CN102426468A - 一种糖化仪控制器 - Google Patents

Abstract

一种糖化仪控制器，包括有微控制器，微控制器与温度传感器转换电路、小型键盘、加热器、搅拌电机、显示器、蜂鸣器、LED0、LED1、液位传感器及电磁水阀相连，彩色液晶显示器用于显示温度测量值、水槽实时温度值及温度曲线、工作模式选择、糖化时间及故障提示等；小型操作键盘用于选择工作模式，设定温度以及补偿参数，加热器和搅拌采用固态继电器控制；水槽液位超限时，控制器控制溢水阀自动打开，以保证适度的液位；同时设置蜂鸣器用于报警，控制器软件实现工作模式选择、温度传感器补偿、恒温控制、恒速升温控制、糖化时间的控制以及液晶显示参数和曲线显示，具有糖化温度控制准确和精度高的特点。

Description

一种糖化仪控制器

技术领域

本发明属于糖化度测量仪器的技术领域，特别涉及一种糖化仪控制器。

技术背景

糖化仪测量是啤酒和麦芽生产过程中的一个重要环节，通过对糖化度的测量，可以有效地了解麦芽及其辅助的糖化力、糖化时间以及浸出物，从而可以准确地确定酿造过程的控制参数。糖化仪是糖化度测量的核心设备，测量糖化度时，由糖化仪控制被测物的温度、恒温时间、升温速度以及糖化时间，这些参数直接影响糖化度测量的准确性和精度。目前，糖化仪在温度和恒速升温控制时，其指标不能达到理想的测量要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种基于高性能微控制器及新型温度方法的糖化仪控制器，具有糖化温度控制准确和精度高的特点。

为了实现上述发明的目的，本发明采用的技术方案是：

一种糖化仪控制器，包括有微控制器，微控制器的P1.0接口与温度传感器转换电路相连，微控制器的P1.1接口与小型键盘相连，微控制器的P1.3接口通过SSR与加热器4相连，微控制器的P3.4接口通过SSR与搅拌电机相连，微控制器的P0.0接口与显示器模块的DB0.0～DB0.7接口相连，微控制器的P2.1接口与显示器模块的RS接口相连，微控制器的P2.2接口与显示器模块的R/W接口相连，微控制器的P2.3接口与显示器模块的CS1接口相连，微控制器的P2.4接口与显示器模块的CS2接口相连，微控制器的P2.5接口与蜂鸣器相连，微控制器的P2.7接口与LED0相连，微控制器的P2.6接口与LED1相连，微控制器的P1.2接口与液位传感器相连，微控制器的P2.0接口与电磁水阀相连。

所述的小型键盘为电阻式按键，是根据按键按下后接入电阻的分压识别按键。

所述的显示器模块采用彩色液晶显示器，其型号为TFT型，温度值显示采用数值和曲线两种形式。

该控制器用于控制糖化仪水槽温度、加热器、搅拌电机及糖化过程，实现4种模式的糖化过程。在控制器硬件系统中，采用高性能的微控制器的核心，配置有小型操作键盘和彩色液晶显示模块，温度传感器检测水槽温度，由转换电路把传感器测量值转换到微控制器的A/D转换器所需的电压范围，彩色液晶显示器用于显示温度测量值、水槽实时温度值及温度曲线、工作模式选择、糖化时间及故障提示等；小型操作键盘用于选择工作模式，设定温度以及补偿参数，加热器和搅拌采用固态继电器控制，同时设置蜂鸣器和用于声报警。控制器软件可实现工作模式选择、温度传感器补偿、恒温控制、恒速升温控制、糖化时间的控制以及液晶显示参数和曲线显示。采用微循环温度控制算法和恒速升温比例积分(PID)控制算法，保证糖化温度控制的准确性和精度。

控制部分包括微控制器、电平转换电路、驱动电路以及温度传感器转换电路。

所述的微循环温度控制算法是把控制周期分成若干个小的微周期，通过调节微周期加热时间实现恒温控制。

所述的恒速升温控制算法PID是以单位时间内温升值作为给定以检测相邻2次检测值得差，作为温升的速度值。根据二者差值的变化，采用改进的恒速升温比例积分(PID)控制算法求出相应的控制量，对通过控制固态继电器通断实现水槽的恒速升温。

