河北理工大學信息學院 摘要 功能與設計方案2.1系統(tǒng)的功能要求釀酒過程中控制系統(tǒng)需面對三大流程管理難題，才有望達成理想的自動化控制成果，進料階段得盯住葡萄汁，酵母與二氧化硫的配比情況，重量傳感器捕獲實時變化，到指定比例便馬上停止添加且鎖定閥門，在加熱部分傳感器緊盯溫度曲線，達到設定數(shù)值后關(guān)閉加熱再開啟攪拌，借助設定的時間維系效果，發(fā)酵環(huán)節(jié)更為復雜些，得確保穩(wěn)定的溫度范圍，并從二氧化碳排放里尋得解決之道，通過監(jiān)測酸堿度進行適時中和調(diào)節(jié)，以精密檢測酒精變化來精準拿捏終點狀態(tài)為控制過程添上可視化交互元素相當關(guān)鍵，屏幕上清晰展示運行態(tài)勢，并提供必要數(shù)據(jù)的操作按鍵，這樣就能輔助進一步的參數(shù)微調(diào)，藍牙技術(shù)使數(shù)據(jù)與狀態(tài)信息可于手機端呈現(xiàn)，免去了人工現(xiàn)場確認各項數(shù)據(jù)的需求從而達成遠程監(jiān)控生產(chǎn)的實際目標。2.2系統(tǒng)設計方案基于功能需求展開系統(tǒng)設計，整體吸納了模塊化理念，區(qū)分為控制核心，傳感檢測，執(zhí)行控制，人機交互及供電管理等部分，控制核心部分采納STM32F103C8T6微控制器以承擔數(shù)據(jù)整合與指令輸出任務，傳感器層面選配如HX711電子稱重單元，溫度探測頭，KQ-2801型二氧化碳感應器，并輔以PH0～14酸堿值測量組件以及MQ-3氣體濃度模塊，構(gòu)成具備廣度的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，于執(zhí)行端MX1508直流電機驅(qū)動裝置協(xié)同帶有MOS管的驅(qū)動線路不容小覷，二者聯(lián)合掌控攪拌動力及電磁元件切換操作從而促成分工更為高效的資源搭配格局形成。人機交互模塊涉及OLED顯示屏，獨立按鍵以及ECB02H1藍牙模塊，作用在于狀態(tài)顯示，參數(shù)調(diào)節(jié)和遠程連通，功能分區(qū)清晰明，供電管理系統(tǒng)則融合了太陽能供能，鋰電池儲備與Type-C充電接口等方式，通過相互配合維持系統(tǒng)穩(wěn)定運作，整體工作流程涵蓋進料，加熱到發(fā)酵的三大階段，各部分按預設機制實現(xiàn)自動對接和過渡，將釀造過程的自動化控制貫穿其中。圖2.1系統(tǒng)硬件模塊工作框圖2.3器件方案對比2.3.1單片機的選擇在選擇單片機時，工程師們需要依據(jù)具體的設計需求，進行全面而深入的評估。這是一個復雜的過程，需要綜合考慮多個關(guān)鍵因素，包括處理能力、接口類型、功耗和成本等。處理能力方面，要確保單片機的運算速度和數(shù)據(jù)存儲容量能夠滿足項目的實時性和數(shù)據(jù)量需求。接口類型則需與項目中使用的外部設備和傳感器相匹配，以保證系統(tǒng)集成的順利進行。功耗是移動設備和電池供電系統(tǒng)必須重點考量的因素，低功耗單片機能夠顯著延長設備的使用壽命。成本方面，不僅要考慮單片機的采購成本，還需涵蓋開發(fā)工具、軟件支持以及長期維護等潛在費用。通過綜合權(quán)衡這些因素，工程師們可以確保所選模塊能夠最大程度地契合項目需求，達到性能和效益的最佳平衡REF_Ref6520\r\h[4]。表2-1詳細列出了五種單片機的性能及其優(yōu)缺點，為選型工作提供了重要的參考依據(jù)。表2-1五種主流單片機參數(shù)表特性STM32系列51系列AVR系列ESP系列PIC系列架構(gòu)32位(ARMCortex-M)8位(8051)8位8位32位主頻72MHz~400MHz+12MHz~35MHz1MHz~20MHz80MHz~240MHz4MHz~64MHz存儲器大容量小容量中小容量大容量中小容量外設接口多種接口有限接口多種接口多種接口多種接口優(yōu)點高性能、多種接口、生態(tài)完善簡單易用，成本低低功耗、高指令效率集成無線、適合物聯(lián)網(wǎng)抗干擾能力強、工業(yè)級穩(wěn)定缺點開發(fā)復雜度較高性能低、外設少型號迭代慢實時性較弱開發(fā)工具封閉適用場合復雜控制、工業(yè)設備、四軸飛行器教學、簡單控制嵌入式設備、智能硬件物聯(lián)網(wǎng)終端、智能家居工業(yè)控制、汽車電子綜合表中數(shù)據(jù)，STM32系列單片機擁有72MHz~400MHz的主頻和ARM架構(gòu)，處理能力強。