王英志 張光偉 楊 佳

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，吉林 長春 130022；2.長春理工大學 科技園，長春 130022；3.吉林建筑大學 電氣與電子信息工程學院，吉林 長春 130021；4.吉林省建筑電氣綜合節(jié)能重點實驗室，吉林 長春 130021）

0 引言

近年來，生物工程領(lǐng)域正處在一種飛速發(fā)展的狀態(tài)，由于生物工程的許多成果，都需要經(jīng)過發(fā)酵工業(yè)而轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，隨著其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，發(fā)酵工業(yè)已經(jīng)成為生物工程和生化工程的基礎(chǔ)，所以發(fā)酵工業(yè)越來越引起科技界、工業(yè)界的重視，發(fā)酵罐及其系統(tǒng)也在發(fā)酵工業(yè)中顯得越來越重要[1]。本系統(tǒng)以單片機為核心，組成一個集溫度的采集、處理、顯示、自動控制為一身的閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用單片機采集發(fā)酵溫度值，以數(shù)字量的形式存儲和顯示，實現(xiàn)咖啡豆發(fā)酵的自動控制，從而提高咖啡豆發(fā)酵質(zhì)量[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)以單片機為核心，實現(xiàn)咖啡豆發(fā)酵的自動控制。通過控制器采集發(fā)酵池中的溫度，根據(jù)統(tǒng)計分析出來的溫度曲線，對發(fā)酵溫度，攪拌器速率、頻率控制，達到自動化，實現(xiàn)咖啡豆發(fā)酵的自動控制，充分滿足發(fā)酵控制的需求，從而提高咖啡豆發(fā)酵質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)的通信總線為RS-485總線，溫度探測區(qū)的溫度采集，控制變頻器、開門電機，電加熱系統(tǒng)都是通過總線實現(xiàn)控制。本控制系統(tǒng)可多個聯(lián)機，通過RS-485總線將發(fā)酵數(shù)據(jù)發(fā)送到總控室，實現(xiàn)對下位機的監(jiān)控。控制系統(tǒng)可以通過鍵盤設(shè)定參數(shù)。

1.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)由單片機，艙門控制步進電機，攪拌用三相電機，溫度采集，PH值采集，輸入輸出組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 單片機的選擇

STM32F103內(nèi)置高速存儲器(高達512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口、1個SDIO接口、5個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。

1.3 通信收發(fā)電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用RS485總線標準進行作為上位機和下位機之間的通信協(xié)議RS485總線標準是工業(yè)中使用非常廣泛的雙向、平衡傳輸標準接口，支持多點連接，允許創(chuàng)建多達32個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)；最大傳輸距離1200m，支持1200m時為100kb/s的高速度傳輸，抗干擾能力很強，布線僅有兩根線。RS485通信網(wǎng)絡(luò)接口是一種總線式的結(jié)構(gòu)，上位機和下位機都掛在通信總線上，可實現(xiàn)真正的多點雙向通信。SP485E是一系列半雙工收發(fā)器，它們完全滿足RS-485和RS-422串行協(xié)議的要求，具有增強型ESD性能，使得SP485E可承受±15kV人體放電模式和IEC1000-4-2接觸放電模式。

1.4 變頻調(diào)速器

為了達到發(fā)酵最佳效果，使發(fā)酵溫度在咖啡豆中的均衡，以及保持咖啡豆果皮、果膠水分和PH值的一致性，在發(fā)酵過程中需要經(jīng)常攪拌、翻動，同時，在發(fā)酵機進料和出料過程中也需要對電機速度進行調(diào)整，所以，本系統(tǒng)設(shè)置了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用德力西CDI9100系列變頻器。內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能，閉環(huán)控制簡單。內(nèi)置RS-485接口，可計算機聯(lián)網(wǎng)控制。具有時間累計功能，可以顯示單次通電運行時間，累計運行時間。32位電機控制專用微處理器，頻率解析度高達0.01Hz[3]。

2 程序設(shè)計

軟件設(shè)計中一個重要的思想就是采用模塊化設(shè)計，把一個大的任務(wù)分解成若干個小任務(wù)，分別編制實現(xiàn)這些小任務(wù)的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可以實現(xiàn)這個大任務(wù)了。這種思路對于可重復(fù)使用的子程序顯得尤為優(yōu)越，因為不僅程序結(jié)構(gòu)清晰，而節(jié)約程序存儲空間[4]。

發(fā)酵控制軟件主要實現(xiàn)的功能轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、PH控制等，各控制環(huán)均作為子程序設(shè)計，使用時再調(diào)用，這樣既利于程序的移植和維護，也有利于節(jié)省CPU的存貯空間，提高程序的運行速度。

3 結(jié)束語

本文完成了基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)，包括系統(tǒng)的硬件開發(fā)、軟件編程等。主要介紹的是以STM32F10X處理器的咖啡豆發(fā)酵系統(tǒng)設(shè)計，主要完成了對發(fā)酵溫度，攪拌器速率、頻率的控制。從而實現(xiàn)咖啡豆發(fā)酵的自動控制，滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

[1]莫麗珍，李姝諺，高應(yīng)敏，等.咖啡的精品時代[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學，2012(12):94-96.

[2]趙煜.基于嵌入式技術(shù)的微生物發(fā)酵罐控制系統(tǒng)研究及實現(xiàn)[D].陜西:西北農(nóng)林科技大學，2007.

[3]張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[4]張志良，馬彪.單片機原理與控制技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.