咖啡豆發(fā)酵機控制系統(tǒng)設(shè)計

【文章摘要】

隨著時代的進步，咖啡文化如今已經(jīng)蘊藏在我們的工作生活中，現(xiàn)在我們探秘一下咖啡的生產(chǎn)過程。首先，發(fā)酵是咖啡生產(chǎn)過程中一道關(guān)鍵工序，除了生產(chǎn)工藝水平之外，咖啡質(zhì)量的好壞直接受生產(chǎn)工序控制指標(biāo)好壞的影響。為了保障發(fā)酵的品質(zhì)和提高生產(chǎn)效率，本文將提出一種全新的，以單片機AT89S51為控制核心的咖啡豆發(fā)酵機控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】

咖啡豆；發(fā)酵罐；固體發(fā)酵；AT89S51傳感器監(jiān)測

0 引言

在當(dāng)今社會，喝咖啡的人越來越多，咖啡已經(jīng)形成了一種文化生存在我們的身邊，那么咖啡的研制過程究竟是怎樣的呢？本文將為您揭開謎底。首先，咖啡的發(fā)酵罐必須采用特殊的控制方式，由于咖啡發(fā)酵對象具有不確定性、時滯性和時變性。在我國很難找到或是建立某一確切的數(shù)學(xué)模型來進行預(yù)測、模擬、控制，因為每個發(fā)酵罐之間都是存在差異的，甚至在不同的發(fā)酵菌種下，在不同的工藝條件下，對象特性也不盡相同。我國大部分的咖啡生產(chǎn)涉及的認為因素較多，一般都是人工監(jiān)控各種參數(shù)，而且目前生產(chǎn)廠家采用的仍然是常規(guī)儀表進行控制。由于這種人工控制方式會導(dǎo)致咖啡質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)工藝的正確執(zhí)行也很難得到保證，更糟糕的是它的波動性較大，所以不利于擴大再生產(chǎn)規(guī)模。

本文提出為了使咖啡生產(chǎn)集數(shù)據(jù)和控制于一身，在對咖啡生產(chǎn)的發(fā)酵工序進行監(jiān)控時，采用以單片機為控制系統(tǒng)核心對其進行計算機監(jiān)控技術(shù)，從而順應(yīng)當(dāng)前現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，提高咖啡的生產(chǎn)質(zhì)量和企業(yè)的自動化程度，同時節(jié)省人力物力，極大地提高生產(chǎn)效率，降低社會必要勞動時間，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高咖啡發(fā)酵溫度以及其它參數(shù)控制精度，簡化咖啡控制過程。

1 咖啡豆發(fā)酵機的硬件設(shè)計

1.1 工作原理

艙門控制電機反轉(zhuǎn)達到最大行程（門開啟最大），讀出原來設(shè)置過的值，如果是斷電數(shù)值則在原來數(shù)值上繼續(xù)程序運轉(zhuǎn)。然后系統(tǒng)記住溫度表、速度、時間等數(shù)值，并開始等待啟動命令。

艙門開啟后，咖啡豆從進料口進入罐體內(nèi)，主軸通過右端三相異步電機和帶輪傳動來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，于攪拌軸上的攪拌葉片帶動咖啡豆翻動，攪拌，疏松，混合。系統(tǒng)的自動檢測模塊會檢測到咖啡豆發(fā)酵罐體各部位的溫度，以及罐體內(nèi)物料的PH值；執(zhí)行機構(gòu)會根據(jù)工作前設(shè)置的相關(guān)參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整。該臥式發(fā)酵罐設(shè)置進料口，進液口，廢料排出口，廢液排出口，通氣口等必備的功能部位（如圖1所示）。

圖1 咖啡豆發(fā)酵機外觀圖

1.2 設(shè)計要求

1）系統(tǒng)要抗干擾能力強、穩(wěn)定可靠。不能死機，程序紊亂，斷電后上電后可繼續(xù)工作參數(shù)不丟，并可按實際時間累加。

2）各個參數(shù)可分別調(diào)整，鍵盤和菜單要盡量簡潔便于操作。

3）參數(shù)設(shè)置完成后，具體參數(shù)才進入程序生效。

4）工作過程中可隨時調(diào)整時間、溫度等參數(shù)。

5）發(fā)酵結(jié)束后可不用重新設(shè)置參數(shù)而繼續(xù)下一班工作。

6）上位機可按照地址監(jiān)控多臺發(fā)酵機，并可區(qū)分機位。

7）發(fā)酵過程可以人為終止，面板有暫停和啟動按鍵，按停止按鍵時總時間清零。

8）出料時變頻電機人工操作，單方向運轉(zhuǎn)，速度可增加減少，面板設(shè)置啟動、停止按鍵，電加熱可人工操作，面板設(shè)置啟動、停止按鍵，艙門可人工操作，面板設(shè)置開啟、關(guān)閉按鍵。