釀酒過程控制系統(tǒng)的設計需要精確控制溫度，攪拌時間，原料比例，二氧化碳濃度，藍牙通信模塊等任務。STM32系列單片機能夠滿足這些高性能需求。方案一：STC12C5A60S2單片機性價比很高，擁有60KFlash程序存儲空間以及1280字節(jié)RAM，運行頻率上限為35MHz，片內(nèi)集成8路10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，足夠應對常規(guī)的數(shù)據(jù)采集任務；其兼容8051指令體系，開發(fā)生態(tài)完善且已有豐富的代碼庫沉淀，使得整體構(gòu)建周期顯著縮短。但是該芯片僅有32腳處于使用狀態(tài)，I/O端口數(shù)量捉襟見肘對接傳感器的數(shù)量擴展構(gòu)成限制；另外由于缺乏內(nèi)置的I2C或SPI等通信接口，必須借助軟件模擬實現(xiàn)相關(guān)功能，并因此額外增加了開發(fā)工作量；外圍資源相對匱乏，特別是定時器或中斷機制設計不夠完備也讓硬件靈活性受限，進一步暴露了系統(tǒng)層次性的拓展短板REF_Ref6543\r\h[5]。方案二：STC89C52源自經(jīng)典的8051架構(gòu)，搭載8KFlash與256字節(jié)RAM，峰值頻率至12MHz，資料豐富且開發(fā)工具全面，適合簡單的控制任務，芯片內(nèi)嵌32個I/O端口，4組8位可編程接口，以及3個16位計時器/計數(shù)器外加支持5路中斷輸入。然而它未集成模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊因此需要外擴數(shù)模樣件支持，并且性能限制其運算高復雜度算法的能力，加之有限的內(nèi)存和拓展短板事實上使系統(tǒng)整體難以肩負高效處理和功能協(xié)同的雙重使命任務體系。本項目復雜度與功能需求相互糾纏，STC系列單片機雖具備價格優(yōu)勢，但功能方面略顯薄弱，綜合考量后選擇STM32F103C8T6微控制器作為系統(tǒng)核心，該控制器可提供更強勁的功能支撐REF_Ref6563\r\h[6]。2.3.2通信模塊的選型方案一：HC-05藍牙模塊的核心采用CSRBC417芯片，具備藍牙2.0標準特性，工作在2.4GHz頻段，其有效傳輸范圍大致為10米，這一模塊既能充當主設備也能作為從設備運行，從而靈活契合多樣化的應用需求，借助串口實現(xiàn)透明數(shù)據(jù)流操作，最大速率達3Mbps，足以應對許多監(jiān)控場景的使用，參數(shù)修改可通過AT指令快速完成，良好的互通性促使其廣泛活躍在市場上；然而其依仗傳統(tǒng)藍牙框架，功耗表現(xiàn)顯然欠佳，待機電流逼近8mA，加之整體防護能力稍顯薄弱，易暴露在信號干擾風險中；鑒于其基于陳舊協(xié)議版本，現(xiàn)代硬件對其兼容可能存在問題；盡管宣稱支持高達3Mbps的數(shù)據(jù)吞吐，現(xiàn)實應用中這類表現(xiàn)通常不達標，實際表現(xiàn)也并未充分顯現(xiàn)可靠一面。方案二：ECB02H1藍牙模塊配備藍牙4.0BLE技術(shù)，核心鎖定低能耗方向，待機狀態(tài)下僅消耗100μA電流，這種顯著的節(jié)能特性為電池續(xù)航提供了極大保障，在嵌入高效能芯片及PCB天線的基礎上信號傳遞覆蓋范圍擴增至30米，提升了整體傳輸能力，支持經(jīng)典藍牙和藍牙低功耗的雙模式架構(gòu)，對于老舊硬件的兼容性也非常完善，可靈活連通多樣化設備，除傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)透傳外還兼容特定格式的數(shù)據(jù)分析功能，有效確保消息在復雜環(huán)境中平穩(wěn)無誤地流轉(zhuǎn)，緊湊的小型尺寸（長27mm，寬13mm，厚2mm）搭配通用性的標準接口進一步降低集成復用的繁瑣步驟，節(jié)省開發(fā)資源和部署時間。從低功耗性能，遠距離互動延伸到了穩(wěn)定傳輸?shù)男阅芸蚣?，以及長期擴展需求的靈活性上綜合來看，EB02H1的多功能設計與實際需要高度匹配，在遠程監(jiān)控等場景中顯得尤為適合，直接將這一模塊定位為通信解決方案，無疑是一種很精準的理念選擇REF_Ref5893\r\h[1]。