嵌入式木材干燥監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計

田仲富　馬國勇　黃英來

摘要 介紹了一種嵌入式木材干燥監(jiān)控系統(tǒng)的原理與設計。該監(jiān)控系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心，它將干燥過程中實時采集到的干燥窯內溫濕度參數(shù)和預設值進行對比，并按照一定的干燥基準，向相關的執(zhí)行部件發(fā)出控制命令，從而實現(xiàn)對木材干燥過程的全自動控制。通過實際應用證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，且干燥效率明顯提高。

關鍵詞 木材干燥；嵌入式微處理器；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號 S781.71 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）03-00816-02

Abstract The principle and design of an embedded wood drying control system was introduced， the monitoring system based on embedded microprocessor as the core， it will dry kiln temperature and humidity parameters real-time acquisition to the drying process and preset values were compared， and in accordance with the drying schedule certain， control commands were issued to related execute component， so as to realize the automatic control of wood drying process. Through practical application， the system is stable， and the drying efficiency is improved obviously.

Key words Wood drying； Embedded microprocessor； Monitoring system

木材是人類社會較重要的經濟資源。木材干燥可以使木材的各種特性得到良好的體現(xiàn)，另外，對于木材的加工、利用及存儲都有著重要的實際意義。但是，由于木材自身的各向異性及干燥系統(tǒng)的復雜環(huán)境特性等因素，致使木材在干燥過程中容易出現(xiàn)一些如變形、開裂及皺塌等缺陷，進而使木材的材質下降甚至無法利用。目前，我國木材干燥監(jiān)控系統(tǒng)的控制大多為手工或半手工操作模式，利用微機控制的全自動木材干燥監(jiān)控系統(tǒng)只占實際應用的一小部分。隨著計算機技術的普及，在木材干燥過程中采用PC機對其進行科學、合理的控制，是提高木材干燥質量和干燥效率的最有效方案。筆者對木材干燥的原理進行認真研究后，提出了一種嵌入式木材干燥監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有友好的人機交互界面，運行安全穩(wěn)定，工作效率高等特點[1-2]。

1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。主要由嵌入式微控制器、干燥窯、環(huán)境參數(shù)檢測模塊、控制模塊以及執(zhí)行模塊等部分構成。該系統(tǒng)的關鍵部分即嵌入式微處理器，可按照不同的樹種和具體的干燥要求，自動選取最優(yōu)的干燥基準。在監(jiān)控過程中，通過環(huán)境檢測模塊來檢測干燥窯內的濕度、溫度以及木材的含水率、含水率梯度等，信號經多路模擬開關轉發(fā)給嵌入式微處理器，嵌入式微處理器將其所得的多個實時信號進行處理，同時與干燥基準進行對比，最后根據(jù)比較結果對控制模塊發(fā)出具體指令，由執(zhí)行模塊對相關閥門的開/關狀態(tài)進行調節(jié)，實時地監(jiān)控與檢測干燥窯內環(huán)境的動態(tài)，在保證木材干燥質量的前提下，以低能耗、短周期以及優(yōu)質量的標準完成木材干燥的全過程[3]。另外，嵌入式微處理器所獲得的干燥工藝參數(shù)可隨時調出，并可形成工藝曲線的形式，以方便操作人員總結經驗，從而為今后的干燥工作制定出更好的干燥基準。

該系統(tǒng)可以在從機及單機2種工作模式下進行相互切換。當其工作在從機模式下時，能夠將其獲得的數(shù)據(jù)實時地上傳到監(jiān)控主機，還可以中斷的方式來接收監(jiān)控主機發(fā)來的參數(shù)設置或相關控制等命令。與此同時，它還完成單機工作模式下應完成的任務。在單機工作模式下，其能獨立完成干燥監(jiān)控的所有任務。系統(tǒng)能夠在這2種工作模式下進行相互切換，極大地增加了其工作的靈活性。

2 參數(shù)檢測

2.1 干燥窯溫濕度檢測

因為木材干燥窯內的濕度及溫度變化都很大，干燥環(huán)境長期處在高濕、高溫的狀態(tài)下，但在干燥過程中能夠準確檢測及調節(jié)溫、濕度是關鍵的環(huán)節(jié)[4]。所以，在全面考慮了實際環(huán)境及干燥質量需求等因素的情況下，該監(jiān)控系統(tǒng)采用以COMS過程微加工技術而制成的數(shù)字溫濕度傳感器HS501進行溫度和濕度的檢測。HS501是一款溫度、濕度復合的耐腐蝕型傳感器，其能夠提供經過校準的數(shù)字信號。使用該傳感器能夠充分地保障該監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性等方面。

