论文：智能化木材干燥窑温湿度自动测控系统的研制

智能化木材干燥窑自动测控系统的研制摘要目前我国木材干燥技术虽然有一定的发展,但自动化程度较低,制约了木材全自动化发展的形状通过深入地分析木材干燥工艺和测控系统在木材干燥方面的应用,把智能化自动化检测技术引入木材干燥窑的设计中,开发了木材干燥窑自动化检测系统本论文中研究了如何选择温度，湿度传感器，如何测量木材含水率，平衡含水率及温度，分析了传统木材干燥手段的误差分析，解决了木材含水率在595之间变化时对应的等效电阻变化范围太大（几百G欧到几K欧）的难题；运用了AT89C55单片机进行控制，完成了智能化的要求；考虑到实际应用的需要，利用了自校正，自校零，自校准，自补偿，自诊断，噪音抑制等先进的技术，保证系统的稳定和测量结果的正确性，所有这一切都体现了智能化检测和控制技术发展的必然趋势。而在软件方面，则采用了MCS51汇编语言，该语言虽然编程较复杂，但格式简单明了，而且规范化程度高，并且直接利用低级语言，执行速度快，能够更深刻地了解内部运行情况，是不错的选择。关键词木材干燥，智能化，智能化检测，MCS51语言。第一章概论11木材干燥的意义木材是一种国民经济不可或缺的资源，但其利用率确实非常低，而且由于使用不当，可能对长久的使用不利。就如可能因为湿木材没有及时干燥，而导致将来可能变形，抗震性变差等不利因素。而且木材干燥后，使木材的优异特征得到充分体现，对将来的再处理，如加工，使用，运输和保存都有重大的意义，是木材加工过程不可或缺的必然工序，是保证木材质量的关键技术，是高效利用木材的重要技术。12木材干燥技术的现状和发展趋势建国以来,经过我国从事木材干燥教学、科研、生产方面的学者、工程技术人员的努力,通过引进、消化、吸收和自行研制等各种技术手段,使我国木材干燥技术和干燥设备得到了迅猛发展,木材干燥设备的生产实现了专业化。一些国产干燥设备在技术和质量上已接近国际同类产品水平,可以替代国外木材干燥设备,而其价格则低于国外价格50左右。121我国目前木材干燥的重要方法1211常规蒸汽干燥常规蒸汽干燥是我国目前使用最多的一种干燥方法。其主要优点是工艺成熟,干燥容量大,干燥周期短,但它的主要缺点是热损失大,能源利用率低,多数低于30。目前,我国木材干燥约80采用常规蒸汽干燥窑干燥,装载量30100M3。五六十年代建造的长轴式和短轴式干燥窑大多采用铸铁风机,笨重而且消耗功率大。近十几年来,研制开发了新型侧风机木材干燥窑、端风机木材干燥窑和顶风机木材干燥窑。经过对三种窑的实测分析,顶风机的气流均匀性比端风机好,端风机比侧风机好。耐高温、高湿防腐电机的使用,使得电机可以在窑内直联风机,提高了传动效率和干燥窑的密闭性,窑内直联电机省去了顶风机窑安装长轴的麻烦和侧向操作间,使它处于更为可取的地位。顶风机窑有轨道式进料和叉车进料方式,叉车进料灵活方便,受到欢迎。蒸汽干燥窑的壳体有砖砌体、金属壳体和砖砌铝内壁壳体。有的厂家已发展了采用不锈钢为原料的室内结构件。1212炉气热风干燥炉气热风干燥是以木废料为能源,以燃烧木材废料来提供干燥热能的木材干燥方法。它不需要蒸汽供热锅炉,因而投资少。我国木材加工的现状是企业规模小、分布散,木材废料的集中和运输比较困难。因此利用木材废料作为热源的炉气热风干燥在全国木材加工企业中应用广泛,并在今后相当长的时间内将有一定的市场,对缺少蒸汽的中小型木制品厂和处于林区腹地的小型木材深加工企业尤为适用。有关专家学者对燃烧木废料提供热能的木材干燥窑做了很多研究和改进,研制出设于窑外的高效燃烧炉,增加温湿度控制装置,采用端风机窑型和连续升温干燥基准等。国内比较典型的炉气热风干燥窑有旋风燃烧法炉气直接加热木材干燥窑顾炼百,1985年炉气间接加热木材干燥窑顾炼百,1990年双热源炉气间接加热木材干燥窑列管式烟气空气换热热风木材干燥窑木废料为燃料的热水、导热油木材干燥窑。1213除湿干燥除湿干燥是近十几年发展起来的一种新型干燥技术。在木材干燥行业中,我国从1980年引进除湿干燥机,1985年开始研制生产,现专门生产除湿干燥机的厂家有8家,产品有单热源和双热源式。双热源热泵除湿干燥机比普通单热源除湿干燥机增加了热泵供热系统,在价格上相对较高。目前我国除湿干燥机在木材干燥生产中应用尚未普及,且大多为普通单热源除湿干燥机。木材除湿干燥与传统的蒸汽干燥方法相比,具有它特殊的干燥特点。它不像蒸汽干燥那样,可以很快将温度升高到5060,而是一个逐渐升温的过程,因此干燥时间相对较长,干燥过程比较平稳,干燥质量较好,木材不易发生变形、弯曲等干燥缺陷。同时,由于除湿干燥是以回收循环的湿空气在脱湿过程中所放出的热量和吸收环境空气的热量作为干燥热源的,而不是锅炉,故对环境无污染。为了提高干燥速度,或在木材干燥的某些阶段,除湿系统提供的热量小于木材加热、水分蒸发、系统散热损失等能量的总和时,需给除湿干燥设备增加一个辅助热源。辅助热源形式有电加热、木废料、废汽热源及太阳能等。1214太阳能干燥太阳能是一种清洁、廉价的可再生能源。利用太阳能干燥木材的研究和推广在国内已开展多年,但目前应用的规模还很小。据不完全统计,我国用于木材干燥的太阳能集热器其采光面积不足2000M2,主要分布在广东、海南、云南、江西山东、安徽及北京等地,总计年干燥能力约5000M3,只占全国年干燥能力的2左右。