2.3.3顯示模塊的選型方案一：OLED顯示屏基于有機發(fā)光二極管技術(shù)，本身就能自己發(fā)光，徹底擺脫了背光源的依賴，低能耗與卓越屏幕表現(xiàn)是它的一大特點，本項目采用的這款0.96英寸模塊分辨率達到128×64，顯示系統(tǒng)狀況和參數(shù)完全不在話下，其對比度超2000:1，水平視角突破160°，不論是強烈光照還是昏暗環(huán)境都能讓內(nèi)容呈現(xiàn)得清楚明白，響應速度更是驚人，小于10μs，刷新動態(tài)數(shù)據(jù)時無任何拖影問題，非常適合用來高頻率更新信息。模塊采用了SSD1306芯片，支持I2C和SPI兩種接口協(xié)議，僅需2到4根線便可完成與單片機的對接，該模塊的工作溫度跨度極大，在-40℃至85℃之間能夠自如運行REF_Ref6592\r\h[7]，對環(huán)境中溫差的容忍能力相當強，不過OLED屏幕也并非完美無瑕，它的壽命通常僅為10000小時左右，長時間使用后亮度會變得不甚穩(wěn)定；由于成本稍高，項目預算需要額外考慮不少比例的資金占比，此外驅(qū)動代碼如同迷宮結(jié)構(gòu)極其復雜，閱讀起來讓人心煩意亂，不小心還可能拉長開發(fā)周期。方案二：LCD1602字符液晶顯示模塊屬于傳統(tǒng)顯示設備，適合用來展示16列×2行的字符信息，對于呈現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)或狀態(tài)提示能夠勝任，這種方案性價比不錯，應用市場成熟，資料齊全便于開發(fā)，同時模塊本身趨于標準化，元件易采購且后續(xù)維護成本可控，其功耗算不上太高，整體運行穩(wěn)健，使用壽命較長。不過也存在一定缺憾，比如它僅支持單薄的簡單字符，圖形與中文字體不在支持范圍內(nèi)，受溫度影響對比度表現(xiàn)差強人意，尤其在低溫環(huán)境中更顯得朦朧，需要通過內(nèi)置背光來彌補功耗開銷，多達6-8個接口也增加了布線復雜程度，加之刷新能力有限，在更新數(shù)據(jù)密集的操作下，畫面更新速度略顯遲滯分布于性價與性能間的局限性尚未消除。綜合考慮顯示效果、在空間利用效率，接口便捷性以及用戶體驗感這幾方面，OLED顯示屏更能貼合本系統(tǒng)人機交互的要求，所以顯示模塊就選定為OLEDREF_Ref6608\r\h[8]。2.3本章小結(jié)本章詳盡解析釀酒流程控制系統(tǒng)的架構(gòu)設計，涵蓋功能需求分析，方案擬定和硬件單元選型等內(nèi)容，系統(tǒng)囊括進料，加熱，發(fā)酵這三大工序于自動調(diào)控范圍內(nèi)，并且達成對多種數(shù)據(jù)的監(jiān)測與精準調(diào)適功能，采取模塊劃分的設計邏輯，整合控制中樞，傳感檢測，操作板塊，用戶交互界面，供電結(jié)構(gòu)等要素構(gòu)筑完整的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡，在遴選核心部件時經(jīng)過技術(shù)參數(shù)和匹配度對比評估，選定STM32F103C8T6型號微控制器聯(lián)合ECB02H1藍牙模塊及OLED顯示屏作為關(guān)鍵組件套裝，整個系統(tǒng)搭建切合實際應用需求的同時顧及平穩(wěn)性以及未來拓展的可能性，確保各細部實施事務順利落實。工程學院畢業(yè)設計3系統(tǒng)的硬件設計3系統(tǒng)的硬件設計3.1STM32F103C8T6本設計采用STMF103單片機為主控芯片，STM32單片機的最小系統(tǒng)通常由四個基本部分組成：主芯片、時鐘電路、復位電路和電源電路。主芯片（MicrocontrollerUnit，MCU）：主芯片是整個系統(tǒng)的核心，通常采用STM32系列的單片機。STM32單片機集成了CPU、存儲器、外設和各種接口，能夠完成各種控制任務。時鐘電路：時鐘電路提供了單片機需要的時鐘信號，以驅(qū)動單片機內(nèi)部的各種時序操作。它包括晶振、晶振負載電容和時鐘源選擇電路等組成部分。在STM32最小系統(tǒng)中，晶振的頻率通常為8MHz或16MHz，提供了單片機運行時的時鐘信號REF_Ref6635\r\h[9]。復位電路：復位電路用于在系統(tǒng)上電或發(fā)生異常情況時將單片機復位到初始狀態(tài)，保證系統(tǒng)的可靠啟動和運行。