趙 方 鄭曉茜 祁澤剛（.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450；.河南漢威電子股份有限公司，河南 鄭州 45000）

啤酒的口味是衡量啤酒質(zhì)量的重要性能指標(biāo)，其影響因素很多，如原料、工藝、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的衛(wèi)生處理情況等，其中殺菌工藝是一個非常重要的影響因素，殺菌工藝是啤酒生產(chǎn)過程中一道重要的工序。啤酒殺菌普遍采用巴氏殺菌法，而溫度是殺菌工藝中極為重要的控制指標(biāo)，當(dāng)前對殺菌過程中溫度的控制普遍采用溫度控制儀，各溫度區(qū)域各有一套溫控系統(tǒng)，采用鉑電阻溫度傳感器檢測溫度，其控制精度較低，可靠性差，檢查維修任務(wù)重，影響了啤酒生產(chǎn)的正常進行和啤酒的質(zhì)量［1］。基于此，筆者擬設(shè)計一種基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20、MSP430單片機和無線通訊網(wǎng)絡(luò)GSM的啤酒巴氏殺菌機溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以提高控制精度以及可靠性，利用遠(yuǎn)程集中監(jiān)控可減輕檢查工作量，節(jié)省勞動力和生產(chǎn)成本。

1 控制系統(tǒng)整體構(gòu)成及功能

本設(shè)計的啤酒巴氏殺菌機溫度無線遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置由溫度實時監(jiān)測及控制、溫度及故障等信息的GSM傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)測中心PC機監(jiān)控軟件和管理員手機三大部分組成。系統(tǒng)功能是：MSP430單片機是控制的核心，通過外圍的鍵盤可以方便設(shè)定巴氏殺菌機各個階段的溫度，溫度采集單元的溫度傳感器將采集到的各監(jiān)測點的溫度傳送到單片機軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，單片機處理過的數(shù)字量輸出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成合適的模擬量去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)對噴淋水的溫度進行調(diào)節(jié)，從而保證巴氏殺菌機各個階段的溫度都在設(shè)定的范圍內(nèi)。每個測溫區(qū)的溫度都可以通過LCD進行顯示。同時，系統(tǒng)通過GSM無線通信將各個監(jiān)測點的實時溫度發(fā)送至上位機，通過上位機軟件值班員可以方便監(jiān)視每一臺巴氏殺菌機的工作情況。若某個階段的溫度經(jīng)過調(diào)節(jié)后有異常，系統(tǒng)則將啟動GSM無線通信模塊，將異常信息發(fā)送到上位機管理中心，及時排除故障。本設(shè)計的巴氏殺菌機溫控系統(tǒng)還設(shè)計了聲光報警系統(tǒng)，監(jiān)控中心軟件也設(shè)置了故障、異常報警指示。為了實現(xiàn)雙重保險，本設(shè)計每臺巴氏殺菌機的溫度異常信息還可以通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到管理員手機?？刂葡到y(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

2 硬件選擇及設(shè)計

2.1 核心控制器

當(dāng)前，啤酒巴氏殺菌機的溫度控制儀基本都采用繼電器、接觸器機械結(jié)構(gòu)，也有少數(shù)以51單片機作為控制器的。機械結(jié)構(gòu)容易損壞，動作不靈敏；而51系列單片機本身抗干擾能力較差［2，3］，在啤酒生產(chǎn)車間，由于電網(wǎng)電壓的波動或者電磁干擾的發(fā)生都會使控制器發(fā)生故障。故障率提升勢必影響生產(chǎn)線正常的運行。為了克服上述缺點，本設(shè)計采用了抗干擾能力強的16位單片機MSP430f149作為控制核心，可以克服51單片機以及機械結(jié)構(gòu)的缺點。MSP430單片機具有豐富的片內(nèi)資源：flash ROM 60KB、RAM 2KB、并行I/O口6個共48位、16位定時器共2個、串口2個［4］；該單片機運行功耗低、能抵抗超強的電磁干擾、通訊速率高［5］、具有強大的中斷能力、可在線編程、可使用1.8～3.6V的工作電壓；可在－40～85℃的環(huán)境中穩(wěn)定運行。

