嵌入式木材干燥監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

田仲富　馬國(guó)勇　黃英來(lái)

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(shè)計(jì)。該監(jiān)控系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心，它將干燥過(guò)程中實(shí)時(shí)采集到的干燥窯內(nèi)溫濕度參數(shù)和預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，并按照一定的干燥基準(zhǔn)，向相關(guān)的執(zhí)行部件發(fā)出控制命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)木材干燥過(guò)程的全自動(dòng)控制。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且干燥效率明顯提高。

關(guān)鍵詞 木材干燥；嵌入式微處理器；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào) S781.71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(lèi)社會(huì)較重要的經(jīng)濟(jì)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(duì)于木材的加工、利用及存儲(chǔ)都有著重要的實(shí)際意義。但是，由于木材自身的各向異性及干燥系統(tǒng)的復(fù)雜環(huán)境特性等因素，致使木材在干燥過(guò)程中容易出現(xiàn)一些如變形、開(kāi)裂及皺塌等缺陷，進(jìn)而使木材的材質(zhì)下降甚至無(wú)法利用。目前，我國(guó)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(jī)控制的全自動(dòng)木材干燥監(jiān)控系統(tǒng)只占實(shí)際應(yīng)用的一小部分。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，在木材干燥過(guò)程中采用PC機(jī)對(duì)其進(jìn)行科學(xué)、合理的控制，是提高木材干燥質(zhì)量和干燥效率的最有效方案。筆者對(duì)木材干燥的原理進(jìn)行認(rèn)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(jī)交互界面，運(yùn)行安全穩(wěn)定，工作效率高等特點(diǎn)[1-2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)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(cè)模塊、控制模塊以及執(zhí)行模塊等部分構(gòu)成。該系統(tǒng)的關(guān)鍵部分即嵌入式微處理器，可按照不同的樹(shù)種和具體的干燥要求，自動(dòng)選取最優(yōu)的干燥基準(zhǔn)。在監(jiān)控過(guò)程中，通過(guò)環(huán)境檢測(cè)模塊來(lái)檢測(cè)干燥窯內(nèi)的濕度、溫度以及木材的含水率、含水率梯度等，信號(hào)經(jīng)多路模擬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給嵌入式微處理器，嵌入式微處理器將其所得的多個(gè)實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)與干燥基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，最后根據(jù)比較結(jié)果對(duì)控制模塊發(fā)出具體指令，由執(zhí)行模塊對(duì)相關(guān)閥門(mén)的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)地監(jiān)控與檢測(cè)干燥窯內(nèi)環(huán)境的動(dòng)態(tài)，在保證木材干燥質(zhì)量的前提下，以低能耗、短周期以及優(yōu)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)完成木材干燥的全過(guò)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(shí)調(diào)出，并可形成工藝曲線的形式，以方便操作人員總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而為今后的干燥工作制定出更好的干燥基準(zhǔn)。

該系統(tǒng)可以在從機(jī)及單機(jī)2種工作模式下進(jìn)行相互切換。當(dāng)其工作在從機(jī)模式下時(shí)，能夠?qū)⑵浍@得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地上傳到監(jiān)控主機(jī)，還可以中斷的方式來(lái)接收監(jiān)控主機(jī)發(fā)來(lái)的參數(shù)設(shè)置或相關(guān)控制等命令。與此同時(shí)，它還完成單機(jī)工作模式下應(yīng)完成的任務(wù)。在單機(jī)工作模式下，其能獨(dú)立完成干燥監(jiān)控的所有任務(wù)。系統(tǒng)能夠在這2種工作模式下進(jìn)行相互切換，極大地增加了其工作的靈活性。

2 參數(shù)檢測(cè)

2.1 干燥窯溫濕度檢測(cè)

因?yàn)槟静母稍锔G內(nèi)的濕度及溫度變化都很大，干燥環(huán)境長(zhǎng)期處在高濕、高溫的狀態(tài)下，但在干燥過(guò)程中能夠準(zhǔn)確檢測(cè)及調(diào)節(jié)溫、濕度是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[4]。所以，在全面考慮了實(shí)際環(huán)境及干燥質(zhì)量需求等因素的情況下，該監(jiān)控系統(tǒng)采用以COMS過(guò)程微加工技術(shù)而制成的數(shù)字溫濕度傳感器HS501進(jìn)行溫度和濕度的檢測(cè)。HS501是一款溫度、濕度復(fù)合的耐腐蝕型傳感器，其能夠提供經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)。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(cè)