它包括復位按鍵、復位電路和復位源選擇電路等部分。電源電路：電源電路為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應。它通常包括穩(wěn)壓器、電容濾波器和電源選擇開關(guān)等組成部分。STM32單片機通常工作在3.3V或5V的電壓下，因此需要通過穩(wěn)壓器將輸入電壓（如5V）轉(zhuǎn)換為合適的工作電壓REF_Ref6657\r\h[10]。這些部分共同構(gòu)成了STM32單片機的最小系統(tǒng)，為單片機的正常運行提供了必要的支持和保障，該芯片是系統(tǒng)的控制核心。STM32F103C8T6單片機電路圖如圖3.1所示。圖3.1STM32F103C8T6單片機接線情況本課題選用STM32F103C8T6單片機，STM32F103C8T6的主要優(yōu)勢有高性能、低功耗、可靠的外設、良好的成本控制以及豐富的開發(fā)資源。它主頻最高可達72MHz，擁有48個引腳，擁有多達37個通用I/O端口等。STM32F103C8T6單片機實物如圖3.2所示。圖3.2STM32F103C8T6單片機3.2ECB02藍牙模塊ECB02H1藍牙模塊作為無線通信的核心組件，運用藍牙4.0雙模技術(shù)，兼有BLE和經(jīng)典藍牙協(xié)議的特點，從而實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的遠程檢測，工作電壓范圍為3.3V到5V的它能夠無縫適配單片機，無需通過電平轉(zhuǎn)換芯片，理論上的通訊速率峰值達到了1Mbps，完全對應實時數(shù)據(jù)交互的具體需求，借助串口通道，它綁定至STM32F103單片機的USART1端口(PA9/PA10)，選用透明傳輸路徑優(yōu)化了協(xié)議設計方案，同時它還可以依據(jù)AT命令高效地調(diào)控波特率，設備標識與連接密碼等變量，迎合靈活調(diào)用的各種場景需求。ECB02藍牙模塊實物圖如圖3.3所示REF_Ref6687\r\h[11]。圖3.3ECB02藍牙模塊實物圖模塊內(nèi)置天線之后，傳輸距離可達30米左右，輕松滿足實驗室或小型生產(chǎn)場景的需要，其待機功耗降至100μA，工作時約為8mA，電池供電場合毫無負擔，尺寸則精巧緊湊（27mm×13mm×2mm），標配6引腳接口（包括VCC，GND，RX，TX，STATE和EN），布局合理，安裝方便，電路額外加入了電源濾波與狀態(tài)指示功能，整體可靠性和可視性由此提升，藍牙模塊借助STATE引腳對單片機反饋運行信息，從而妙用連接狀態(tài)監(jiān)控提升了系統(tǒng)的抗風險韌性。ECB02藍牙模塊電路圖如圖3.4所示。圖3.4ECB02藍牙模塊電路圖3.3HX711稱重模塊HX711稱重模塊在進料流程控制中扮演核心傳感的角色，基于HX711這款24位A/D轉(zhuǎn)換芯片設計，專門面向高精度稱重需求進行了優(yōu)化適配，采用5V工作電壓并通過四線制接口(VCC，GND，DT，SCK)與STM32單片機實現(xiàn)連接，其中PA0用于數(shù)據(jù)傳輸，PB12/PB13承擔時鐘信號任務，集成前置放大器和高精度ADC后，增益可按需調(diào)整至32倍，64倍或128倍，適配不同的測量量程，最高轉(zhuǎn)換速率可達80Hz以滿足實時監(jiān)測的要求，同時配置的溫度補償電路有效削弱了環(huán)境溫度對測量精準度可能引入的干擾?？垢蓴_設計包含數(shù)字濾波電路和差分輸入結(jié)構(gòu)，信號質(zhì)量由此得以提升，稱重傳感器大多采用電阻應變式構(gòu)造，擁有高靈敏度，良好線性度和出色的長期穩(wěn)定性，系統(tǒng)通過HX711模塊與稱重傳感器相連接，實時監(jiān)測容器重量變化并據(jù)此控制進料閥門開關(guān)以達成原料精準添加的目的，電路設計考慮到信號完整性保護，所以選用屏蔽線傳輸模擬信號來降低電磁干擾的影響，模塊校準運用兩點法借助已知重量來標定進而確保測量精度REF_Ref6719\r\h[12]。圖3.5HX711稱重模塊3.4OLED顯示模塊OLED顯示電路的設計主要圍繞SSD1306驅(qū)動芯片展開，該芯片支持并行和串行兩種接口模式。在本設計中，為了節(jié)省單片機的I/O口資源，采用了4線串行SPI接口與單片機進行通信。