高浓啤酒稀释配比系统，目前主要采用工业控制计算机和可编程控制器组成的两级计算机来控制，虽然比过去从国外引进每套系统投资多在百万元人民币以上的高浓度啤酒稀释监控系统要经济很多，但造价仍然较高，难以在一些中小型啤酒生产厂家推广，为此作者采用嵌入式控制器代替两级计算机系统实现高浓啤酒的配比控制及其监视等功能。
采用Philips公司生产的基于ARM核芯片LPC2214作为高浓度啤酒稀释混合配比智能控制系统的主控制器,主要对系统的软件进行分析，设计LCD驱动、触摸屏驱动、A/D驱动、PWM输出驱动、开关量驱动等驱动软件，并且移植uC/OS-II操作系统和对LCD显示模块、输出控制模块、模糊控制模块、数据采集模块等应用层软件模块进行设计
由于本课题采用高性能ARM7处理器和嵌入式实时操作系统uC/OS-II开发设计，所以在成本、性能上有较强的优势，并且具有运行可靠、实时性好、抗干扰能力强等优点，投入少、产出多。
关键词：高浓啤酒稀释；嵌入式系统；LPC2214；uC/OS-Ⅱ；模糊控制
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高浓度啤酒稀释技术就是在糖化生产高浓度麦汁，经过发酵和后酵贮藏，在啤酒灌装前加入适量脱氧水控制其麦芽糖含量，使之达到希望的原麦汁浓度和酒精含量。从投资规模、经济效益和质量的可靠性来看，在低浓度啤酒的生产中，稀释技术显示出极大的优势。
近年来，我国已有一些厂家从国外引进了高浓度啤酒稀释系统，每套系统投资都在百万元人民币以上，投资高。采用两级计算机（上位机为工业控制计算机IPC，下位机为可编程控制器PLC）开发研制了高浓啤酒稀释监控系统，使其设备投资得以减少，提高了高浓度啤酒稀释配比系统的性能，然而由工业控制计算机和可编程控制器组成的两级计算机控制系统造价仍然较高，难以在一些中小型啤酒生产厂家推广，采用基于ARM核的嵌入式控制器LPC2214代替两级计算机系统实现高浓啤酒的配比控制及其监视等功能。
改革开放以来，中国啤酒工业迅猛发展。从2002起啤酒产量就超过美国而成为世界第一啤酒生产大国。随人们生活水平的提高，人们对啤酒需求越来越多的情况下，由于个人偏好、各地文化差异、自然环境差别等多种因素的影响对啤酒口味的需求越来越多样化。
啤酒消费的个性化趋势创造了多样化的市场需求，促进了啤酒企业产品多样化步伐，市场上啤酒产品越来越多，啤酒品种从以前单一的淡色啤酒发展到目前的纯生啤酒、无醇啤酒、小麦啤酒、黑啤酒、干啤酒，还有具有营养、保健作用的果味啤酒、芦荟啤酒、苦瓜啤酒、菊花啤酒等等。生产多样化啤酒的技术有很多种，从投资规模、经济效益和质量的可靠性来看，高浓度啤酒稀释技术生产多样化啤酒是相对较好的一种方法。
高浓度啤酒稀释技术是目前国际上的先进技术。采用此项新工艺，仅在增加少量设备的条件下，不仅可以提高糖化、发酵、贮酒的设备利用率，提高啤酒产量；还可以降低生产成本及能源消耗，改善啤酒的风味和非生物稳定性。近年来，我国已有一些厂家从国外引进了高浓啤酒稀释配比系统，每套设备多在百万元以上，投资较高，而国产设备虽然价格便宜，但配比效果不太理想，为此开发研制高浓啤酒稀释配比系统有广阔的市场前景。
本课题是采用高性能ARM7处理器和嵌入式实时操作系统uC/OS-II开发设计，在成本、性能上有很强的优势，并且具有运行稳定、实时性好、抗干扰能力强等优点。
嵌入式系统是近几年才风靡起来的，其历史可追溯到20世纪70年代。经过30多年的发展，在硬和软件双螺旋式交替发展的支撑下，嵌入式技术趋于稳定和成熟，已被广泛应用于工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、POS网络及电子商务、环境检测、机器人等各个领域。毫不夸张的说，嵌入式系统已经无所不在。所以，研究和开发嵌入式系统有着十分重要的意义。
高浓度啤酒稀释技术就是在糖化生产高浓度麦汁，经过发酵和后酵贮藏，在啤酒灌装前加入稀释水，使之达到希望的原麦汁浓度和酒精含量。此项技术是目前国际上的先进技术。啤酒发展的今天，远远超出了其传统的内涵，“酒”的特性逐渐淡化，而“饮料”的特性则逐渐显露。从投资规模、经济效益和质量的可靠性来看，在低浓度啤酒的生产中，稀释技术显示出更大的优势。
