基于GSM的啤酒巴氏杀菌机温度远程监控系统设计

2015-12-20郑晓茜祁泽刚郑州职业技术学院河南郑州450河南汉威电子股份有限公司河南郑州45000

食品与机械 2015年5期

赵方郑晓茜祁泽刚（.郑州职业技术学院，河南郑州 450；.河南汉威电子股份有限公司，河南郑州 45000）

啤酒的口味是衡量啤酒质量的重要性能指标，其影响因素很多，如原料、工艺、生产环节的卫生处理情况等，其中杀菌工艺是一个非常重要的影响因素，杀菌工艺是啤酒生产过程中一道重要的工序。啤酒杀菌普遍采用巴氏杀菌法，而温度是杀菌工艺中极为重要的控制指标，当前对杀菌过程中温度的控制普遍采用温度控制仪，各温度区域各有一套温控系统，采用铂电阻温度传感器检测温度，其控制精度较低，可靠性差，检查维修任务重，影响了啤酒生产的正常进行和啤酒的质量［1］。基于此，笔者拟设计一种基于数字温度传感器DS18B20、MSP430单片机和无线通讯网络GSM的啤酒巴氏杀菌机温度远程监控系统，以提高控制精度以及可靠性，利用远程集中监控可减轻检查工作量，节省劳动力和生产成本。

1 控制系统整体构成及功能

本设计的啤酒巴氏杀菌机温度无线远程监测装置由温度实时监测及控制、温度及故障等信息的GSM传输、远程监测中心PC机监控软件和管理员手机三大部分组成。系统功能是：MSP430单片机是控制的核心，通过外围的键盘可以方便设定巴氏杀菌机各个阶段的温度，温度采集单元的温度传感器将采集到的各监测点的温度传送到单片机软件系统进行数据处理，单片机处理过的数字量输出，经D/A转换成合适的模拟量去驱动执行机构对喷淋水的温度进行调节，从而保证巴氏杀菌机各个阶段的温度都在设定的范围内。每个测温区的温度都可以通过LCD进行显示。同时，系统通过GSM无线通信将各个监测点的实时温度发送至上位机，通过上位机软件值班员可以方便监视每一台巴氏杀菌机的工作情况。若某个阶段的温度经过调节后有异常，系统则将启动GSM无线通信模块，将异常信息发送到上位机管理中心，及时排除故障。本设计的巴氏杀菌机温控系统还设计了声光报警系统，监控中心软件也设置了故障、异常报警指示。为了实现双重保险，本设计每台巴氏杀菌机的温度异常信息还可以通过GSM网络发送到管理员手机。控制系统整体结构框图见图1。

2 硬件选择及设计

2.1 核心控制器

当前，啤酒巴氏杀菌机的温度控制仪基本都采用继电器、接触器机械结构，也有少数以51单片机作为控制器的。机械结构容易损坏，动作不灵敏；而51系列单片机本身抗干扰能力较差［2，3］，在啤酒生产车间，由于电网电压的波动或者电磁干扰的发生都会使控制器发生故障。故障率提升势必影响生产线正常的运行。为了克服上述缺点，本设计采用了抗干扰能力强的16位单片机MSP430f149作为控制核心，可以克服51单片机以及机械结构的缺点。MSP430单片机具有丰富的片内资源：flash ROM 60KB、RAM 2KB、并行I/O口6个共48位、16位定时器共2个、串口2个［4］；该单片机运行功耗低、能抵抗超强的电磁干扰、通讯速率高［5］、具有强大的中断能力、可在线编程、可使用1.8～3.6V的工作电压；可在－40～85℃的环境中稳定运行。

2.2 温度检测单元设计

温度的检测是温度控制系统的核心，传统的啤酒巴氏杀菌机的温度检测传感器采用的是铂热电阻，铂热电阻为模拟温度传感器，检测到的温度信号需经过放大、A/D转换等信号处理电路后才能送给单片机使用，其电路结构复杂，且信号微弱不易远传，传输过程中容易出差错。本设计采用数字温度传感器DS18B20作为测温单元，美国DALLAS公司最新推出的DS18B20传感器是单总线集成电路，体积小，工作电压范围较宽（3～5V），可用数据线供电。采用单总线结构，只有一条数据I/O线，只需一个接口引脚即可通讯。温度测量范围为－55～125℃，分辨率为0.062 5℃，内部自带A/D转换功能，通过编程可实现9～12位数字读数模式。数字温度传感器DS18B20本身有一个给定的唯一的64位长的序号，此序号事先都存放在其内部的ROM中［6］，通过合适的软件设计，每一个DS18B20的序号都可以被控制器准确读出，为减少数据量，设计中以每个传感器的序号作为每个测温区的编号，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点温度检测但不会出现混乱，可以和单片机方便的组成传感器网络。