通過SPI總線，單片機將需要顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送到SSD1306的數(shù)據(jù)區(qū)域，驅(qū)動芯片再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應的顯示內(nèi)容在OLED屏幕上顯示REF_Ref7395\r\h[13]。OLED模塊不光能在圖形模式下編寫程序，與字符模式也同樣兼容，這使得操作變得更加自由靈活，開發(fā)團隊設計了許多界面，像參數(shù)頁面，設置菜單還有監(jiān)控選項卡這類元素來回切換全都依賴按鍵完成，中文顯示采取字庫映射的方式來達成展示功能，并且涵蓋了大部分的常用漢字，在使用時會感覺很便捷，分區(qū)規(guī)劃使得重要信息更抓住眼球，特別是重點數(shù)據(jù)采用高亮呈現(xiàn)，預警信號是以閃爍的方式跳出來提醒使用者，這樣做有助于確保界面對具體目標內(nèi)容明確可見，至于在安裝層面，視覺角度上的要點已經(jīng)足夠重視并且加以改善，從而便于工作人員去操作觀察REF_Ref7412\r\h[14]。圖3.6OLED顯示模塊3.5KQ-2801型二氧化碳檢測模塊KQ-2801二氧化碳檢測模塊在發(fā)酵監(jiān)控中以關(guān)鍵傳感角色示人，設計依托紅外吸收原理，量程設定為0至5000ppm，與釀酒發(fā)酵檢測要求恰相匹配，供電選5V并通過四線制接口連入系統(tǒng)即VCC，GND，DQ和AQ四個端口，其中AQ端作為模擬輸出被用于與單片機PA1腳相連采集CO2含量信號，測試偏差±50ppm彰顯細節(jié)精度，再現(xiàn)性同樣優(yōu)異保證長期穩(wěn)定效果普遍達5年以上，響應時間不超出60秒滿足實時監(jiān)測需求同時嵌入溫度補償功能減弱外界變動干影響數(shù)據(jù)準確表達，整體性能切題提升。信號處理電路包含放大器，濾波器以及線性化補償部分以優(yōu)化輸出信號質(zhì)量，設計時融合了抗干擾對策，比如運用差分信號處理和屏蔽構(gòu)造增強系統(tǒng)可靠性，傳感器校準借助兩點法并依靠標準氣體周期性開展以達成精度要求，系統(tǒng)根據(jù)二氧化碳濃度判定發(fā)酵活躍度，在濃度超越閾值之際排氣閥自動開啟用以排放氣體防止壓力過高對發(fā)酵帶來干擾，濃度數(shù)值可用于掌握發(fā)酵進展變?yōu)楣に囌{(diào)控的參考依據(jù)，在考量氣流分布的前提下選擇模塊安裝位置讓測量信息更準確，防塵過濾網(wǎng)加防水結(jié)構(gòu)等多項防護措施確保符合釀酒環(huán)境需求REF_Ref7435\r\h[15]。圖3.7KQ-2801型二氧化碳檢測模塊3.6MQ-3酒精濃度檢測模塊MQ-3酒精濃度檢測模塊用以追蹤發(fā)酵過程中的酒精含量動態(tài)，其核心以半導體氣敏材料為基礎，對于乙醇氣體表現(xiàn)出顯著的敏感特性；工作條件規(guī)定為5V電壓輸入，四線制接口（包括VCC，GND，DQ，AQ）接入系統(tǒng)后，通過AQ端口傳輸模擬信號至單片機PA1，并配合二氧化碳傳感器共同利用ADC通道進行數(shù)據(jù)采集，采用時分復用模式分離出各傳感器所測量的信息，在此框架內(nèi)，MQ-3被設計應用于檢測范圍為0.05-10mg/L的目標值波動中，滿足酒精發(fā)酵整個過程變化的需求，在運行過程中依靠氣敏材料與乙醇吸附導致的電阻改變輸出信號REF_Ref7343\r\h[16]，雖然具有出色的靈敏度但仍面臨較明顯的交叉反應影響問題，部分還原性氣體也可能誘發(fā)相應響應信號。電路設計通過電阻分壓的形式產(chǎn)生電壓信號輸出，利用電阻的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)化，模塊中融入了溫濕度補償?shù)乃惴ㄔO計，這能夠削減環(huán)境變量引起的干擾，裝置在約1至2分鐘預熱后具備穩(wěn)定的性能表現(xiàn)，因而適合長時間監(jiān)測場景，校準時選用標準乙醇溶液的方式建立了濃度與輸出電壓間的映射關(guān)系，系統(tǒng)基于酒精濃度升降的速率判斷發(fā)酵進程，當濃度處于設定范圍且變化率接近零時認定發(fā)酵完成，同時觸發(fā)提示報警模塊發(fā)揮作用REF_Ref7471\r\h[17]，在此過程中數(shù)據(jù)處理引入了滑動平均濾波的技術(shù)大幅削弱了隨機噪聲的影響，位置布局選在發(fā)酵容器上部空間區(qū)域，確保氣體樣本具備典型性的特點利于準確獲取結(jié)果。