基于STM32的咖啡豆發酵系統設計

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能重點實驗室，吉林 長春 130021）

0 引言

近年來，生物工程領域正處在一種飛速發展的狀態，由于生物工程的許多成果，都需要經過發酵工業而轉化為產品，隨著其相關技術的迅速發展，發酵工業已經成為生物工程和生化工程的基礎，所以發酵工業越來越引起科技界、工業界的重視，發酵罐及其系統也在發酵工業中顯得越來越重要[1]。本系統以單片機為核心，組成一個集溫度的采集、處理、顯示、自動控制為一身的閉環控制系統。利用單片機采集發酵溫度值，以數字量的形式存儲和顯示，實現咖啡豆發酵的自動控制，從而提高咖啡豆發酵質量[2]。

1 系統設計

本系統以單片機為核心，實現咖啡豆發酵的自動控制。通過控制器采集發酵池中的溫度，根據統計分析出來的溫度曲線，對發酵溫度，攪拌器速率、頻率控制，達到自動化，實現咖啡豆發酵的自動控制，充分滿足發酵控制的需求，從而提高咖啡豆發酵質量。控制系統的通信總線為RS-485總線，溫度探測區的溫度采集，控制變頻器、開門電機，電加熱系統都是通過總線實現控制。本控制系統可多個聯機，通過RS-485總線將發酵數據發送到總控室，實現對下位機的監控。控制系統可以通過鍵盤設定參數。

1.1 系統硬件電路設計

本系統由單片機，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。系統組成如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

1.2 單片機的選擇

STM32F103內置高速存儲器(高達512K字節的閃存和64K字節的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。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 通信收發電路設計

本系統采用RS485總線標準進行作為上位機和下位機之間的通信協議RS485總線標準是工業中使用非常廣泛的雙向、平衡傳輸標準接口，支持多點連接，允許創建多達32個節點的網絡；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通信網絡接口是一種總線式的結構，上位機和下位機都掛在通信總線上，可實現真正的多點雙向通信。SP485E是一系列半雙工收發器，它們完全滿足RS-485和RS-422串行協議的要求，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 變頻調速器

為了達到發酵最佳效果，使發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，在發酵過程中需要經常攪拌、翻動，同時，在發酵機進料和出料過程中也需要對電機速度進行調整，所以，本系統設置了變頻調速控制系統。系統采用德力西CDI9100系列變頻器。內置PID調節功能，閉環控制簡單。內置RS-485接口，可計算機聯網控制。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 程序設計

軟件設計中一個重要的思想就是采用模塊化設計，把一個大的任務分解成若干個小任務，分別編制實現這些小任務的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可以實現這個大任務了。這種思路對于可重復使用的子程序顯得尤為優越，因為不僅程序結構清晰，而節約程序存儲空間[4]。

發酵控制軟件主要實現的功能轉速控制、溫度控制、PH控制等，各控制環均作為子程序設計，使用時再調用，這樣既利于程序的移植和維護，也有利于節省CPU的存貯空間，提高程序的運行速度。

3 結束語

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

[1]莫麗珍，李姝諺，高應敏，等.咖啡的精品時代[J].熱帶農業科學，2012(12):94-96.

[2]趙煜.基于嵌入式技術的微生物發酵罐控制系統研究及實現[D].陜西:西北農林科技大學，2007.

[3]張燕賓.變頻調速應用實踐[M].北京：機械工業出版社，2001.

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