目前，木材含水率的檢測(cè)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(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)后，該系統(tǒng)采用電阻法測(cè)量木材的含水率。在檢測(cè)過(guò)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(guān)系進(jìn)行在線測(cè)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(guān)系受樹(shù)種的影響也有較大的差異，因而在木材含水率的測(cè)量過(guò)程中，必須對(duì)溫度和樹(shù)種進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ?/p>

2.3 平衡含水率的檢測(cè)

木材的平衡含水率是干燥介質(zhì)的溫濕度函數(shù)，即用木材平衡含水率來(lái)表示干燥介質(zhì)的狀態(tài)。在木材干燥時(shí)，其含水率梯度是平衡含水率關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)勢(shì)。該文利用電測(cè)法來(lái)檢測(cè)木材的平衡含水率[6-7]。它的檢測(cè)原理同電阻法木材含水率檢測(cè)儀相似，即在2個(gè)具有一定距離的電極之間夾持1個(gè)尺寸固定的紙漿板試片，紙漿板含水量的變化是通過(guò)測(cè)量2電極之間的電阻值來(lái)反映的。最后把含水率的數(shù)值用電信號(hào)的方式傳遞給嵌入式微處理器，微處理器能夠按照此值進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算和控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括：主程序模塊、監(jiān)控模塊、通訊模塊、信號(hào)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(kāi)發(fā)是利用嵌入式Linux C語(yǔ)言編寫(xiě)的，該種語(yǔ)言具有豐富的庫(kù)函數(shù)、編程效率高、占用資源少以及代碼移植性好等特點(diǎn)[8]。

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

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

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

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

控制模塊主要完成控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、顯示、加工處理，人機(jī)信息交換，系統(tǒng)控制過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，數(shù)據(jù)的匯總、存儲(chǔ)，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(yùn)算和不同進(jìn)制數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

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(shì)。

（1）該系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)，充分利用了嵌入式開(kāi)發(fā)板的片上資源，所以其較以往基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)的木材干燥自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、可靠性。

（2）系統(tǒng)的控制模塊采用了自適應(yīng)的PID控制算法，能

夠使整個(gè)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(bào)警模塊，并設(shè)有4種報(bào)警功能，即平衡含水率（EMC）高報(bào)警、平衡含水率低報(bào)警、溫度（T）高報(bào)警、溫度低報(bào)警，從而使系統(tǒng)的安全性得到了增強(qiáng)。

（4）該系統(tǒng)具有較好的人機(jī)交互界面，便于使用人員操作。

（5）系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本也較傳統(tǒng)的木材干燥自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)低很多，有很好的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，該系統(tǒng)能對(duì)干燥窯內(nèi)環(huán)境參數(shù)與含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，干燥過(guò)程安全穩(wěn)定，木材的干燥質(zhì)量和干燥效率得到了明顯的提高，避免了干燥過(guò)程中由于控制不當(dāng)而導(dǎo)致的木材變形、開(kāi)裂及皺塌等缺陷。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝擁群.我國(guó)木材干燥技術(shù)與研究動(dòng)態(tài)[J].干燥技術(shù)與設(shè)備，2009，7（4）：147-152，158.

[2] 李丹陽(yáng).基于CAN總線的木材干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012：1-6.

[3] 常建民.木材干燥全自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（2）：72-75.

[4] 陳海生，洪添勝，吳偉斌，等.溫室溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2005（4）：124-127.

[5] CHEN G C，ZHANG L，HAO N M，et al.Application of neural network PID controller in constant temperature and constant liquid-level system[J].Micro-computer Information，2003， 19（1）：23-24.

[6] 陳國(guó)華.木材干燥遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)的研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2006：6-10.

[7] 韓冰，于非.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：30-36.

[8] LIU Y X，LI S F，SONG Y Q. Application of can-bus in embedded vehicle body control system[C]//Information Engineering， 2009. ICIE'09. WASE International Conference，2009：261-264.