咖啡豆发酵机控制系统设计

【文章摘要】

随着时代的进步，咖啡文化如今已经蕴藏在我们的工作生活中，现在我们探秘一下咖啡的生产过程。首先，发酵是咖啡生产过程中一道关键工序，除了生产工艺水平之外，咖啡质量的好坏直接受生产工序控制指标好坏的影响。为了保障发酵的品质和提高生产效率，本文将提出一种全新的，以单片机AT89S51为控制核心的咖啡豆发酵机控制系统。

【关键词】

咖啡豆；发酵罐；固体发酵；AT89S51传感器监测

0 引言

在当今社会，喝咖啡的人越来越多，咖啡已经形成了一种文化生存在我们的身边，那么咖啡的研制过程究竟是怎样的呢？本文将为您揭开谜底。首先，咖啡的发酵罐必须采用特殊的控制方式，由于咖啡发酵对象具有不确定性、时滞性和时变性。在我国很难找到或是建立某一确切的数学模型来进行预测、模拟、控制，因为每个发酵罐之间都是存在差异的，甚至在不同的发酵菌种下，在不同的工艺条件下，对象特性也不尽相同。我国大部分的咖啡生产涉及的认为因素较多，一般都是人工监控各种参数，而且目前生产厂家采用的仍然是常规仪表进行控制。由于这种人工控制方式会导致咖啡质量不稳定，生产工艺的正确执行也很难得到保证，更糟糕的是它的波动性较大，所以不利于扩大再生产规模。

本文提出为了使咖啡生产集数据和控制于一身，在对咖啡生产的发酵工序进行监控时，采用以单片机为控制系统核心对其进行计算机监控技术，从而顺应当前现代化生产的需要，提高咖啡的生产质量和企业的自动化程度，同时节省人力物力，极大地提高生产效率，降低社会必要劳动时间，节约生产成本，提高咖啡发酵温度以及其它参数控制精度，简化咖啡控制过程。

1 咖啡豆发酵机的硬件设计

1.1 工作原理

舱门控制电机反转达到最大行程（门开启最大），读出原来设置过的值，如果是断电数值则在原来数值上继续程序运转。然后系统记住温度表、速度、时间等数值，并开始等待启动命令。

舱门开启后，咖啡豆从进料口进入罐体内，主轴通过右端三相异步电机和带轮传动来驱动旋转，于搅拌轴上的搅拌叶片带动咖啡豆翻动，搅拌，疏松，混合。系统的自动检测模块会检测到咖啡豆发酵罐体各部位的温度，以及罐体内物料的PH值；执行机构会根据工作前设置的相关参数进行适当调整。该卧式发酵罐设置进料口，进液口，废料排出口，废液排出口，通气口等必备的功能部位（如图1所示）。

图1 咖啡豆发酵机外观图

1.2 设计要求

1）系统要抗干扰能力强、稳定可靠。不能死机，程序紊乱，断电后上电后可继续工作参数不丢，并可按实际时间累加。

2）各个参数可分别调整，键盘和菜单要尽量简洁便于操作。

3）参数设置完成后，具体参数才进入程序生效。

4）工作过程中可随时调整时间、温度等参数。

5）发酵结束后可不用重新设置参数而继续下一班工作。

6）上位机可按照地址监控多台发酵机，并可区分机位。

7）发酵过程可以人为终止，面板有暂停和启动按键，按停止按键时总时间清零。

8）出料时变频电机人工操作，单方向运转，速度可增加减少，面板设置启动、停止按键，电加热可人工操作，面板设置启动、停止按键，舱门可人工操作，面板设置开启、关闭按键。

1.3 发酵工艺控制条件

传热、传质过程的不均匀性是固体发酵遇到的最明显的问题，如此导致控制和在线监测固体发酵自动化是非常困难的。在发酵过程中，需要定期对有关工艺参数进行取样测定或是连续测量，以此保证可以在生产过程中进行必要的控制。反映发酵过程中变化的参数主要包括反映化学环境和物理环境变化的参数，这些参数是直接可采用特定传感器检测的，如温度、压力、位置、转速、PH、泡沫、搅拌功率、浊度、基质浓度、溶解氧、发酵液粘度等直接参数。所以在发酵过程中，控制这些参数是很重要的。目前，为了顺应市场我们需要开发出更多更有效的传感器应用于检测参数，发酵工艺控制方向逐渐向自动化控制转变。除此之外，对于发酵终点的判断也是不能忽视，地位同样重要。

2 控制系统设计

2.1 单片机的选用

本课题选用AT89S51单片机，使其从自身内部硬件到软件具有一套完整的按位操作系统，单片机不仅可以对一些特殊寄存器的某些位进行处理，如发送、清零、置位、测试等，还能进行位的逻辑运算，使用起来十分方便。AT89S51作为咖啡豆发酵机控制系统主控模块的优势具有时序控制能力较强，这是因为单片机自身的特点是严格按照时序进行指令的执行，它是按照程序指令顺序进行从硬件的设备中接受和发送报警数据，其内部不存在并执行机制，这就可以有力地确保咖啡豆发酵机控制系统应用的有序进行。该系统设计使用的单片机实际上是一个微型计算机系统，它内部的逻辑结构包括CPU、ROM、RAM、定时器、计数器、并行、I/O口、串行口、总线BUS、中断控制系统和系统时钟等资源，系统设计只需要了解其指令系统、系统操作方式和指令周期，通过使用软件编程可以方便地实现系统设计所需要的功能，因此对咖啡豆发酵机控制系统设计起来就会既简单又快捷。

2.2 系统的组成

单片机采用AT89S51，液晶屏采用10寸带触摸屏液晶显示器EDM12864B，热电偶采用AD590热电阻传感器，变频调速器采用德力西变频调速器。舱门控制电机采用杭州日恒两相步进电机和相应驱动器，舱门电机位置开关。继电器卡采用PCM-7250+ 8通道继电器输出和8通道隔离DI模块。太阳能水泵、电加热接触器采用220V线圈供电方式，上层热电阻测得温度参与舱门控制，下层热电阻测得温度参与太阳能水泵及电加热控制。咖啡豆发酵机控制系统原理如图2所示。

3 结语

本文以单片机AT89S51为控制核心设计出的一种全新的咖啡豆发酵机控制系统及咖啡豆发酵机。本系统使咖啡生产告别了一系列之前不能解决的问题，例如工艺参数得不到可靠的执行，一致性较差，还有影响较大的认为因素等。此外，该系统还可以降低人工的劳动强度，提高原材料利用率，降低生产成本。发酵机采用液晶显示屏，人机画面极大改善，增添了一般工控组态软件灵活的程序脚本控制功能，同时系统本身安全性高，方便建立有效的操作等级和权限制度。提高了系统的可扩充性差，而且由于器件的漂移小，摆脱了系统控制精度受一年四季影响大，控制效果不理想的问题。生产中的关键数据由系统自动记录，区别于传统设备但由于需要操作工人的频繁介入，其咖啡质量和口味也有较大的波动，工人劳动强度也比较大。因此，该咖啡豆发酵机控制系统是一种比较理想和可行的方案。

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【作者简介】

郑东梅，女，1977年6月生，硕士研究生，多年从事自动检测技术、自动控制原理、数控技术的教学和研究。