影响太阳能推广应用的主要原因是太阳能的能流密度低,受气候、季节影响较大,同时低成本的有效贮能问题尚未解决。因此,若将太阳能作为干燥木材的单一热源,将影响干燥的速度和生产力,常需要与蒸汽或烟气热源配合使用,这样会造成环境污染。太阳能与除湿机相结合是一种比较理想的联合干燥方式,先后在广州、北京、福建、江西及广西等地建成了类似的干燥室。北京林业大学于1990、1995年先后研制成功了TRCW中温型和GRCT高温型太阳能与热泵除湿机的联合干燥系统。1215真空干燥木材真空干燥的特点是干燥温度较低,质量较好,木材不易发生变形。真空干燥有利于木材内部水分向外移动,对于难干材可提高干燥速度。但真空干燥对干燥室的密封性能要求高,而且对于大容积的干燥室来说需要抽真空时间较长。多年来,我国在木材真空干燥方面做了许多研究与尝试。对热水加热真空干燥、电热或蒸汽加热真空干燥、接触式真空干燥和高频真空干燥设备和工艺都做过有益的研究和探讨,结果认为真空干燥适合小批量硬阔叶材的干燥。1216远红外干燥和微波干燥我国对远红外干燥和微波干燥木材也做了研究与尝试。由于远红外线以辐射的方式进行加热,对于成堆的木材,远红外线只能辐射到材堆外围靠近辐射源的部分木材,先由木材表层吸收变成热能,然后热量以导热的方式传入木材芯部。同时,由材堆外围以空气对流的方式传入材堆内部。这两种热量传递方式都很慢,易造成窑内温差大、干燥材终含水率严重不均、板材表面硬化严重而且远红外辐射器耗电大,离辐射器近的木材温度高,易烤焦、着火。因此,第二次、第三次全国木材干燥学术讨论会会议纪要上都明确否定了远红外干燥木材的可行性。许多厂家的实践证明,用远红外干燥成材是行不通的。而微波干燥在成材干燥方面还看不到工业上的应用前景。另外,像锯末闷烟干燥窑即土窑,在少数林区少量干燥木材中仍有使用。122我国木材干燥技术的发展方向由于规模化、专业化自身的优点,我国木材干燥生产也将逐渐朝这方面发展,干燥技术的发展主题将是自动化程度高、过程控制精确、生产效率高、成本低、节能、对环境无污染、干燥质量好。具体来讲有如下几个方面1221提高蒸汽干燥的能源利用率即热效率根据发达国家木材干燥模式以及我国国情,在今后很长时间内,蒸汽干燥木材仍将占我国木材干燥的主导地位。原因是其干燥技术工艺成熟,干燥过程便于实现自动控制。如何提高蒸汽干燥的热效率有待进行多角度多方面的研究。1222计算机技术在木材干燥技术中的应用目前,国内木材干燥的控制大部分为手工、半手工操作方式,采用计算机控制的木材干燥设备占有极少部分。随着计算机应用技术的不断普及,用计算机控制生产过程已越来越引起重视。微机不论在性能上还是价格上均能取代常规工业自动化仪表,而且对木材干燥这一特殊过程采用微机控制要比常规仪表更方便、准确。将计算机技术应用于木材干燥过程在国内干燥技术研究中已有开展。将被干燥的物料分割为有限多个小单元,认为热风掠过单一物料单元时的干湿球温度不变,计算吸湿过程,取消了常规热风干燥计算所需假设排气温度的假设值。利用热风干燥有限元计算机模拟过程,获得了精确的干燥时间、物料终了含水率、排气温度、湿度和水分蒸发量。也可以确定干燥过程中任一时刻的干燥情况和有关技术参数。这一计算机应木材干燥技术有着非常重大的意义,这方面用方法很值得在木材干燥中借鉴和应用。的干燥技术研究、应用推广有待进一步加强。随着科学技术的不断发展和新材料新技1223加强对节能型和环保型木材干燥技术的开发利用干燥设备的防腐性能、保温性能,延长设备的使用寿命，设备故障率，能源和环境保护是当今社会普遍关注的重大问题。我国的煤、石油和天燃气这些能源污染大,要加强对无污染可再生能源的开发利用,如太阳能、风能、地热、生物能等。木材干燥是木制品加工过程中能耗最大的，故需要加强对节能型和环保型木材干燥技术的开发利用。13智能化检测与控制技术的发展趋势当今时代是信息化时代，各个领域常以信息的获取与利用为中心。在现代工业生产，仪表高度自动化和信息现代化的过程中，已大量涌现出以计算机为核心的信息处理与过程控制相结合的使用系统。伴随着这种系统的发展，一些先进技术，如信息传感技术，数据处理技术及计算机控制技术正在飞速发展并不断变革。综合其发展概况，主要有以下几个发展趋势。一综合化电子测量仪器，自动化仪表，自动化检测系统，数据采集和控制系统在过去是分属于各学科领域，并各自独自发展。由于生产自动化的需要，使它们在发展中相互靠近，功能相互覆盖，差异缩小，体现为一种“信息流”综合管理与控制系统（信息流可以是物理参数的过程信息流，也可以是自动化参数的信息流）。其综合目的是为了提高人们对生产过程全面的监视，控制和管理等多方面的能力。同时，对检测与控制技术本身提出了高技术要求，如高灵敏度，高精度，高分辨率，高稳定性及高自动化等，这些要求提高系统的综合与设计能力，综合利用内在规律，使系统向功能更强和更高的方向发展。二智能化现代检测与控制系统，或多或少地趋向于智能化这个特点。所谓智能，是指随外界条件的变化，具有确定正确行动的能力，也即具有人的思维能力及推理并作出决策的能力。而智能化仪表或系统，可以在个别部件上，也可以是局部或整体系统上，使之具有智能特征。例如智能化检测仪表，它能在被侧参数变化时，自动选择测量方案，进行自校正，自补偿，自检测，自诊断，还能进行远程设定等，以获得最佳测试系统。