所述的恒速升温比例积分(PID)控制算法算法是一种改进的PID控制算法，恒速升温控制时，计算控制量只需初始采样值、以及本次和上次的温度采样值。在每个控制周期中，控制器测量水槽温度，计算新的控制量，以此确定本控制周期的加热器加热时间。在每个微周期，控制器根据加热器的加热时间要求，修正加热器的工作状态。

所述的温度传感器把温度转换为电压值。

所述的微循环温度控制算法是把控制周期分成若干个小的微周期，根据偏差的大小，采用不同的控制策略调节加热器在微周期加热状态实现恒温控制。

在总体上，本发明体现如下特点：

特点1：采用了高性能微控制器为核心，实现温度数据采集处理、温度控制、键盘管理、数据显示、报警处理和传感器参数补偿等。

特点2：用彩色液晶模块实现显示温度及其曲线。

特点3：微循环温度控制可使温度控制周期分割为若干个微周期，通过调节微周期的时间实现温度控制。

特点4：采用改进的恒速升温比例积分(PID)控制算法控制水槽恒速升温，通过控制相邻两次温度测量值的增量值的增量不变，实现期望的温升速度。

特点5：采用电阻式按键构成小型键盘，使操作键盘与控制器之间连接简单，按键个数扩充不受控制器硬件的限制。

采用本发明的糖化仪控制器具有如下效果：

效果1：可以实现4种模式的糖化过程。同时，可以实现任意设定水槽温度和恒温时间；

效果2：糖化过程全程自动监控，参数以数字动态曲线形式实现显示；

效果3：温度控制误差在±0.2℃；

效果4：糖化仪控制器功耗低于5W。

附图说明

图1为本发明糖化仪温度控制器结构原理图。

图2为本发明温度传感器转换电路原理图。

图3为本发明小型键盘电路图。

图4为本发明为糖化仪控制器的控制软件框图。

图5为本发明微循环温度控制原理。

图6为本发明恒速升温控制原理。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明：

参见图1，一种糖化仪控制器，包括有微控制器1，微控制器1的P1.0接口与温度传感器转换电路2相连，微控制器1的P1.1接口与小型键盘3相连，微控制器1的P1.3接口通过SSR与加热器4相连，微控制器1的P3.4接口通过SSR与搅拌电机5相连，微控制器1的P0.0接口与显示器6的DB0.0～DB0.7接口相连，微控制器1的P2.1接口与显示器6的RS接口相连，微控制器1的P2.2接口与显示器6的R/W接口相连，微控制器1的P2.3接口与显示器6的CS1接口相连，微控制器1的P2.4接口与显示器6的CS2接口相连，微控制器1的P2.5接口与蜂鸣器7相连，微控制器1的P2.7接口与LED0相连，微控制器1的P2.6接口与LED1相连，微控制器1的P1.2接口与液位传感器8相连，微控制器1的P2.0接口与电磁水阀9相连。

所述的小型键盘3为电阻式按键，是根据按键按下后接入电阻的分压识别按键。

所述的显示器模块采用彩色液晶显示器，其型号为TFT型，温度值显示采用数值和曲线2种形式。

微控制器为高性能微控制器，具有8路A/D转换通道，4个定时器/计数器，16KB字节的程序存储器，微控制器输出具有强推挽输出功能，显示器为TFT彩色液晶文本图形显示模块，像素为480×272。数据总线通过微控制器的P0与其相连，另外，显示器的RS、R/W、

分别与微控制器的P2.1、P2.2、P2.3和P2.4相连。

温度传感器转换电路的输出0～5V由P1.0接入微控制器，以进行A/D转换。

电阻式键盘输出由P1.1接入微控制器，以进行A/D转换，通过转换值识别按键。

微控制器1的P1.3接口用于输出控制固态继电器断开与接通，实现对加热器输出功率的调节，进而实现对水槽的温度控制。

微控制器1的P3.4接口用于输出、控制搅拌电机，以实现水槽温度的均衡和一致性。

微控制器1的P2.5接口用于蜂鸣器驱动，用于报警。

微控制器1的P2.6、P2.7接口用于驱动LED指示灯，用于工作状态提示。

糖化仪控制器工作时，需要提供5V直流电源，另外需要+12V和-12V直流电源用于传感器转换电路。

图2为温度传感器转换电路。温度传感器采用Pt100，其中Rt为200Ω精密电阻25ppm，此时，该电路的零点温度为0℃，R1、R2为2KΩ精密电阻25ppm。调试时，必须保持稳压管TL431的输出电压(图2中A点)稳定在4.096V，电路放大倍数为R5/R3。其中在电路中R3＝R4，R5＝R6，电路输出V_out电压范围为0～5V。