2.2 含水率的檢測

目前，木材含水率的檢測方法主要有：電容法、微波法、稱重法以及電阻法等4種。在綜合考慮了各種檢測法的優(yōu)缺點后，該系統(tǒng)采用電阻法測量木材的含水率。在檢測過程中只需在木材中釘入探針即可，可充分利用木材的含水率和其電阻率之間的線性關系進行在線測量，可直接讀出含水率數(shù)值[5]。但是，值得注意的是木材的電阻率受溫度的影響較大，而且木材的含水率和電阻率之間的關系受樹種的影響也有較大的差異，因而在木材含水率的測量過程中，必須對溫度和樹種進行適當?shù)男Ｕ?/p>

2.3 平衡含水率的檢測

木材的平衡含水率是干燥介質的溫濕度函數(shù)，即用木材平衡含水率來表示干燥介質的狀態(tài)。在木材干燥時，其含水率梯度是平衡含水率關鍵的驅動勢。該文利用電測法來檢測木材的平衡含水率[6-7]。它的檢測原理同電阻法木材含水率檢測儀相似，即在2個具有一定距離的電極之間夾持1個尺寸固定的紙漿板試片，紙漿板含水量的變化是通過測量2電極之間的電阻值來反映的。最后把含水率的數(shù)值用電信號的方式傳遞給嵌入式微處理器，微處理器能夠按照此值進行后續(xù)的計算和控制。

3 系統(tǒng)軟件設計

該監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設計思想進行設計，主要包括：主程序模塊、監(jiān)控模塊、通訊模塊、信號處理模塊、控制模塊以及通用子程序等模塊組成。系統(tǒng)軟件的開發(fā)是利用嵌入式Linux C語言編寫的，該種語言具有豐富的庫函數(shù)、編程效率高、占用資源少以及代碼移植性好等特點[8]。

主程序模塊主要實現(xiàn)硬件及內存的初始化，中斷資源的分配及中斷服務程序的調度等功能，其流程如圖2所示。

監(jiān)控模塊完成相關參數(shù)的采集、顯示及控制監(jiān)控主機操作等功能。主要包括采集子程序、顯示子程序、中斷服務子程序、系統(tǒng)時鐘子程序以及采集定時子程序。

通訊模塊主要完成監(jiān)控現(xiàn)場微處理器與監(jiān)控主機以及與木材干燥窯的通訊功能。

信號處理模塊完成把輸入/輸出嵌入式微處理器的信號量進行相應的濾波、線性化處理以及數(shù)模轉換等工作。其主要由查表子程序、濾波子程序、數(shù)模轉換子程序以及含水率、平衡含水率計算等子程序構成。

控制模塊主要完成控制實時數(shù)據(jù)的采集、顯示、加工處理，人機信息交換，系統(tǒng)控制過程的實時監(jiān)控，數(shù)據(jù)的匯總、存儲，工作圖形曲線的繪制，數(shù)據(jù)管理和分析等功能。

通用子程序主要完成基本的算數(shù)運算和不同進制數(shù)據(jù)之間的轉換等功能。

4 結語

該嵌入式木材干燥監(jiān)控系統(tǒng)較其他現(xiàn)有的木材干燥監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢。

（1）該系統(tǒng)采用嵌入式技術開發(fā)，充分利用了嵌入式開發(fā)板的片上資源，所以其較以往基于單片機開發(fā)的木材干燥自動監(jiān)控系統(tǒng)具有較強的實時性、可靠性。

（2）系統(tǒng)的控制模塊采用了自適應的PID控制算法，能

夠使整個系統(tǒng)的控制精度得到較大程度的提高。

（3）在系統(tǒng)中增加了報警模塊，并設有4種報警功能，即平衡含水率（EMC）高報警、平衡含水率低報警、溫度（T）高報警、溫度低報警，從而使系統(tǒng)的安全性得到了增強。

（4）該系統(tǒng)具有較好的人機交互界面，便于使用人員操作。

（5）系統(tǒng)的開發(fā)成本也較傳統(tǒng)的木材干燥自動監(jiān)控系統(tǒng)低很多，有很好的價格競爭優(yōu)勢。

通過該系統(tǒng)的實際運行情況來看，該系統(tǒng)能對干燥窯內環(huán)境參數(shù)與含水率進行實時監(jiān)測和控制，干燥過程安全穩(wěn)定，木材的干燥質量和干燥效率得到了明顯的提高，避免了干燥過程中由于控制不當而導致的木材變形、開裂及皺塌等缺陷。

參考文獻

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