为了更有效地利用被测量，在检测时往往需要附加一些分析与控制功能，如采用实时最优控制，自适应控制等功能。有的系统则直接利用人工智能，专家系统技术设计智能控制器。它是通过对误差及其变化率的检测，判断被测量的现状和变化趋势，根据专家系统中知识库，决策控制模式和控制策略，进而取得优良的控制性能，解决常规控制中不易实现的问题。三系统化及标准化现代检测与控制任务，更多地涉及到系统的特征。所谓系统是指若干个相互间具有内在关联的要素构成一个整体，有它来完成规定的功能，以达到某一特定目标。因而在系统内部，需要设立多台计算机，这些计算机往往不是互不相干，而是要构成相互联系的整体。这就形成了各种多计算机系统。即使是利用单台计算机进行集中控制，也要通过标准总线和各个部件发生联络。在向系统化发展的同时，还涉及系统部件接口的标准化，系统化与模块化，以便达成通用整体。四仪器虚拟化虚拟仪器VIVIRTUALINSTRUMENT是随着计算机技术和现代检测技术的发展而产生的一种新型高科技产品，代表着当今仪器发展的新方向。虚拟仪器的概念由美国国家仪器NINATIONALINSTRUNENTS公司首先提出，它是对传统仪器的重大突破。VI是利用现有的PC计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成即有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型计算机仪器系统。VI的重要工作是把传统仪器的控制面板移植到普通计算机上，利用计算机的资源，实现相关的测控需要。由于VI技术个用户提供了一个充分发挥自己才能和想象力的空间，用户可以根据自己的需要来设计自己的仪器系统，从而满足了多种多样的应用要求，具有极好的性能价格比，它可广泛的应用于实验，科研，生产，军工等的检测和控制。五网络化智能检测和控制，可以是一台计算机作为核心机，也可以由多台计算机来实现。尤其在计算机网络技术迅速发展和普及的今天，将一个智能检测和控制系统接入计算机网络，无疑会进一步增强其功能和活力。因此，网络化也是智能检测与控制技术的一个重要发展方向。14本论文的目的意义与技术经济价值干燥过程参数检测的准确性，直接影响到木材干燥质量的好坏、干燥成本的高低、以及干燥周期的长短。为了减轻木材干燥过程中操作工劳动的强度，减少操作工人为的误操作，提高木材的干燥质量，基于智能化自动测试系统的相关技术，采用先进的测试手段，设计高精度、低成本、实时性强、稳定可靠的智能化木材干燥自动测试系统是实现木材干燥窑自动控制系统的前提条件，也是木材干燥自动控制实施的关键技术难题之一。本论文介绍了一种基于AT89C55双CPU的集温度、平衡含水率、木材含水率检测为一体的智能化木材干燥窑自动检测系统，能够高精度、实时巡测窑内温度、平衡含水率、木材含水率等干燥过程基本参数，准确提供干燥状态信息，实现测试系统智能化。系统具有信号传输距离远，检测精度高，可靠性好，智能化程度高，成本低的特点。本文详细阐述了如何比较选取温度、平衡含水率、木材含水率传感器；从而达到提到自动测试系统的精度，消除外界环境的影响，改善传感器的线性度，使整个系统更加具有智能化的特点。本论文研究的木材干燥系统所采用的木材干燥设备所才才采用的木材干燥设备是周期式气体强制循环干燥窑，窑内空气的温度、湿度、气流经过木材表面的速度以及木材本身的种类、含水率等，对干燥过程都有影响。但是，综合分析各种影响木材干燥的因素可知对木材干燥过程起决定作用的主要物理参数是干燥窑内的温度、平衡含水率、木材含水率。对上述参数的快速、准确、自动检测的重要意义在于1温度、平衡含水率、木材含水率是木材干燥测控系统的状态变量，干燥测控系统的管理机及控制依据这三个参数的实时数据，对木材的干燥状况做出判据。2温度和平衡含水率还是干燥系统的控制变量，由管理机和控制机根据干燥工艺和控制算法对木材含水率这一被控变量实施控制。3被干木材的含水率和平衡含水率参数需要窑内实时温度实现温度补偿。4木材含水率值达到干燥工艺要求是木材干燥的最终目的，是提高干燥质量、缩短干燥周期，从而给企业带来可观经济效益的关键。5只有实现了对上述参数自动检测，构成智能化自动测试系统，这是实现干燥过程全自动控制必不可少的重要组成部分。本课题的经济价值在于目前，我国每年需要的锯材干燥量为2600立方米，干燥的单板、集成材、细木板用料量约500万立方米，而我国现有干燥能力不足需求量的1/6；我国现有大多数干燥窑都是依赖操作人员按照经验人工控制，少数国产采用半自动或自动控制，其数据采集系统多为国外进口，价格昂贵或难以和国产设备配备使用。我国现在干燥设备十几万台（套），国产设备市场占有率为85以上；估计每年能销售出的干燥设备400多台（套），若按体积为100立方米木材干燥窑为一个计算单位，全国每年改造的旧木材干燥窑控制系统为其总数的2，则每年大约需要新型干燥系统600台。因此，基于国内市场急需自动化程度高的木材干燥设备新产品的实际情况，消化、设计出性能优良、价格低廉、节能显著，达到或超过世界先进水平的新型干燥窑自动检测系统，开发木材干燥设备新型换代产品，提高木材干燥质量，降低木材资源消耗，节约能源，保护环境，具有十分重要的意义，既可为我们的企业创造可观的经济效益，又为社会带来巨大的社会效益。