1.3 發(fā)酵工藝控制條件

傳熱、傳質(zhì)過程的不均勻性是固體發(fā)酵遇到的最明顯的問題，如此導(dǎo)致控制和在線監(jiān)測固體發(fā)酵自動化是非常困難的。在發(fā)酵過程中，需要定期對有關(guān)工藝參數(shù)進行取樣測定或是連續(xù)測量，以此保證可以在生產(chǎn)過程中進行必要的控制。反映發(fā)酵過程中變化的參數(shù)主要包括反映化學(xué)環(huán)境和物理環(huán)境變化的參數(shù)，這些參數(shù)是直接可采用特定傳感器檢測的，如溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、PH、泡沫、攪拌功率、濁度、基質(zhì)濃度、溶解氧、發(fā)酵液粘度等直接參數(shù)。所以在發(fā)酵過程中，控制這些參數(shù)是很重要的。目前，為了順應(yīng)市場我們需要開發(fā)出更多更有效的傳感器應(yīng)用于檢測參數(shù)，發(fā)酵工藝控制方向逐漸向自動化控制轉(zhuǎn)變。除此之外，對于發(fā)酵終點的判斷也是不能忽視，地位同樣重要。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 單片機的選用

本課題選用AT89S51單片機，使其從自身內(nèi)部硬件到軟件具有一套完整的按位操作系統(tǒng)，單片機不僅可以對一些特殊寄存器的某些位進行處理，如發(fā)送、清零、置位、測試等，還能進行位的邏輯運算，使用起來十分方便。AT89S51作為咖啡豆發(fā)酵機控制系統(tǒng)主控模塊的優(yōu)勢具有時序控制能力較強，這是因為單片機自身的特點是嚴格按照時序進行指令的執(zhí)行，它是按照程序指令順序進行從硬件外圍的設(shè)備中接受和發(fā)送報警數(shù)據(jù)，其內(nèi)部不存在并執(zhí)行機制，這就可以有力地確保咖啡豆發(fā)酵機控制系統(tǒng)應(yīng)用的有序進行。該系統(tǒng)設(shè)計使用的單片機實際上是一個微型計算機系統(tǒng)，它內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)包括CPU、ROM、RAM、定時器、計數(shù)器、并行、I/O口、串行口、總線BUS、中斷控制系統(tǒng)和系統(tǒng)時鐘等資源，系統(tǒng)設(shè)計只需要了解其指令系統(tǒng)、系統(tǒng)操作方式和指令周期，通過使用軟件編程可以方便地實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計所需要的功能，因此對咖啡豆發(fā)酵機控制系統(tǒng)設(shè)計起來就會既簡單又快捷。

2.2 系統(tǒng)的組成

單片機采用AT89S51，液晶屏采用10寸帶觸摸屏液晶顯示器EDM12864B，熱電偶采用AD590熱電阻傳感器，變頻調(diào)速器采用德力西變頻調(diào)速器。艙門控制電機采用杭州日恒兩相步進電機和相應(yīng)驅(qū)動器，艙門電機位置開關(guān)。繼電器卡采用PCM-7250+ 8通道繼電器輸出和8通道隔離DI模塊。太陽能水泵、電加熱接觸器采用220V線圈供電方式，上層熱電阻測得溫度參與艙門控制，下層熱電阻測得溫度參與太陽能水泵及電加熱控制。咖啡豆發(fā)酵機控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

3 結(jié)語

本文以單片機AT89S51為控制核心設(shè)計出的一種全新的咖啡豆發(fā)酵機控制系統(tǒng)及咖啡豆發(fā)酵機。本系統(tǒng)使咖啡生產(chǎn)告別了一系列之前不能解決的問題，例如工藝參數(shù)得不到可靠的執(zhí)行，一致性較差，還有影響較大的認為因素等。此外，該系統(tǒng)還可以降低人工的勞動強度，提高原材料利用率，降低生產(chǎn)成本。發(fā)酵機采用液晶顯示屏，人機畫面極大改善，增添了一般工控組態(tài)軟件靈活的程序腳本控制功能，同時系統(tǒng)本身安全性高，方便建立有效的操作等級和權(quán)限制度。提高了系統(tǒng)的可擴充性差，而且由于外圍器件的漂移小，擺脫了系統(tǒng)控制精度受一年四季影響大，控制效果不理想的問題。生產(chǎn)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動記錄，區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)備但由于需要操作工人的頻繁介入，其咖啡質(zhì)量和口味也有較大的波動，工人勞動強度也比較大。因此，該咖啡豆發(fā)酵機控制系統(tǒng)是一種比較理想和可行的方案。

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【作者簡介】

鄭東梅，女，1977年6月生，碩士研究生，多年從事自動檢測技術(shù)、自動控制原理、數(shù)控技術(shù)的教學(xué)和研究。