以某啤酒生产企业的一条巴氏杀菌生产线的杀菌过程为例。该条线采用隧道式喷淋系统，整个喷淋过程喷淋水的温度有8个区域：1＃温区25℃、时间6min，2＃温区38℃、时间4.8min，3＃温区49℃、时间4.8min，4＃温区67℃、时间9.6min，5＃温区63℃、时间10min（保温区），6＃温区47℃、时间4.6min，7＃温区37℃、时间4.6min，8＃温区24.5℃、时间5.1min。每个温度区域一个DS18B20，共需8个，其电路图见图2。8个温度传感器采用单线结构共同占用了单片机的P2.2口。本系统温度传感器内部的A/D设置为12位，从而使温度分辨率达到0.062 5℃，满足±0.1℃的精度设计要求，本系统的温度范围为20～90℃。

2.3 控制装置主要外围单元设计

各个温度区域的温度设定采用按键设置，本装置设计了4个独立按键，其功能分别为增加、减少、设置和确定，以0.1℃步进，4个按键分别占用了单片机的P1.0～P1.3。

报警单元的功能是当某个测温区温度出现异常时发出声光报警以提示管理员做出及时的处理，灯光报警接在单片机的P1.4口，声音报警接在单片机的P2.1口。

图1 控制系统整体结构框图Figure 1 Control system overall block diagram

图2 多点测温电路Figure 2 Multi－point temperature measurement circuit

时钟单元采用了常用的DS1302时钟芯片，该芯片使用方便，功耗低，具有优越的性能和低廉的价格等性能，其内部自带RAM 可完成年、月、日、周、时、分、秒的计时［6］，本设计的时钟可对故障、温度异常的准确时间作记录以供查询，占用P2.5、P2.6、P2.7口。

显示单元的功能是实时显示各个测温区的温度，以便管理员直观地掌控各个点的温度情况，本设计采用液晶显示方式，选用LCD12864，该液晶块具有低功耗、低工作电压、电路设计和软件编程简单、使用方便等优点。软件采用的是扫描轮流显示各个测温点的温度、故障点的信息的方式，占用P4和P5口。电路图见图3。

2.4 GSM无线通讯电路设计

目前的啤酒巴氏杀菌生产线基本没有实现集中远程监控，这无疑需要技术人员不断地巡视以掌握巴氏杀菌机的工作情况，费时费力，增加了生产成本。本设计采用公用的GSM无线通讯网络作为数据传输的通道，其传输距离不受限制。TC35i是本设计的GSM无线通讯模块，也是西门子公司的工业级GSM模块，可传输中文短信息，可在900和1 800两个频段正常工作，可以传输语音和数据信息，支持Text和PDU格式的短信息，本设计主要传输数据信息。其工作电源为直流3.3～4.8V，功耗极低。TC35i由供电模块、ZIF（zero insertion force，零阻力插座）连接器、天线接口、闪存等6部分组成［6］，共有40个引脚，本设计用到的引脚见图4。通过ZIF连接器引出和外部电路连接［7］。单片机通过I/O口控制TC35i的启动和停止以及故障恢复。由于单片机输出为TTL电平，而TC35i为CMOS电平，设计中采用74F07进行电平转换。控制装置和TC35iGSM模块之间的数据传输通过串口URXD0和UTXD0进行。控制装置检测到的各温区的温度、现场控制装置故障等信息，通过串口驱动TC35i模块上的SIM卡1将信息发送至与SIM卡2连接的上位机，并在上位机软件实时显示，同时发送到管理员手机SIM卡3。其连接电路图见图4。

图3 设定、显示、时钟及报警电路Figure 3 Settings，display，clock and alarm circuit

图4 通讯系统电路图Figure 4 Communication system circuit diagram

为简化设计，降低成本，本装置采用PC机内部的5V电源为TC35i模块供电，二者之间的通信通过串口的RXD、TXD和GND三线制实现，线路连接简单、使用方便。

3 系统软件设计

3.1 单片机检测控制中心的软件设计

啤酒巴氏杀菌机温度检测控制中心软件的开发，是在MSP430单片机的软件开发环境中用C＋＋语言编写的，软件系统主要包括温度采集和处理子程序、单片机初始化程序、按键子程序、液晶显示程序、故障及温度异常报警子程序和时钟等程序模块。由于本系统的温度变化曲线无特定规律且是非线性的、大滞后的系统，因此，各个测温区域的温度控制采用了模糊控制算法。控制装置主程序流程图见图5。

图5 控制装置主程序流程图Figure 5 Main program flow chart of control device

3.2 监控中心软件设计

采用VC＋＋语言开发了监控软件，软件人机界面友好，操作方便，控制中心和监控中心通过GSM模块TC35i连接的无线通讯电路完成信息的传输。监控中心软件设有各监控点温度显示功能、温度异常提示、温度查询、远程温度设置、系统配置等功能、帮助菜单、打印、温度曲线绘制并显示、历史数据查询等功能。在系统配置中可以设置通讯端口号、波特率等通讯参数，监控软件中设有数据库，生产线所有的温度数据都可查询。上位机监控软件主界面图见图6。