第二章系统硬件设计木材干燥窑自动检测系统的设计，是由单片机为主控机器的自动控制系统，包括信号检测与放大电路；A/D转换器接口电路；键盘接口电路；显示器接口电路；保护电路等部分，下面将分块将本系统的具体硬件实施方案介绍。21概论在现代工业生产过程控制中，往往需要对系统的工作状态参数和需要解决方案进行实时检测，对测量结果进行鉴别和处理，并以次为依据，通过相应的控制算法，求得满意的控制结果，以保证系统稳定、可靠、安全、高效能地运行。因此，对系统工作状态的检测是自动控制系统中的基本环节，也是实用中经常遇到的问题。在本系统中，利用单片机作为主控制器，将检测到的模拟信号经过模/数转换输入到单片机中，由单片机去驱动后续接口电路，如声光报警电路，键盘电路，显示器电路等。本系统主要由检测电路部分和外围接口部分。检测电路部分由PT100铂电阻温度测量电路和木材含水率、木材平衡含水率测量电路。通过模拟开关选择信号送入A/D转换部分得到数字信号接入单片机供处理。单片机采用ATMEL公司推出的带有20K字节可擦除、可编程只读存储器的低功耗、高性能CMOS微处理器AT89C55。外围接口电路部分该自动检测系统以AT89C55双CPU为主控器，通过自校准电路对测量结果进行实时动态补偿，采样数据处理后，可以由报警电路进行监测，防止干燥室温度、湿度太高或太低，如果出现这种情况则报警；还可以交给并行通信的副CPU，由副CPU完成显示、温度补偿等功能。下图是该系统的硬件原理图智能化木材干燥窑自动检测系统硬件原理图22检测电路设计221温度检测电路的设计木材干燥窑内温度是影响木材内水分移动的最主要因素。在湿度恒定时，木材内水分的流动系数随空气温度升高而增大；水分在木材内部是从温度高处向温度低出移动，温度越高，空气吸湿能力越强。水分蒸发越快。此外，采用电阻法测木材含水率和平衡含水率时还需要对被测点木材含水率和窑内平衡含水率进行温度补偿。所以，木材干燥自动检测系统中窑内温度的准确测量是设计的关键之一。为了准确测量木材干燥窑内的温度，合适的温度传感器的选择是必要的，然后就是设计检测电路、接口电路和测量方法。2211温度传感器的选择温度传感器是一种比较常用的传感器，因此种类比较多。对于不同的工业现场，每种传感器又有不同的测量原理、适用范围、检测精度、使用对象等。比较常用的是以下几种温度传感器，通过比较选择出适合该系统的测量温度的传感器。1、热电偶温度传感器，热电偶温度传感器测温范围为3003000。制成热电偶的热电势应比较大，要求材料的热电性能稳定，电阻系数小，导电率高，热电效应强，复制性好。它有测量精度高，稳定性好，抗氧化性能好等优点，可在1300以下长期使用。热电偶主要用于接触式方法测量或可使传感器较接近被测对象。它的缺点是线性性能不好，冷端需要温度补偿。2、热辐射高温传感器，这类传感器是利用测量高温物体的热辐射而获取其温度值，只能用非接触方式测量，适用于被测对象为运动的高温物体。3、PN结型温度传感器，它的工作原理是当一个恒定电流通过该PN结时，所产生的电压降与温度成比例关系。这类器件的优点是在55150范围内有良好的特性，体积小、响应时间快、价格低。但它的缺点是一致性差、不易做到互换，而且PN结在高温、高湿的环境中易受外界、辐射的影响，稳定性难以保证,失调电压较大。此外，测试系统比较复杂，并且不适合远距离测量。4、热敏电阻温度传感器，作为测温用的是负温度系数热敏电阻（NTC），是由半导体元件制成的，它的阻值随温度变化成非线性急剧变化。其主要优点是灵敏度高，每摄氏度能变化4的阻值，比一般金属电阻大10100倍，体积小，结构简单，可测点温度，电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。缺点是一致性差，温区范围较窄，不宜在高温下使用，可用于温度变化在50350范围内使用，一般用来测量温度变化小的物体，精度要求不高，在空调机、冰箱及一般家电中使用，可选用热敏电阻作为温度传感器。5、铂电阻温度传感器，铂电阻传感器由铂电阻及外加封装护套构成。铂电阻体是用直径为002MM007MM的铂丝，按一定规律饶在云母、石英或陶瓷支架上而制成的。铂丝绕组的端头与银线焊接，并套以瓷管加以绝缘保护。铂电阻是目前公认的制造热电阻的最好材料，具有正的温度系数，阻值随温度变化按近似线性关系缓慢变化。而且与热电偶相比，没有参比端误差问题，一般用于200650温度的测量。该传感器的最大优势是可以在远距离的测量中使用。它测量范围宽、线性度好、转换精度高（0385/）、互换性强、稳定性好、抗机械碰撞以及能耐腐蚀。当温度T为2000时，RTRO1ATBTCT100T3当温度T为0650时，RTRO1ATBT式中，A常数（A39684710（3）/）；B常数（B584710（7）/）；C常数（C4221012/）RT温度为T时的电阻值；RO温度为0时的电阻值。铂电阻在0时的电阻可分为两种100和10，其中优选值为100，0时电阻值10的铂电阻传感器一般用于600以上温度的测量。干燥窑的被测温度范围在40200之间，而且要求测温的精度较高时，宜选用铂电阻（PT100）作为温度传感器，并配备较精确的测量放大电路，经过校正后铂热电阻精度高而且互换性好。2212传统测温方法的误差分析由于PT100铂热电阻的电阻值随温度变化成缓慢地线性变化，故目前多被测温系统作为传感元件，直接置于所测温度场内，与以单片机为主控器的测控系统相分离。