参见图3，图3为小型键盘电路示意图，当S0闭合时，P1.1输入电压为0；当S1闭合时，P1.1输入电压为 $\frac{R1}{R1+R0}\×5\≈0.247V.$

同理，S2～S6闭合时，P1.1输入电压分别是0.455V、0.833V、1.24V、1.75V和1.914V，微控制器根据输入电压的大小来鉴别按键，按键时，两键不能同时按下。

通过小型键盘的温度设定与加热时间设定功能键选择设定参数。按键S0为“温度设定”，S1为“+”，S2为“-”，S3为“时间设定”，S4为“启动”，S5为“模式选择”，S6为“确认”。

微控制器1的P1.2接口用于连接液位传感器，当水槽液位越限时，液位传感器输出低电平。

微控制器1的P2.0接口用于控制水阀，水槽液位越限时，由控制器驱动水阀打开泄水，以保持水槽水位处于合理的范围。

参见图4，图4为糖化仪控制器的控制软件框图所示。

控制器上电后，显示开机画面，然后进行系统的初始化，此后，可以对温度传感器转换电路设置补偿系数，以提高温度测量的准确性。

控制器上电后，默认为模式1糖化过程，此时，如果按下启动，则自动进行模式1糖化，如果需要选择其它3种糖化模式，按动“模式选择”按钮，再按一次切换一次模式：即模式2→模式3→模式4→模式1→模式2。

模式2、模式3糖化过程操作与模式1相同。

选择模式4后，需要设定给定温度、时间。

温度设定时，按动“温度设定”按键，然后按一次“+”键温度设定值增加1℃，按一次“-”键，温度设定值减小1℃，设定完成后按动“确认”键，设定值生效。

加热时间设置过程与温度参数类似，以1分钟为单位递增或递减。模式选择完后，按“启动”，控制器按选定模式工作。

搅拌电机和溢水阀可以人为控制打开和关闭。

参见图5，图5为微循环温度控制算法的原理。以T₀为微周期，T₁为控制周期，

在微周期中，控制器测量水槽温度，改变加热器的工作状态，在每个控制周期T₁，通过水槽的实际温度变化，改变一次控制策略。

在每个微循环中，控制器测量一次水槽的温度t_i，N次后，取其均值

$y_k=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i}{N}---\left(1\right)$

作为水槽的实际温度，并计算与给定温度r的偏差

e_k＝r-y_k(2)

然后，根据偏差e_k的大小，采用不同的控制策略，配置加热器在控制器周期T1的加热时间T_h：T_k＝hT₀(3)