2.2 溫度檢測單元設(shè)計

溫度的檢測是溫度控制系統(tǒng)的核心，傳統(tǒng)的啤酒巴氏殺菌機的溫度檢測傳感器采用的是鉑熱電阻，鉑熱電阻為模擬溫度傳感器，檢測到的溫度信號需經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換等信號處理電路后才能送給單片機使用，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且信號微弱不易遠(yuǎn)傳，傳輸過程中容易出差錯。本設(shè)計采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為測溫單元，美國DALLAS公司最新推出的DS18B20傳感器是單總線集成電路，體積小，工作電壓范圍較寬（3～5V），可用數(shù)據(jù)線供電。采用單總線結(jié)構(gòu)，只有一條數(shù)據(jù)I/O線，只需一個接口引腳即可通訊。溫度測量范圍為－55～125℃，分辨率為0.062 5℃，內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，通過編程可實現(xiàn)9～12位數(shù)字讀數(shù)模式。數(shù)字溫度傳感器DS18B20本身有一個給定的唯一的64位長的序號，此序號事先都存放在其內(nèi)部的ROM中［6］，通過合適的軟件設(shè)計，每一個DS18B20的序號都可以被控制器準(zhǔn)確讀出，為減少數(shù)據(jù)量，設(shè)計中以每個傳感器的序號作為每個測溫區(qū)的編號，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點溫度檢測但不會出現(xiàn)混亂，可以和單片機方便的組成傳感器網(wǎng)絡(luò)。

以某啤酒生產(chǎn)企業(yè)的一條巴氏殺菌生產(chǎn)線的殺菌過程為例。該條線采用隧道式噴淋系統(tǒng)，整個噴淋過程噴淋水的溫度有8個區(qū)域：1＃溫區(qū)25℃、時間6min，2＃溫區(qū)38℃、時間4.8min，3＃溫區(qū)49℃、時間4.8min，4＃溫區(qū)67℃、時間9.6min，5＃溫區(qū)63℃、時間10min（保溫區(qū)），6＃溫區(qū)47℃、時間4.6min，7＃溫區(qū)37℃、時間4.6min，8＃溫區(qū)24.5℃、時間5.1min。每個溫度區(qū)域一個DS18B20，共需8個，其電路圖見圖2。8個溫度傳感器采用單線結(jié)構(gòu)共同占用了單片機的P2.2口。本系統(tǒng)溫度傳感器內(nèi)部的A/D設(shè)置為12位，從而使溫度分辨率達到0.062 5℃，滿足±0.1℃的精度設(shè)計要求，本系統(tǒng)的溫度范圍為20～90℃。

2.3 控制裝置主要外圍單元設(shè)計

各個溫度區(qū)域的溫度設(shè)定采用按鍵設(shè)置，本裝置設(shè)計了4個獨立按鍵，其功能分別為增加、減少、設(shè)置和確定，以0.1℃步進，4個按鍵分別占用了單片機的P1.0～P1.3。

報警單元的功能是當(dāng)某個測溫區(qū)溫度出現(xiàn)異常時發(fā)出聲光報警以提示管理員做出及時的處理，燈光報警接在單片機的P1.4口，聲音報警接在單片機的P2.1口。

圖1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Figure 1 Control system overall block diagram

圖2 多點測溫電路Figure 2 Multi－point temperature measurement circuit

時鐘單元采用了常用的DS1302時鐘芯片，該芯片使用方便，功耗低，具有優(yōu)越的性能和低廉的價格等性能，其內(nèi)部自帶RAM 可完成年、月、日、周、時、分、秒的計時［6］，本設(shè)計的時鐘可對故障、溫度異常的準(zhǔn)確時間作記錄以供查詢，占用P2.5、P2.6、P2.7口。

顯示單元的功能是實時顯示各個測溫區(qū)的溫度，以便管理員直觀地掌控各個點的溫度情況，本設(shè)計采用液晶顯示方式，選用LCD12864，該液晶塊具有低功耗、低工作電壓、電路設(shè)計和軟件編程簡單、使用方便等優(yōu)點。軟件采用的是掃描輪流顯示各個測溫點的溫度、故障點的信息的方式，占用P4和P5口。電路圖見圖3。