但由于PT100铂热电阻的阻值随温度变化较小（0385/），而连接铂电阻的引线及连接导线置于被测温度环境，温度波动大，阻值随温度变化难以估计和修正，所以对整个测温电路所造成的误差不容忽视。在常用的测量系统中，一般有单线制，二线制，三线制和四线制。单线制和二线制由于比较简单，引线测量误差太大，已经很少在用于实际测量系统中，目前最常用的是三线制接法（如图21），虽然温度误差得到一定的补偿，但影响依然存在，分析如下其中，R1、R2、R3桥臂电阻为固定值；R1、R2、R3分别为引线电阻，E为供桥电源，则不平衡电桥的输出电压UO为经公式推导知当桥臂电阻和引线电阻需匹配成如下关系R1R2R3R,R1R2R3R时非线性误差最小，则（22）式得从（33）式可以看出，导线电阻R仍然对输出产生影响，若在不考虑导线电阻的情况下，不平衡电桥理想输出电压为此时的非线性误差为对于PT100铂热电阻，0时热电阻RT0100，桥臂电阻R1100,若引线电阻R取5，代入式（25），5；若长导线R取10，则非线性误差可达10，测量精度大大降低。另外，由公式（23）可以看出，输出电压U0还受到供桥电压的直接影响，若电压波动，也会直接影响测量精度。2213温度检测电路设计如2212中分析的传统的三线制测温方式中的导线误差对测温精度的影响，该系统采用恒流源供电的四线制测温方式。四线制的接线方式如图22所示，R1,R4是引入恒流源I导线上的电阻，由于恒流源电路中电流的稳定性，R1,R4阻值的变化不会引起恒流I的变化。R2,R3是引入放大电路的导线电阻，因选用的放大器LF324是高速双结型场效应晶体管输入运算放大器，具有很小的输入偏置电流和输入失调电流。该器件可用于高速积分器、快速D/A转换器和采样/保持电路。而且LF324具有温度补偿的输入偏置电流，不需外接频率补偿，不需两个电源，与数字集成电路兼容，输入阻抗在以上，所以R2,R3引线的电阻对测量精度的影响完全可以忽略。四线制接线方式的另一特点是R1,R2,R3,R4引线阻值不需要相互间的匹配，有效地提高了测量精度。R9R16R12R6R14R7R11R8R13R1532184U25ALF35332184U26ALF353C4C2GNDGNDGNDC3R10PT100RTGNDIUREFUTLF353456U27AU4RFRIUIR13R15UIRTIU1RFRIUIR10R12UI25RTIUTU1R7UREFR8UI50RTI2UREF262728CD4052RTR1R2R3R4图22四线制测温接线方式图23恒流源电路原理图恒流源电路是由放大器与三极管构成，如图23所示，该电路的输入电压UREF19V，输出电流I1MA。图24温度检测电路与四线制相匹配的放大电路如图24，电路的工作原理为式中UREF19V。当温度范围在40200时，对应电阻变化范围是76176，代入公式得输入电压的范围为0V5V，PT100铂电阻随温度变化的电压值与放大电路的输出端UT之间的对应关系为2083MV/。2214温度检测模入通道的设计模拟开关组选用MC54HC4051依次接入两路温度信号。MC74HC4051是MOTOROLA公司生产的高速CMOS八通道差动模拟多路电子开关。CMOS模拟电子开关的特点是其通道电阻基本不随输入电压变化而变化。由于模拟电子开关在接通时，有一定的导通电阻，会对信号的传递精度带来较大的影响。所以，在设计中，采用LF353高输入放大器，LF353是高速双结型场效应管输入运算放大器，具有很小的输入偏置电流和输入失调电流，增益带宽宽，转换速度高，输入阻抗高。LF353可用于高速积分器，快速D/A转换器和采样/保持电路。在该系统中使用它可以消除导通电阻的影响，同时还有消除通道差异的作用。74HC4051的选通真值表如图（25），外引脚如图（26）所示。图2574HC4051的选通真值表图2674HC4051的外引脚图温度模入通道与主控器的接口如图（27）所示。AT89C55的P12,P13,P14控制74HC4051的地址选通端，P15控制74HC4051的使能端INH,INH低电平有效。222含水率检测电路的设计含水率检测电路的设计包括木材含水率和平衡含水率两参数检测电路的设计，木材含水率和平衡含水率即干燥窑内干燥介质（湿热空气）的湿度。湿度是表示大气干湿程度的物理量，有绝对湿度、相对湿度、露点等多种表示方式。绝对湿度是单位体积空气中所含水蒸气的质量，一般用一立方米空气中所含水INTCBA接通通道LLLLX0LLLHX1LLHLX2LLHHX3LHLLX4LHLHX5LHHLX6LHHHX7HNONE图2574HC4051的选通真值表X013X114X215X312X41X55X62X74INH6A11B10C9X3U8MC74HC4051X013X114X215X312X41X55X62X74INH6A11B10C9X3U7MC74HC4051X013X114X215X312X41X55X62X74INH6A11B10C9X3U6MC74HC405112345678J3CON812345678J4CON812345678J5CON8EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1AT89C55蒸气的克数来表示。