咖啡豆發酵機控制系統設計

【文章摘要】

隨著時代的進步，咖啡文化如今已經蘊藏在我們的工作生活中，現在我們探秘一下咖啡的生產過程。首先，發酵是咖啡生產過程中一道關鍵工序，除了生產工藝水平之外，咖啡質量的好壞直接受生產工序控制指標好壞的影響。為了保障發酵的品質和提高生產效率，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酵機控制系統。

【關鍵詞】

咖啡豆；發酵罐；固體發酵；AT89S51傳感器監測

0 引言

在當今社會，喝咖啡的人越來越多，咖啡已經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，咖啡的發酵罐必須采用特殊的控制方式，由于咖啡發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學模型來進行預測、模擬、控制，因為每個發酵罐之間都是存在差異的，甚至在不同的發酵菌種下，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涉及的認為因素較多，一般都是人工監控各種參數，而且目前生產廠家采用的仍然是常規儀表進行控制。由于這種人工控制方式會導致咖啡質量不穩定，生產工藝的正確執行也很難得到保證，更糟糕的是它的波動性較大，所以不利于擴大再生產規模。

本文提出為了使咖啡生產集數據和控制于一身，在對咖啡生產的發酵工序進行監控時，采用以單片機為控制系統核心對其進行計算機監控技術，從而順應當前現代化生產的需要，提高咖啡的生產質量和企業的自動化程度，同時節省人力物力，極大地提高生產效率，降低社會必要勞動時間，節約生產成本，提高咖啡發酵溫度以及其它參數控制精度，簡化咖啡控制過程。

1 咖啡豆發酵機的硬件設計

1.1 工作原理

艙門控制電機反轉達到最大行程（門開啟最大），讀出原來設置過的值，如果是斷電數值則在原來數值上繼續程序運轉。然后系統記住溫度表、速度、時間等數值，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，主軸通過右端三相異步電機和帶輪傳動來驅動旋轉，于攪拌軸上的攪拌葉片帶動咖啡豆翻動，攪拌，疏松，混合。系統的自動檢測模塊會檢測到咖啡豆發酵罐體各部位的溫度，以及罐體內物料的PH值；執行機構會根據工作前設置的相關參數進行適當調整。該臥式發酵罐設置進料口，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 咖啡豆發酵機外觀圖

1.2 設計要求

1）系統要抗干擾能力強、穩定可靠。不能死機，程序紊亂，斷電后上電后可繼續工作參數不丟，并可按實際時間累加。

2）各個參數可分別調整，鍵盤和菜單要盡量簡潔便于操作。

3）參數設置完成后，具體參數才進入程序生效。

4）工作過程中可隨時調整時間、溫度等參數。

5）發酵結束后可不用重新設置參數而繼續下一班工作。

6）上位機可按照地址監控多臺發酵機，并可區分機位。

7）發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，速度可增加減少，面板設置啟動、停止按鍵，電加熱可人工操作，面板設置啟動、停止按鍵，艙門可人工操作，面板設置開啟、關閉按鍵。

1.3 發酵工藝控制條件

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

2 控制系統設計

2.1 單片機的選用

本課題選用AT89S51單片機，使其從自身內部硬件到軟件具有一套完整的按位操作系統，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作為咖啡豆發酵機控制系統主控模塊的優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行，它是按照程序指令順序進行從硬件外圍的設備中接受和發送報警數據，其內部不存在并執行機制，這就可以有力地確?？Х榷拱l酵機控制系統應用的有序進行。該系統設計使用的單片機實際上是一個微型計算機系統，它內部的邏輯結構包括CPU、ROM、RAM、定時器、計數器、并行、I/O口、串行口、總線BUS、中斷控制系統和系統時鐘等資源，系統設計只需要了解其指令系統、系統操作方式和指令周期，通過使用軟件編程可以方便地實現系統設計所需要的功能，因此對咖啡豆發酵機控制系統設計起來就會既簡單又快捷。

2.2 系統的組成

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，變頻調速器采用德力西變頻調速器。艙門控制電機采用杭州日恒兩相步進電機和相應驅動器，艙門電機位置開關。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?？Х榷拱l酵機控制系統原理如圖2所示。

3 結語

本文以單片機AT89S51為控制核心設計出的一種全新的咖啡豆發酵機控制系統及咖啡豆發酵機。本系統使咖啡生產告別了一系列之前不能解決的問題，例如工藝參數得不到可靠的執行，一致性較差，還有影響較大的認為因素等。此外，該系統還可以降低人工的勞動強度，提高原材料利用率，降低生產成本。發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軟件靈活的程序腳本控制功能，同時系統本身安全性高，方便建立有效的操作等級和權限制度。提高了系統的可擴充性差，而且由于外圍器件的漂移小，擺脫了系統控制精度受一年四季影響大，控制效果不理想的問題。生產中的關鍵數據由系統自動記錄，區別于傳統設備但由于需要操作工人的頻繁介入，其咖啡質量和口味也有較大的波動，工人勞動強度也比較大。因此，該咖啡豆發酵機控制系統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、自動控制原理、數控技術的教學和研究。