重要。麦芽的溶解度、各种成份的组成及辅料的添加比例均会在不同程度上对稀释啤酒的质量产生影响。啤酒稀释用水应具有和啤酒相同的质量特性。稀释用水的氧含量和CO2 含量是重要的质量指标，必须严格控制。过多的氧含量不仅会加速啤酒的氧化，破坏啤酒的胶体和风味稳定性，而且还会导致啤酒中CO2 的含量降低。据测定啤酒中每溶解0.1ｇ空气，就会导致 5ｇCO2 被替代，这是相当危险的。稀释用水的生产工艺有多种，比较好的工艺是:原水→沙滤→活性炭吸附→反渗透→加热→线饱和。
高浓发酵后稀释是在高浓度麦汁经发酵后的酒液中，加入一定比例经除氧、杀菌、冷却并通入二氧化碳的酿造用水，而制成符合要求浓度的啤酒，这些稀释后的啤酒能被人们所接受。
水处理配比系统稀释技术的主要功能就是实现混合酒浓度配比自动控制，从而生产出符合要求浓度的啤酒。另外还有缓冲罐液位的检测与控制、平衡罐液位检测与控制以及各种参数的检测与显示功能。
根据原酒浓度B1及要求的混合酒浓度B2以及输入的原酒流量V1，控制稀释水的流量V2，从而达到满足混合酒浓度的要求。
由原酒（高浓度啤酒）浓度B1、配制浓度B2、酒流量V1，可按下式计算出所期望的水流量V2*见式（2-1）。
脱氧水流量的控制是通过改变混合泵的转速来实现的。本系统采用无静差闭环调节系统来控制水流量。
为了提高混合酒浓度的控制精度，对原酒和水流量进行累计，且对积累偏差进行补偿控制，在每罐60M3的容积下，水的偏差不超过±0.03M3，即±0.05%。由式（2-1）可知，当原酒流量V1＝0时，必然有V2*＝0，模糊控制器的输出为零，变频器的频率给定为零。为了在没有酒流量的条件下能单独启动混合泵供水，本系统设置了手动控制方式通过控制变频器的频率给定的功能。
系统还将检测并显示平衡罐温度T1、热交换器温度T2、稀释水PH值、稀释水含氧量O2等参数以及检测并显示残氧浓度超标K1、流量开关K2、平衡罐进水阀K3、平衡罐出水阀K4、线、出水泵状态K9、泵操作选择开关状态K10等开关量状态以及输出控制混合泵变频器启停信号Q1、线、回流电磁阀开关信号Q3、出水电磁阀开关信号Q4以及冷媒电磁阀开关信号Q5等信号。
高浓度啤酒稀释配比系统由嵌入式控制器LPC2214加上相应的接口电路组成，实现系统中各种参数的检测、信息处理、系统参数设定以及控制和监视等功能。
系统共有8路模拟量输入，分别为原酒流量V1、脱氧水流量V2、平衡罐温度T1、热交换器温度T2、平衡罐液位Y、缓冲罐压力 P、稀释水PH值、稀释水含氧量O2。这些模拟量输入信号由相应的传感器检测后由嵌入式控制器LPC2214内嵌的A/D转换器采集。
系统只有一路模拟量输出，该输出通过变频器控制混合泵的转速控制配比系统的水流，进而控制混合啤酒的浓度。由于嵌入式控制器LPC2214内核没有D/A转换器，因此其由嵌入式控制器LPC2214内嵌的PWM输出再经滤波后实现。
系统共有10路开关量输入信号，分别为残氧浓度超标K1、流量开关K2、平衡罐进水阀K3、平衡罐出水阀K4、线、出水泵状态K9、泵操作选择开关状态K10等。
系统共有5路开关量输出信号，分别为混合泵变频器启停信号Q1、线、回流电磁阀开关信号Q3、出水电磁阀开关信号Q4以及冷媒电磁阀开关信号Q5等。
这些开关量输入信号的采集和开关量输出信号的控制均由嵌入式控制器LPC2214自身的开关量GPIO通道加上相应的光电耦合器等来完成。
LPC2214是基于一个支持实时仿线TDMI-STM CPU微控制器，并带有256 k字节(kB)嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。