相对湿度为空气中实际所含水蒸气的密度与同温度下饱和水蒸气密度的百分比，它是一个无量的数。空气在一定温度时只能吸引一定量的水汽，空气中的水蒸气达到饱和状态时的温度，叫做露点温度。图27温度模入通道与主控器的接口电路2221平衡含水率传感器的比较选取当干燥窑内温度恒定时，空气温度越高，空气中的水蒸汽分压越大，木材表面的水蒸汽越不易向空气中蒸发，干燥速度越小；相反，降低湿度，则空气内的水蒸汽分压越小，促进木材表面的水蒸汽向空气中扩散，干燥速度随之加大。测量空气湿度的传感器主要有毛发湿度计法、干湿球湿度计法、电阻式高分子薄膜传感器、电容式湿度传感器、陶瓷湿度传感器、露点计法、微波湿敏传感器等。不同的检测方法需要选用不同性能的湿敏传感器，当前广泛使用的湿敏传感器是水分子亲合力型湿敏传感器。水分子有较大的偶极矩，故其易于吸附在物体表面并渗入物体内部（这种特性称水分子亲合力），从而使物体的电气物理性能发生变化，利用这种变化可构成多种水分子亲合力型湿敏传感器。但是水分子亲合力湿敏传感器响应速度慢，且可靠性差。因此，人们又研制出与水分子亲合力无关的非水分子亲合力湿敏传感器。常见的就是热敏电阻式传感器、红外吸收式湿敏传感器、微波衰减式湿敏传感器等。毛发湿度计，这是一种利用毛发肠衣等物在受潮后伸长的原理制作的湿度计，这种湿度计是最原始的湿度计之一，低湿（90RH）的测量精度较低。高分子薄膜湿度传感器，它的工作原理是利用氯化锂是吸湿性很强的离子型物质。当空气中相对湿度较大时，则氯化锂吸湿多，薄膜的电阻率降低，通过对电阻值的测量，就可知空气中的相对湿度。氯化锂湿敏元件具有测量精度高而且稳定的特点。可是它有一个致命缺点，那就是氯化锂易溶于水，处于高湿、结露的环境氯化锂便流失损耗，故不耐高温。因为干燥过程中，为防止木材干裂，有喷水过程，所以无法选用该传感器。电容式湿度传感器的主要优点是量程宽（0100RH），耐高温，不怕污染。但它也有个缺点，就是不耐老化。因此需要每年校准一次，否则使用数年便会失效。故使用的性能差异大，稳定性还有待改进，且成本价格高。故在本系统中不选用它。陶瓷湿度传感器，为了克服不耐高温的缺点而发展起来的一种湿度传感器。可是它也存在一个缺点由于表面的吸附效应，小孔易于吸附尘埃而被堵塞，而堵塞多少是时间的函数且不规则，因此稳定性较差。故不选用。干湿球湿度传感器是目前大多数国产干燥设备主要选取的空气湿度测量设备，它的工作原理和误差分析见2222。通过对以上湿度传感器的对比可知，每一种传感器在测量木材干燥窑中空气湿度这一特定环境下的被测参数时，都有其不足之处。目前，国外美国LIGOMAT公司等生产的先进木材干燥设备中，选用薄纸片作为平衡含水率传感器，因此纸片吸湿后的物理特性与木材含水的物理特性近似，依据这一原理，可利用木材含水率的检测电路通过分析操作来检测平衡含水率，其优点是大大简化了电路结构，提高了系统的集成度，降低了采集系统的成本。所以，在本系统中，采用这种设计思想，选用夹在金属支架中的平衡含水率试纸作为平衡含水率传感器。2222干湿球湿度传感器测量湿度的原理和误差分析干湿球湿度传感器的结构原理是在铂电阻温度传感器的敏感部分包上脱脂纱布，纱布沾水吸湿后在相对湿度小于100RH的环境中，水就会就蒸发。水的蒸发量与空气中的水汽压平衡并使湿球温度保持在一定的数值。如果再用一支等精度铂电阻温度传感器测量当时的气温，就可以利用两个温度的差值和其它测量条件计算空气中的水汽压。干湿球湿度计的测量误差由于传感器是由两支挑选的铂电阻温度传感器组成，温度传感器的测量结果直接参与湿度的运算，所以，温度传感器的测量误差是湿度测量的重要误差来源。另外，湿球表面污染也会引起误差，湿球污染包括使用了不纯净（或不干净的水）的水，包扎纱布过程中沾染了赃物和长期使用了空气中的杂质等。如果污染物为某种溶剂，湿球表面的水汽压就不是与水表面平衡了，而是与某种溶液的表面平衡了。由于水中溶有某些溶剂通常使表面的饱和水汽压降低，也同样会造成湿球温度偏高，相对湿度遍大的现象。观测时间不准是引起误差的另一个原因，干湿球湿度计从加水到水被全部蒸发，湿球温度达到稳定时间也测量时的温度和相对湿度有很大关系，温度小时，需要稳定的时间较长，高湿时则较短。2223木材含水率传感器的选择木材干燥过程中的木材含水率（MC）自动检测是木材干燥作业的一个重要方面，木材含水率作为被控变量，是干燥基准选取的指标之一，也是木材干燥阶段评价指标。此外，在决定结束干燥过程时，如能准确测定出当时被干木材的含水率，就可以避免过度或不足，避免前者还可节省能耗和工时，从而降低干燥窑成本。目前，在干燥作业中，常常由操作者进入窑内取出样品，然后用含水率仪进行测定，这种方法费力又费时，不能实现木材干燥全过程的自动控制。所以，木材含水率的自动检测技术在全自动干燥过程中具有决定性的作用。测量木材含水率的传感器有红外吸收法、微波法、中子法、称重法、电阻法等。红外吸湿法是一种光学式的测定方法。红外湿敏传感器的优点是能检测高温、密封、大风速和通风孔道等场所的气体湿度；动态范围宽。它的主要缺点有易受含有红外波长光的其它光源及样品的色调对测定结果的影响；光学系统的温度稳定性差；结构复杂，难于普及；只能测材料表面的水分，仪器的输出因不同物质而异，且造价较高。所谓微波，就是指频率高于1GHZ的电波。