圖3.8MQ-3酒精濃度檢測模塊3.7pH0-14采集模塊pH范圍從0到14的采集模塊專注于發(fā)酵液酸堿度的小幅度變化，以保障發(fā)酵環(huán)境有效運作，該模塊的設計基于復合pH電極與信號處理電路展開，聚焦于0-14pH測量區(qū)間，在±0.1pH精度要求內(nèi)便可滿足釀酒需求的一切條件，連通系統(tǒng)只需提供5V工作電源且通過六線接口(TO，DO，PO，GND，GND，VCC)完成，其中的PO端模擬量連接至單片機PA4位實現(xiàn)pH數(shù)值檢測任務，在設計上采用集合式結(jié)構(gòu)集成測量和參比兩功能部分，產(chǎn)生毫伏級微弱電壓信號并與每單位的59mV/pH成正相關(guān)REF_Ref7307\r\h[18]；放大器配以高輸入阻抗能力同時結(jié)合濾波器及溫度補償電路在提升測量準確率上有重要表現(xiàn)。模塊具備數(shù)字校準功能，依靠標準溶液進行兩點校準，常見的是pH4.01和pH6.86組合，這樣可以排除系統(tǒng)誤差的糾纏，響應時間控制在10到30秒范圍內(nèi)，能夠適應工藝監(jiān)控的要求，電路設計融入了抑制干擾的思路，采用屏蔽構(gòu)造并結(jié)合光電隔離方法，使信號質(zhì)量達到更高水準，通過監(jiān)測發(fā)酵過程中酸度pH值的變化，當檢測數(shù)據(jù)降到設置好的下限參數(shù)后，自動啟動中和液注入機制且喚出警報，防范過于激烈的酸性環(huán)境破壞最終產(chǎn)品品質(zhì)，在這種情況下需要實時盯緊數(shù)據(jù)波動現(xiàn)象，在內(nèi)部使用數(shù)字濾波特手段調(diào)節(jié)這些不穩(wěn)定狀態(tài)以保證精準讀取效果，并引入防干措施協(xié)助維護操作來延長電極自身壽命。圖3.9pH0-14采集模塊3.8執(zhí)行模塊執(zhí)行模塊歸于系統(tǒng)控制指令的輸出端，涵蓋電機驅(qū)動電路與閥門控制電路，選用MX1508直流電機驅(qū)動芯片負責電機驅(qū)動，此芯片工作電壓為5V，具備800mA的驅(qū)動能力，推動攪拌電機游刃有余；設計上規(guī)劃了兩組MX1508驅(qū)動器（U10/U11），每組對接不同電機確保操作的獨立靈活度；每組驅(qū)動器以四線接口（INA1，INB1，INA2，INB2）銜接到單片機，一組通過PA6/PA7/PB0/PB1控制，另一組則由PB6/PB7/PB8/PB9掌控，由此達成對電機正反轉(zhuǎn)與變速功能的把控，H橋架構(gòu)使得電路運作高效率且不易發(fā)燙，嵌入了防止過流與短路的安全機制，而閥門控制維持分部式的穩(wěn)健策略，待日后說明各部件的實際運行形式性能匹配參數(shù)時詳細闡明REF_Ref7284\r\h[19]。圖3.10執(zhí)行模塊3.9本章小結(jié)本章詳述釀酒過程控制系統(tǒng)硬件設計相關(guān)內(nèi)容，涵蓋控制中樞，感應檢測，行為管理以及人機交互等方面的內(nèi)容，STM32F103單片機在系統(tǒng)內(nèi)扮演著重要角色，憑借強勁的計算能力與豐沛的外設接口提供有力支撐；傳感器系統(tǒng)由HX711稱重模塊，KQ-2801二氧化碳檢測模塊，MQ-3酒精濃度檢測模塊及pH0-14pH值采集模塊組合為一套完整的參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡。工程學院畢業(yè)設計4系統(tǒng)的軟件設計4系統(tǒng)的軟件設計4.1軟件介紹Keil5是一款嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的集成環(huán)境，特別在設計ARM系列微控制器程序時具備強大的功能，作為ARM公司開發(fā)的工具，它包含編輯器，編譯器，調(diào)試器和仿真器，全面支持STM32開發(fā)，該軟件提供直觀界面與代碼編輯工具，適用于C/C++語言，同時為用戶提供豐富的代碼模板與調(diào)試支持。