将列线的电平状态读入到累加器A中，如果有按键按下，会使列线电平被拉至低电平，是列输入不全为1。 判断键盘哪一个键被按下。 方法是：一次给行线送低电平，然后查所有列线状态，称为行扫描，如果全为1，则所按下键不在此行，如果不全为1，则所按下键必在此行，而且是在与零电平列线相交的交点上的那个键。 在此，按键的位置码并不等于按键的实际定义键值，因此还必须进行转换，即键值译码，本次设计中采用软件实现键值的译码，译码方式如下：第0行键值为：0行4+列号（0~3）为0、3；第1行键值为：1行4+列号（0~3）为7；第2行键值为：2行4+列号（0~3）为A、B；第3行键值为：3行4+列号（0~3）为C、D、E、F； 原理：44的矩阵键盘的连接原理图如+5V下图： 10KΩ AT89S52输 出 端 口 （行扫描） 0 1 2 3 第0行 4 5 6 7 第1行 8 9 A B 第2行 C D E F 第3行 输入端口线 （读入检查） 图43 键盘电路接口 显示电路设计显示电路[16]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、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。 在显示电路中，需要使用到74LS48集成芯片。 74LS48用作七段数码管数值显示译码器，使得数码管能够正确显示数值。 74LS48芯片的电路结构原理[17]及引脚图：引脚图中的大写字母A、B、C、D为BCD码输入端，小写字母a、b、c、d、e、f、g为字型码输出端，LT为灯测试输入端，RBI为消隐输入，RBO为消隐输出。 表41为74LS48 BCD7段锁存/译码/驱动器作为段驱动器的输入输出信号的对应关系。 在使用时，将芯片的输入端引脚A、B、C、D与单片机的P0口相连接，该芯片的输出端七个管脚，与LED显示器的七个段码引脚相连接。 74LS48的作用是接受来自单片机的BCD码型的输入信号，经锁存、译码和放大后，输出七段字型码到LED显示器，完成对BCD码到七段字型码的锁存、译码和驱动的功能。 图44 74LS48引脚图表41 74LS48 BCD7段译码器输入/输出端信号对照表输入端电平输出端电平显示字型输出端电平输出端电平显示字型D C B Ag f e d c b aD C B Ag f e d c b a0 0 0 00 0 0 0 0。