王英志 张光伟 杨 佳

（1.长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春 130022；2.长春理工大学 科技园，长春 130022；3.吉林建筑大学 电气与电子信息工程学院，吉林 长春 130021；4.吉林省建筑电气综合节能重点实验室，吉林 长春 130021）

0 引言

近年来，生物工程领域正处在一种飞速发展的状态，由于生物工程的许多成果，都需要经过发酵工业而转化为产品，随着其相关技术的迅速发展，发酵工业已经成为生物工程和生化工程的基础，所以发酵工业越来越引起科技界、工业界的重视，发酵罐及其系统也在发酵工业中显得越来越重要[1]。本系统以单片机为核心，组成一个集温度的采集、处理、显示、自动控制为一身的闭环控制系统。利用单片机采集发酵温度值，以数字量的形式存储和显示，实现咖啡豆发酵的自动控制，从而提高咖啡豆发酵质量[2]。

1 系统设计

本系统以单片机为核心，实现咖啡豆发酵的自动控制。通过控制器采集发酵池中的温度，根据统计分析出来的温度曲线，对发酵温度，搅拌器速率、频率控制，达到自动化，实现咖啡豆发酵的自动控制，充分满足发酵控制的需求，从而提高咖啡豆发酵质量。控制系统的通信总线为RS-485总线，温度探测区的温度采集，控制变频器、开门电机，电加热系统都是通过总线实现控制。本控制系统可多个联机，通过RS-485总线将发酵数据发送到总控室，实现对下位机的监控。控制系统可以通过键盘设定参数。

1.1 系统硬件电路设计

本系统由单片机，舱门控制步进电机，搅拌用三相电机，温度采集，PH值采集，输入输出组成。系统组成如图1所示。

图1 系统总体框图

1.2 单片机的选择

STM32F103内置高速存储器(高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口、3个SPI接口、2个I2S接口、1个SDIO接口、5个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。

1.3 通信收发电路设计

本系统采用RS485总线标准进行作为上位机和下位机之间的通信协议RS485总线标准是工业中使用非常广泛的双向、平衡传输标准接口，支持多点连接，允许创建多达32个节点的网络；最大传输距离1200m，支持1200m时为100kb/s的高速度传输，抗干扰能力很强，布线仅有两根线。RS485通信网络接口是一种总线式的结构，上位机和下位机都挂在通信总线上，可实现真正的多点双向通信。SP485E是一系列半双工收发器，它们完全满足RS-485和RS-422串行协议的要求，具有增强型ESD性能，使得SP485E可承受±15kV人体放电模式和IEC1000-4-2接触放电模式。

1.4 变频调速器

为了达到发酵最佳效果，使发酵温度在咖啡豆中的均衡，以及保持咖啡豆果皮、果胶水分和PH值的一致性，在发酵过程中需要经常搅拌、翻动，同时，在发酵机进料和出料过程中也需要对电机速度进行调整，所以，本系统设置了变频调速控制系统。系统采用德力西CDI9100系列变频器。内置PID调节功能，闭环控制简单。内置RS-485接口，可计算机联网控制。具有时间累计功能，可以显示单次通电运行时间，累计运行时间。32位电机控制专用微处理器，频率解析度高达0.01Hz[3]。

2 程序设计

软件设计中一个重要的思想就是采用模块化设计，把一个大的任务分解成若干个小任务，分别编制实现这些小任务的子程序，然后将子程序按照总体要求组装起来，就可以实现这个大任务了。这种思路对于可重复使用的子程序显得尤为优越，因为不仅程序结构清晰，而节约程序存储空间[4]。

发酵控制软件主要实现的功能转速控制、温度控制、PH控制等，各控制环均作为子程序设计，使用时再调用，这样既利于程序的移植和维护，也有利于节省CPU的存贮空间，提高程序的运行速度。

3 结束语

本文完成了基于单片机的温度控制系统的开发，包括系统的硬件开发、软件编程等。主要介绍的是以STM32F10X处理器的咖啡豆发酵系统设计，主要完成了对发酵温度，搅拌器速率、频率的控制。从而实现咖啡豆发酵的自动控制，满足设计要求，系统运行稳定可靠。

[1]莫丽珍，李姝谚，高应敏，等.咖啡的精品时代[J].热带农业科学，2012(12):94-96.

[2]赵煜.基于嵌入式技术的微生物发酵罐控制系统研究及实现[D].陕西:西北农林科技大学，2007.

[3]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京：机械工业出版社，2001.

[4]张志良，马彪.单片机原理与控制技术[M].北京：机械工业出版社，2001.