由于LPC2214有较小的144脚封装、极低的功耗，并且具有:多个串行接口，2个16C550 I业标准UART、高速IZC接口(400 kHz)， 2个SPI接口;8路10位A/D转换器，转换时间可低至2.44us;2个32位定时器(带4路捕获和4路比较通道);PWM单元((6路输出):实时时钟和看门狗;112个通用I/O口(可承受5V电压);2个低功耗模式，空闲和掉电;片上集成高速闪存。使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软modern以及其它各种类型的应用。
AHB外设分配了2M字节的地址范围，它位于4G字节ARM存储器空间的最顶端。每个AHB外设都分配了16k字节的地址空间。LPC2214的外设功能(中断控制器除外)都连接到VPB总线。AHB到VPB的桥将VPB总线与AHB总线相连。VPB外设也分配了2M字节的地址范围，从3.5GB地址点开始。每个VPB外设在VPB地址空间内都分配了16k字节地址空间。
片内外设与器件的连接由管脚连接模块控制，该模块必须由软件进行控制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求。
ARM7TDMI-S是通用的32位微处理器，它具有高性能和低功耗的特性。ARM结构是基于精简指令集计算机(RISC)原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。
由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。ARM7TDMI-S处理器使用了一个被称为THUMB的独特结构化策略，它非常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。
LPC2214集成了256K的FLASH存储器系统。该存储器可用作代码和数据的存储。对FLASH存储器的编程可通过几种方法来实现:通过内置的串行JTAG接口，通过在系统编程(ISP)和UARTO，或通过在应用编程。使用在应用编程的应用程序也可以在应用程序运行时对FLASH进行擦除或编程，这样就为数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性。
LPC2214含有16kB的静态RAM，可用作代码和/或数据的存储。SRAM支持8位、16位和32位访问。SRAM控制器包含一个回写缓冲区，它用于防止CPU在连续的写操作时停止运行。回写缓冲区总是保存着软件发送到SRAM的最后一个字数据。该数据只有在软件请求下一次写操作时才写入SRAM(数据只有在软件执行另外一次写操作时被写入SRAM)。如果发生芯片复位，实际的SRAM内容将不会反映最近一次的写请求(即:在一次“热”芯片复位后，SRAM不会反映最后一次写入的内容)。
系统控制模块包括几个系统特性和控制寄存器，系统控制模块包括:晶体振荡器、外部中断输入、PLL，功率控制、复位、VPB分频器和唤醒定时器。
每种类型的功能都有其自身的寄存器，这些寄存器具有众多与特定外设器件无关的功能。无关的功能不共用相同的寄存器地址。
本系统选用深圳耀宇公司生产的图形点阵液晶显示模块YM240128，模块内的控制器为T6963C，显示屏点阵为240×128点，可显示汉字和图形，内置8192个中文汉字(16×16点阵)，128个字符(8×16点阵)和64×256点阵显示RAM。
由于采用了液晶显示技术，其强大的显示功能使得菜单技术的应用成为可能，这样只需要几个较少的按键便可实现复杂的操作。本系统设计有7个按键，它们分别是复位键、上、下、左、右、确定、取消键。复位键直接用于复位两个CPU。
由于按键较少，占用MCU口线资源较少，本系统中直接将键盘电路与MCU相连。
LPC2214有112 个通用 I/O 口（可承受 5V 电压），管脚可以动态配置为输入或输出。寄存器可以同时对任意个输出口进行置位或清零。输出寄存器的值以及管脚的当前状态都可以读出。
除了作为GPIO接口，这112个通用I/O口大部分还有其他功能。当用作GPIO接口时，这些管脚的其他功能不可用。其由PINSEL0寄存器控制选择使用功能。这112 个通用 I/O 口具有单个位的方向控制、输出置位和清零可单独控制等性I/O 在复位后的默认状态都为输入。