Keil5項目管理功能支持開發(fā)者對源文件，頭文件和庫函數(shù)進行高效組織，其內(nèi)置的ARM-MDK開發(fā)包中包含針對STM32系列的器件支持包，這大幅簡化了配置過程，軟件支持多種仿真模式，例如軟件仿真與硬件在環(huán)仿真，為程序功能驗證提供了實際燒錄前的驗證支持，代碼優(yōu)化功能也包含在Keil5中，其生成的機器碼更為高效，這對資源受限的微控制器尤為重要。本項目在Keil5開發(fā)環(huán)境完成STM32F103的程序編寫，同時使用STM32CubeMX完成初始化配置，用以實現(xiàn)釀酒過程的自動控制。程序采用模塊化設計，具體包含主程序，數(shù)據(jù)采集，參數(shù)計算，控制執(zhí)行以及人機交互等部分，各部分之間利用全局變量與函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和控制聯(lián)動REF_Ref7258\r\h[20]。圖4.1Keil_5軟件界面4.2軟件程序的設計4.2.1主程序流程圖4.2系統(tǒng)邏輯流程圖如圖4.2所示，主程序為整個控制系統(tǒng)的骨架，借助循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)持續(xù)監(jiān)控與調(diào)控功能，初始化階段完成各外設的配置，GPIO，ADC，定時器，I2C和USART等模塊完成初始化，同時建立傳感器與執(zhí)行裝置的工作基礎，主循環(huán)部分，程序采集各傳感器數(shù)據(jù)，重量，溫度，二氧化碳濃度，pH值，酒精含量等參數(shù)在采集后依據(jù)系統(tǒng)運行階段（進料，加熱或發(fā)酵）判斷狀態(tài)并執(zhí)行相應算法，更新設備參數(shù)，最后刷新顯示界面且響應藍牙通信請求，確保系統(tǒng)連貫運行與及時響應。4.2.2按鍵程序流程按鍵程序流程如圖4.3所示；按鍵子程序解析用戶輸入并轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)操作，為交互接口的使用功能進行具體化設計，按鍵檢測采用定時掃描與消抖處理機制，每10ms采樣按鍵狀態(tài)并記錄連續(xù)狀態(tài)判斷有效性，穩(wěn)定按壓檢測到后區(qū)分單擊和長按兩種行為模式REF_Ref6935\r\h[21]。單擊事件用于參數(shù)瀏覽，選項切換與確認操作，長按則進入設置模式，切換工作模式或觸發(fā)特殊功能，狀態(tài)機設計用于按鍵響應，依據(jù)當前顯示界面與系統(tǒng)狀態(tài)決定操作內(nèi)容，人機交互直觀性與可靠性設計中強化了邏輯處理部分。圖4.3按鍵模塊邏輯流程圖4.2.3處理程序流程處理程序流程如圖4.4所示，注入原材料階段，注入原材料，當重量達到閾值時進入下一階段升溫與混合階段進行升溫和攪拌，接著進入發(fā)酵階段，如監(jiān)測到二氧化碳濃度超過閾值，開啟排氣通風系統(tǒng)進行排氣；若酒精濃度超過閾值，蜂鳴器間歇報警且停止釀酒流程；若PH值小于閾值，蜂鳴器持續(xù)報警。圖4.4處理函數(shù)邏輯流程圖4.3本章小結(jié)本章對釀酒過程控制系統(tǒng)的軟件設計方案進行闡述，開發(fā)平臺采用Keil5，構(gòu)建了嵌入式控制程序，軟件架構(gòu)通過模塊化形式劃分功能單元，主程序，按鍵處理，溫度監(jiān)測各單元協(xié)同運行。主程序流程包含數(shù)據(jù)采集，狀態(tài)判斷，算法處理及顯示更新；按鍵子程序借助防抖處理與狀態(tài)機機制保障交互可靠性，這些模塊以高效方式協(xié)同運行，滿足自動化控制需求，同時為功能拓展與參數(shù)優(yōu)化提供了可實現(xiàn)的空間。工程學院畢業(yè)設計5系統(tǒng)的測試5系統(tǒng)的測試5.1軟硬件調(diào)試系統(tǒng)軟硬件調(diào)試過程包含單元測試與集成測試，各功能模塊獨立工作正常且整合后能有機協(xié)作，首先驗證各傳感器模塊，標準砝碼校準HX711重量傳感器，測試顯示0-5kg范圍內(nèi)線性度良好，誤差在±0.5%以內(nèi)；標準氣體驗證KQ-2801二氧化碳傳感器，0-3000ppm范圍響應靈敏穩(wěn)定；標準溶液校正MQ-3酒精傳感器和pH值傳感模塊，數(shù)據(jù)可靠性無虞，執(zhí)行模塊方面，反復開關(guān)測試電機驅(qū)動與閥門控制電路，動作準確且無延遲現(xiàn)象。