其中1≤h≤N-1。

根据水槽温度控制的指标要求，可以预先设置为多个控制策略，设置5个控制策略的原理如下：

当e_k≤0，此时，水槽温度超过设定值，在控制器周期T₁中，加热时间T_h为T₀，不加热时间为(N-1)T₀；

当0≤e_k＜ω₁，此时，水槽温度接近设定值，在控制器周期T₁中，加热时间R_h为h₁T₀，不加热时间为(N-h₁)T₀；

当ω₁≤e_k＜ω₂，此时，水槽温度未达到设定值，在控制器周期T₁中，加热时间T_h为h₂T₀，不加热时间为(N-h₂)T₀；

当ω₂≤e_k≤ω₃，此时，水槽温度未达到设定值，在控制器周期T₁中，加热时间T_h为h₃T₀，不加热时间为(N-h₃)T₀；

当e_k≥ω₃，此时，水槽温度与设定值相差较大，在控制器周期T₁中，加热时间T_h为(N-1)T₀，不加热时间为T₀；

根据糖化度测量规范的要求，在糖化预热过程中需要以每分钟1℃恒速升温，采用恒速升温比例积分(PID)控制算法，所述的算法原理如下。

1)设在k、k-1次的温度采样值为y_k、y_k-1，则若采样周期为T时，水槽温度的变化速度为

${\mathrm{\υ}}_k=\frac{y_k-y_{k-1}}{T}---\left(4\right)$

2)设水槽温度每分钟上升1℃在一个采样周期T中的变化率为v，则温度变化率的偏差为

$E_k=\mathrm{\υ}-{\mathrm{\υ}}_k=\mathrm{\υ}-\frac{y_k-y_{k-1}}{T}=\frac{\mathrm{\υT}-(y_k-y_{k-1})}{T}---\left(5\right)$

3)设u_k为控制量，u₀为克服死区的初始控制量，恒速升温PI算法如下

$u_k=u_0+K_p{E}_k+K_{i}T\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k=u_0+\frac{K_p}{T}[\mathrm{\υT}-(y_k-y_{k-1})]+K_i[\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\υT}-\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}(y_k-y_{k-1})]---\left(6\right)$

式中K_p、K_l为比例系数和积分系数。对式中的展开

$\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}(y_k-y_{k-1})=y_1-y_0+y_2-y_1+y_3-y_2...+y_k-y_{k-1}=y_k-y_0---\left(7\right)$

改进的恒速升温比例积分(PID)控制算法为

$u_k=u_0+\frac{K_p}{T}[\mathrm{\υT}-(y_k-y_{k-1})]+K_i[\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\υT}-(y_k-y_0)]---\left(8\right)$

所述的改进的恒速升温比例积分(PID)控制算法特点在于：

1)u₀、v_T为常数，由于恒速升温时间已知，

可以事先计算，

温度变化率的控制只与初始采样值y₀，k和k-1次的温度采样值y_k、y_k-1有关，计算量少。

2)式(8)中每一项控制分量功能明显，u₀克服死区，跟随温度的变化，

为增长精度的控制。

3)控制量u_k转化为加热器的加热时间，设最大控制量对应的U_max加热时间为MT₀，令T₁＝MT₀当u_k≥U_max时，加热器的加热时间MT₀；

当u_k＜U_max时，加热器的加热时间mT₀，其中

$m=\frac{u_k}{K}---\left(9\right)$

K为常数。

所述的恒速升温的方法和原理如图6所示。以T0为微周期，T1为控制周期。在每个控制周期中，控制器测量水槽温度，计算新的控制量，以此确定本控制周期的加热器加热时间。每个微周期，根据加热器的加热时间要求，修正加热器的工作状态。

在每个控制周期中，控制器连续测量N次水槽温度，取其均值作为水槽的实际温度y_k，按照式(8)和式(9)计算加热器的加热时间。

Claims (3)

1.一种糖化仪控制器，包括有微控制器(1)，其特征在于，微控制器(1)的P1.0接口与温度传感器转换电路(2)相连，微控制器(1)的P1.1接口与小型键盘(3)相连，微控制器(1)的P1.3接口通过SSR与加热器(4)相连，微控制器(1)的P3.4接口通过SSR与搅拌电机(5)相连，微控制器(1)的P0.0接口与显示器(6)的DB0.0～DB0.7接口相连，微控制器(1)的P2.1接口与显示器(6)的RS接口相连，微控制器(1)的P2.2接口与显示器(6)的R/W接口相连，微控制器(1)的P2.3接口与显示器(6)的CS1接口相连，微控制器(1)的P2.4接口与显示器(6)的CS2接口相连，微控制器(1)的P2.5接口与蜂鸣器(7)相连，微控制器(1)的P2.7接口与LED0相连，微控制器(1)的P2.6接口与LED1相连，微控制器(1)的P1.2接口与液位传感器(8)相连，微控制器(1)的P2.0接口与电磁水阀(9)相连。

2.根据权利要求1所述的一种糖化仪控制器，其特征在于，所述的小型键盘(3)为电阻式按键，是根据按键按下后接入电阻的分压识别按键。

3.根据权利要求1所述的一种糖化仪控制器，其特征在于，所述的显示器(6)采用彩色液晶显示器，其型号为TFT型，温度值显示采用数值和曲线两种形式。

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