2.4 GSM無線通訊電路設(shè)計

目前的啤酒巴氏殺菌生產(chǎn)線基本沒有實現(xiàn)集中遠(yuǎn)程監(jiān)控，這無疑需要技術(shù)人員不斷地巡視以掌握巴氏殺菌機的工作情況，費時費力，增加了生產(chǎn)成本。本設(shè)計采用公用的GSM無線通訊網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，其傳輸距離不受限制。TC35i是本設(shè)計的GSM無線通訊模塊，也是西門子公司的工業(yè)級GSM模塊，可傳輸中文短信息，可在900和1 800兩個頻段正常工作，可以傳輸語音和數(shù)據(jù)信息，支持Text和PDU格式的短信息，本設(shè)計主要傳輸數(shù)據(jù)信息。其工作電源為直流3.3～4.8V，功耗極低。TC35i由供電模塊、ZIF（zero insertion force，零阻力插座）連接器、天線接口、閃存等6部分組成［6］，共有40個引腳，本設(shè)計用到的引腳見圖4。通過ZIF連接器引出和外部電路連接［7］。單片機通過I/O口控制TC35i的啟動和停止以及故障恢復(fù)。由于單片機輸出為TTL電平，而TC35i為CMOS電平，設(shè)計中采用74F07進行電平轉(zhuǎn)換?？刂蒲b置和TC35iGSM模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸通過串口URXD0和UTXD0進行?？刂蒲b置檢測到的各溫區(qū)的溫度、現(xiàn)場控制裝置故障等信息，通過串口驅(qū)動TC35i模塊上的SIM卡1將信息發(fā)送至與SIM卡2連接的上位機，并在上位機軟件實時顯示，同時發(fā)送到管理員手機SIM卡3。其連接電路圖見圖4。

圖3 設(shè)定、顯示、時鐘及報警電路Figure 3 Settings，display，clock and alarm circuit

圖4 通訊系統(tǒng)電路圖Figure 4 Communication system circuit diagram

為簡化設(shè)計，降低成本，本裝置采用PC機內(nèi)部的5V電源為TC35i模塊供電，二者之間的通信通過串口的RXD、TXD和GND三線制實現(xiàn)，線路連接簡單、使用方便。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 單片機檢測控制中心的軟件設(shè)計

啤酒巴氏殺菌機溫度檢測控制中心軟件的開發(fā)，是在MSP430單片機的軟件開發(fā)環(huán)境中用C＋＋語言編寫的，軟件系統(tǒng)主要包括溫度采集和處理子程序、單片機初始化程序、按鍵子程序、液晶顯示程序、故障及溫度異常報警子程序和時鐘等程序模塊。由于本系統(tǒng)的溫度變化曲線無特定規(guī)律且是非線性的、大滯后的系統(tǒng)，因此，各個測溫區(qū)域的溫度控制采用了模糊控制算法?？刂蒲b置主程序流程圖見圖5。

圖5 控制裝置主程序流程圖Figure 5 Main program flow chart of control device

3.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計

采用VC＋＋語言開發(fā)了監(jiān)控軟件，軟件人機界面友好，操作方便，控制中心和監(jiān)控中心通過GSM模塊TC35i連接的無線通訊電路完成信息的傳輸。監(jiān)控中心軟件設(shè)有各監(jiān)控點溫度顯示功能、溫度異常提示、溫度查詢、遠(yuǎn)程溫度設(shè)置、系統(tǒng)配置等功能、幫助菜單、打印、溫度曲線繪制并顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。在系統(tǒng)配置中可以設(shè)置通訊端口號、波特率等通訊參數(shù)，監(jiān)控軟件中設(shè)有數(shù)據(jù)庫，生產(chǎn)線所有的溫度數(shù)據(jù)都可查詢。上位機監(jiān)控軟件主界面圖見圖6。

圖6 上位機監(jiān)控軟件主界面Figure 6 Main interface of PC monitoring software

4 結(jié)論

本設(shè)計實現(xiàn)了啤酒巴氏殺菌機多溫區(qū)溫度的自動控制和不受距離限制的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，大大降低了成本。由于溫度控制具有較大的滯后性，在軟件設(shè)計上采用了模糊控制策略，基本實現(xiàn)了巴氏殺菌機各個溫區(qū)溫度的精確控制，從而使啤酒的口味和質(zhì)量得到保障，本設(shè)計在啤酒生產(chǎn)企業(yè)將具有廣泛的應(yīng)用前景和價值。

1 樊軍慶.啤酒巴氏滅菌機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.海南：海南大學(xué)，2008.

2 沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

3 莫愁，陳霖，陳懿，等.微波干燥恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.食品與機械，2011，27（2）：77～79.

4 趙方，吳必瑞，盧青波.基于MSP4309的溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.農(nóng)機化研究，2012，34（5）：182～184.

5 關(guān)世榮.家庭智能監(jiān)護報警裝置的研制［D］.吉林：吉林大學(xué)，2011.

6 莊建清，徐瑋.西門子Siemens TC35GSM開發(fā)板［J］.電子制作，2009（3）：16～17.

7 吳青，忤博.基于TC35i的GSM報警器的設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.微計算機信息，2009，25（2）：307～309.