本系统使用了15路开关量，其中P0.9、P0.10 、P0.12、P0.14、P0.15、P0.16、P0.17、P0.18、P0.24、P0.25，10个端口被作为输入，其对应输入的开关量信号分别为：残氧量浓度超标K1、流量开关K2、平衡罐进水Kaiyun官方登录入口阀K3、平衡罐出水阀K4、线、出水泵状态K9、泵操作选择开关K10。另有5个端口P0.8、P0.13、P0.19、P0.20、P0.23，作为输出。对应的输出控制信号分别为：混合泵变频器起停信号Q1、线、回流电磁阀开关信号Q3、出水电磁阀开关信号Q4和冷却媒电磁阀开关信号Q5。开关量输入输出接口电路如上图3-1所示。
LPC2214包含一个带8路输入的10 位逐次逼近模-数转换器。测量范围为：0~3V、每秒可执行 400，000 次 10 位采样，具有单路或多路输入的突发转换模式、根据输入脚的跳变或定时器匹配信号执行转换等特性。
A/D 转换器的基本时钟由 VPB 时钟提供。可编程分频器可将时钟调整至逐步逼近转换所需的 4.5MHz（最大）。10 位精度要求的转换需要 11 个A/D转换时钟。
PWM定时器 由于芯片LPC2214没有自带的D/A输出。而本系统需要输出一路模拟信号控制变频器的频率进而控制混合泵，达到控制水流量从而实现啤酒配的功能。在此使用LPC2214自带的PWM通过滤波后输出模拟量实现上述功能。 本系统中，芯片LPC2214的8路A/D口连接的模拟量信号如图3-2所示。
本系统检测的物理量主要有流量、压力、温度、液位、含氧量浓度等。流量传感器检测原酒流量和水流量。温度传感采用温度范围为 —50～+150℃的热电偶检测，处理后加在LPC2214A/D转换器上。缓冲罐压力和平衡罐液位需要用到压力传感器。液位传感器来实时测量平衡罐液位和缓冲罐液位。
由于高浓啤酒配比系统是一个大惯性系统，传统的PID等控制很难得到理想的控制效果。因此本文将采用模糊控制用于高浓啤酒配比系统的设计，实现配比系统的自动控制。
模糊逻辑的理论自1965 年Zadeh 发表模糊集合理论(Fuzzy sets)后，许多学者竞相投入研究工作，并将之应用在各种领域。模糊理论的特色在于使用语句变量(Linguistic variables)代替数学变量，来描述真实世界中普遍存在的模糊现象。例如“非常快”、“稍快”“很慢”等等。这种仿真人类逻辑思惟的模糊逻辑理论，恰可以应用在无法建立数学模型的控制系统，或是利用模糊控制器具有非线性的特性来改善传统控制器线 模糊控制器的组成
模糊控制器是实现模糊控制的载体，它的设计好坏关系到模糊控制的性能。目前，模糊控制器的设计已经有一套完整的方案，主要是解决以下3个方面的问题:第一，精确量的模糊化，把精确值转化为某适当论域上的模糊子集;第二，模糊控制算法的设计，通过一组模糊控制条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系;第三，输出信息的模糊判决，并完成由模糊量到精确量的转化。模糊控制器的基本组成如图4-1所示
高浓啤酒稀释配比系统的控制部分由一个两个输入、一个输出的二维形式模糊控制器组成。用于水流量的控制，模糊控制器的两个输入分别为e和Δe，e=V*2—V2，为水流量的给定值与水流量反馈值的误差，Δe=en-en-1，为误差的变化率。高浓啤酒稀释配比系统模糊控制结构如图4-2所示。
式中：V*2（n）—水流量的给定值（由原酒流量、浓度和希望配制的混合酒浓度计算得到）；
z的论域取为 ｛–6，–5，–4，–3，–2，–1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6｝
e、e和z的隶属函数均取三角形，e和e的隶属函数如图4-3a所示，z的隶属函数如图4—3b所示。
从道理上讲，增加论域中的元素个数，即把等级细分，可提高控制精度，但相应要增大计算量，因此，把等级分得过细，对模糊控制显得必要性不大，所以，e和e的论域取七个元素。
根据对啤酒稀释过程中各个变量之间的数量关系和操作经验制定出了模糊控制规则，得到的模糊控制规则如下表所示。