軟件調(diào)試首先對各功能子程序單獨測試，ADC采集程序通過示波器驗證波形完整性，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換無誤；按鍵程序經(jīng)人工快速點擊與長按測試，消抖效果顯著且響應及時；通信模塊借助串口調(diào)試助手驗證數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性與完整性。之后進行軟硬件聯(lián)調(diào)，重點在閉環(huán)控制邏輯的驗證，進料階段系統(tǒng)依據(jù)重量傳感器數(shù)據(jù)準確控制進料閥門，達到設定值后精確停止；加熱過程中溫度控制回路反應迅速，穩(wěn)定在設定溫度±1℃范圍內(nèi)，未出現(xiàn)超調(diào)；發(fā)酵階段系統(tǒng)展示了對二氧化碳濃度，酒精含量和pH值的綜合監(jiān)控能力，參數(shù)超出安全范圍時觸發(fā)相應調(diào)節(jié)機制。系統(tǒng)進行耐久性測試時持續(xù)運行了72小時，功能與穩(wěn)定性未發(fā)現(xiàn)任何衰減現(xiàn)象，電磁兼容性測試顯示，附近電機啟停和射頻干擾環(huán)境下，系統(tǒng)正常工作，抗干擾能力相當穩(wěn)定。人機交互方面，最后測試結(jié)果表明OLED顯示清晰，菜單操作流暢，藍牙遠程控制在30米范圍內(nèi)通信同樣穩(wěn)定，各種實際應用需求均滿足測試要求，功能實現(xiàn)，控制精度，穩(wěn)定性，可靠性等綜合方面表明，系統(tǒng)達到了設計預期。5.2實物運行演示系統(tǒng)測試顯示，所有功能模塊都達到設計預期。在實際釀酒工藝測試中，進料精度保持在±15g范圍內(nèi)，這完全滿足配方要求；加熱階段溫度控制穩(wěn)定，波動區(qū)間為±0.8℃，優(yōu)于±1℃的設計指標；發(fā)酵過程的監(jiān)控顯示，系統(tǒng)準確捕捉二氧化碳濃度變化曲線，判斷發(fā)酵活躍度，酒精濃度達到設定值且二氧化碳排放率降至閾值以下時，系統(tǒng)識別發(fā)酵完成時點的誤差不超過3小時。人機交互測試結(jié)果表明，OLED屏幕在光照條件下均清晰可辨，信息布局合理，菜單層次分明，按鍵操作靈敏且符合直覺邏輯，新用戶培訓后能迅速熟練使用。藍牙遠程監(jiān)控功能測試顯示，系統(tǒng)穩(wěn)定傳輸實時參數(shù)，遠程指令執(zhí)行率達100%，操作時延控制在200ms以內(nèi)，模擬極端情況時，安全保護機制正常運行，例如過溫保護，進料異常中斷和pH值報警等功能防止了工藝事故的發(fā)生，實物演示中，系統(tǒng)運行流暢且各項指標表現(xiàn)穩(wěn)定，評審人員對演示結(jié)果均表達好評。實物如圖5.1所示：圖5.1系統(tǒng)實物圖5.3本章小結(jié)本章對釀酒過程控制系統(tǒng)的測試環(huán)節(jié)與結(jié)果分析進行系統(tǒng)性說明，單元測試，集成測試與實際運行等三個層次的驗證表明，各項功能單元均表現(xiàn)出獨立工作與協(xié)同運行的特征。傳感器組群完成參數(shù)采集且精度高，執(zhí)行機構(gòu)準確響應控制指令，控制算法則保持系統(tǒng)在各階段平穩(wěn)運行，實際測試數(shù)據(jù)表明，性能指標在進料精度，溫度控制和發(fā)酵監(jiān)測等關(guān)鍵部分中達到或超過設計要求。人機交互設計直觀且易用，遠程監(jiān)控功能完備并可靠，安全保護機制反應靈敏，測試中發(fā)現(xiàn)的少量問題通過軟件優(yōu)化與參數(shù)調(diào)整解決，確保系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定可靠，這些測試結(jié)果充分證明，本設計所提出的釀酒過程控制系統(tǒng)完全滿足實際應用需求，具備推廣應用的現(xiàn)實價值。結(jié)論結(jié)論結(jié)論本畢業(yè)設計圍繞釀酒自動化控制需求，構(gòu)建了一套基于STM32單片機的綜合控制系統(tǒng)，通過集成重量傳感器，溫度傳感器，二氧化碳傳感器，pH值傳感器及酒精濃度傳感器等模塊，實現(xiàn)了對進料，加熱和發(fā)酵三大工藝環(huán)節(jié)的