以这样的高频率电波射在含水的物料（电介质）上时，其反射波和透射波就按水的介电常数发生变化。微波湿敏传感器是利用介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收最大的特性构成的。该传感器的主要优点是在露点温度以下传感器的性能不变；在高温、高湿下能长期工作；使用温度范围宽；有互换性；可通过加热清洗，且坚固耐用。缺点是当微波增益变化时，微波损失也随之变化，从而造成较大的误差，所以不适合在本系统中测量木材含水率。中子辐射法测湿属于非接触式，它的原理是当一定速率的中子与被测物中水分子的氢核发生弹性碰撞，能量被氢核吸收，使得中子减速。不受温度、压力等因素影响，但由于核辐射的涨落现象给测量带来误差，其精度很难达到01，另外装置较复杂，还需特殊防护，故此种方法多用于特殊场合，故不适合在本系统中用来测量木材含水率。称重法是林业行业标准锯材干燥工艺规程中规定使用的方法。该方法的操作过程和误差原因见2224。通过对以上几种木材含水率传感器的对比可知，每一种传感器在测量木材含水率这一特定物质中的含水率时，都有其不足之处。目前，在控制过程中采用最多的是电阻法测量含水率的方法，电阻法是利用木材的电学特性（木材含水率量变化时，其直流等效电阻值随之产生变化）的原理来测量物质的含水量。电阻法测量木材含水率时，只需将探针钉入木版中，就可以直接读出含水率数值。正是这一便捷的特性，使得众多企业选用电阻法测量木材含水率。电阻法的特点是仪器结构简单、成本低、操作简单、易行、响应速度快，能在干燥窑内的高温、高湿、高腐蚀的环境下长期使用。为了使含水率传感器充分接触被测试件，并保证测量精度，在本系统中，选用针状电极钢钉探针作为木材含水率传感器如图（29），把钢钉插入干燥窑中木材含水率实验板上，探针必须远离板端、远离木材缺陷、插入含水率、厚度、树种有代表性的木版、插入木版在窑中的位置有代表性的木版。用插头把钢钉探针与干燥窑壁上的线缆相连，线缆引线出窑，与测试系统连接。2224称重法测量木材含水率的原理和误差分析称重法是传统的、也是最基本的木材含水率测量方法。我国林业行业标准MMMOMO100UMRFRXUP5RFRXRX5RFUM215及国家标准都规定以称重法测量的含水率为准。其计算公式如下式中M湿木材质量；MO绝干木材质量；M木材含水率；在实际测量过程中，按标准规定，从锯材上截取两个试片为代表。截取的试片立即称重，精确到001G，然后放入烘箱，在（1032）下烘干，至最后两次称量之差（2H间隔）小于002G，即认为该试片达到了恒定质量，再用上述公式计算每片试片的含水率及两试片的平均含水率，作为木材的含水率值。从理论上讲，称量法是木材含水率测量最准确的方法，但在操作过程中也存在很多引起木材含水率测量误差的因素，使所测含水率值与实际有偏差。造成误差的原因有以下几点气候条件指实验环境空气的温、湿度所对应的平衡含水率与木材本身含水率不一致所引起的水分转移。首先在锯解时，告诉旋转的锯片与木材摩擦生热，使试片两侧的温度高于空气的温度。由于试片的厚度仅为1012MM，相对暴露面积达试片表面积的70以上，当空气所对应的平衡含水率低于试片的含水率时，试片在截取及称量过程中都会释放出水分，造成试片的质量低于实际值；反之，又会使称重的试片质量高于实际值。另外，木材端面水分传递最快，由此表面传递的水分相对于试片的质量（一般20100G）来说，误差已足够大。其次，在绝干材测量时，环境空气的平衡含水率高于木材含水率，试片由烘箱中取出到称量完毕，试片会从空气中吸收水分，环境空气越湿，造成的绝干材质量的误差越大，导致计算出的含水率出现偏差。操作者动作不熟练，易造成试片在空气中暴露时间过长，引起称量误差增大，故应尽量使用电子天平称量，并要求操作者动作熟练。2225木材含水率测量电路设计木材的含水率由炉干到纤维饱和点（含水率约为30），电阻大约增大100万倍但含水率由纤维饱和点增长到细胞腔完全充满液态水，电阻降低到原来的1/50多一点。据此，当含水率非常低的时候，电阻率就非常高，当含水率非常高的时候，电阻率就非常低。干燥过程中，木材含水率在595范围内对应的等效电阻变换范围宽（几百G到几K），所以，在设计木材含水率测量电路时，对含水率的全量程用分段增益的方法把含水率信号的变化引入到系统中，另外，由于木材内含有矿物质团等电解成分，长时间在被测木材上施加单向电压会改变木材的电特性，产生极化效应，使测量结果严重失真，所以本系统专门设计了提供定时换向的5V电压源。测量含水率电路如图（210），测量原理为式中，RX被测木材含水率的等效电阻值；RF反馈电阻值；R1,R2,R3,R4的取值关系为RXR1R2R3R4R5X012X114X215X311Y01Y15Y22Y34INH6A10B9X13Y3U4MC74HC405232184U18ALF353GNDC1UPUMGR1GR0GR2UM输出对应木材含水率的电压值。UP施加在被测木材上的定时变向直流V电压源。从式215可以看出，在每一量程中，RF是定值时，该电路的输出电压与被测木材含水率等效电阻的变化成反比。图210含水率检测电路如图所示，木材含水率测量电路选用高精度放大器LF353与双四选一模拟开关74HC4052配合构成可编程放大器。采用74HC4052模拟开关选择反馈电阻。主控器P10GR0；P11GR1；P27GR2控制模拟开关74HC4052。在含水率检测模入通道的设计中将采用八选一模拟开关74HC4051，其特点已在上面介绍过，该模拟开关对于温度的漏电流比较低，而且，切换速度快，无抖动，易于集成。2226含水率检测模入通道的设计含水率模入通道与主控器的接口如图所示。主控器的P22、12345678J17402X013X114X215X312X41X55X62X74INH6A11B10C9X3U3MC74HC405112345678J2CON8R31R32R33R34R30R35R36R37C1001UFGNDUPP26P24P23P22UO图21474HC4051与主控器的接口电路P23、P24与模拟开关的地址选通端A、B、C相连，P26控制74HC4051的使能端INH。INH低电平有效。74HC4051的X0、X1接入两路平衡含水率信号，X2、X3、X4、X5、X6、X7分别接入6路含水率信号，然后通过地址选通后送出其中一路信号给ADC0809经过模/数转换后送入主控器AT89C55。23A/D变换器的设计在智能化木材干燥系统的设计中，检测到的温度、木材含水率、平衡含水率等信号都是连续信号，而要用单片机进行检测和控制必须要用数字信号，故需要将模拟信号转换成数字信号。在现代社会集成电路飞速发展的时代，应用A/D技术越来越成熟。各种类型的集成A/D芯片性能越来越多，适合各种应用场合。在现代社会中，主要有以下几种类型。一、逐次逼近型逐次逼近型ADC简化组成框图，如下图，图中CMP为比较器，SAR是由数据寄存器和移位寄存器组成的逐次逼近寄存器，用来寄存比较结果和提供DAC的转换数码。DAC为数/模转换网络。图（A）中的DAC为电压输出型，比较器将被测输入电压VX与DAC输出电压V进行比较；图（B）中的DAC为电流输出型，比较器将被测输入电流VX/R与DAC输出电流I进行比较，因为VIR,所以VX/R与I比较相当于VX与V比较，图（A）与图B本质上是一样的。但由于DAC大多采用电流输出型，因此逐次逼近式ADC也大多采用电流比较型。图215逐次逼近型ADC简化框图逐次比较型ADC的位数是内部SAR和DAC的位数。N位逐次逼近型ADC的一次转换过程需要N2个时钟节拍。所谓单片集成化逼近式A/D转换器，即在一个芯片上集成了上图中的三部分电路，基本上可以完成A/D转换的全过程。有的芯片还可以包含有基准电压源、时钟电路、采样/保持器和多路开关等，使其独立性更强，功能更齐全。目前流行的单片集成化逐次逼近式A/D转换器有两类产品，一类属双极性集成电路，另一类属CMOS线性集成电路，前者的转换速度较高，一般在0140S范围内。后者的转换速度略低，一般在20200S范围内。后者因功耗低，价格便宜，使用更为广泛。目前常用的单片集成逐次逼近式A/D转换器一般为812位，它们被广泛应用于中高速数据采集系统、在线自动测试系统和动态测控系统等领域中。二、双积分型双积分型A/D转换器实质上是一种“VTD”（电压时间数字）间接型A/D转换器。典型的双积分型A/D转换器的基本组成可以用下图表示。双积分A/D转换器与逐次逼近式A/D相比，最大的优点是它具有较强的抗干扰能力，因为计数器输出的数字N2正比于模拟输入电压在采样阶段T1内的平均值VI,所以对周期等于T1或T1/M的对称干扰（即在整个周期内平均值为零的干扰）从理论上讲具有无穷大的抑制能力，检测系统中经常碰到的是市电（50HZ）干扰。所以，一般选T1为市电周期（20MS）的整数M倍。因此，为抑制工频干扰，外接时钟频率宜选为FCLKN150/MHZ。式中M为整数。双积分式A/D转换器的另外一个优点是两次积分采用同一积分器完成，所以转换结果及精度与积分器的有关参数R、C无关。对集成化双积分式A/D转换器来说，积分电阻R和积分电容C往往是外接元件，其数值需要按集成双积分式A/D的产品说明来确定，总的来说是保证积分放大器在最大输入电压下，采样阶段末不发生饱和为原则。双积分式A/D的转换时间是两次积分阶段及复零与准备阶段三段时间之和，一般为几十MS，因此它的缺点是转换速度较低。尽管如此，在要求速度不高的场合，如数字仪表，双积分式A/D的使用仍然十分广泛。ICL7135和MC14433是两种最常用的CMOS单片集成双积分式A/D转换器，输出方式都是BCD码动态扫描输出，既可用于数字仪表也可与微机接口。ICL7135为45位，即计数值N2的最大值为19999，MC14433为35位，即N2的最大值为1999。在本系统中采用最常用、最典型的表21ADC080的地址选通真值表ADC0809。它是采用逐次逼近方法的8位8通道A/D转换器。5V单电源供电。转换时间在100S左右。ADC0809为28引脚，双列直插芯片，其引脚如图所示。引脚功能如下IN0IN78路模拟量输入端；MSB21278位数字量输出断口；STARTA/D转换启动信号输入端；ALE地址锁存允许信号，高电平有效；EOC转换结束信号，高电平有效；ENABLE输出允许控制信号，高电平有效；CLOCK时钟信号输入端；ADD_A、ADD_B、ADD_C转换通道的地址；REF参考电源的正端；REF参考电源的负端；VCC电源正端；IN026MSB21212220IN12723192418IN2282582615