木材烘干窑测量与控制模块设计与实现

【摘要】在国内外，随着人们对生活品质要求的提高，木质家具和装修产品又逐渐博得消费者的喜爱。然而，我们面临现实中的问题是世界森林资源迅速减少，环境的日益恶化，又严重影响了人类的生活质量。人们对环境恶化的关注必然地导致了木材原料的产出越来越少。因此，更加高效、低成本的利用有限的森林资源就变得非常重要。在木材加工成成品前对原材料进行合理的干燥处理是产业里的关键步骤。否则，随着不断变干，木材的不同部分会发生不同程度的收缩，会产生翘曲、折断和其它变形。有许多方法可以用于木材干燥处理，包括空气干燥方法、干燥窑干燥方法和其它一些特殊方法。其中，干燥窑干燥法是目前国内外的主流。然而，由于干燥窑干燥周期长，干燥基准控制复杂，对工人要求较高，如何简化干燥过程、提高木材干燥水平并减少人工成本成为目前亟须解决的问题。使用嵌入式控制系统是一个良好的选择。嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。由于嵌入式系统通常进行大量生产。所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。因此，将嵌入式系统应用于木材干燥窑控制过程是非常具有现实意义的。它有助于产生低成本，高质量，大规模的生产，并最终达到降低成本，提高效益，提高木材利用率，减少森林损耗的目的。目前，国内外木材烘干控制系统大都功能单一，技术落后，是上个世纪的产品。主要缺点在于缺乏自主烘干控制过程，自动化程序低，只针对单个木材烘干窑，难以形成规模。本文在对分布式木材烘干控制系统进行分析的基础上形成了功能性的需求和非功能性的需求，确立了研究和设计的方向。这种分布式的设计方案也是一种模块化的设计。系统主要分为四个模块：PC机监控模块，主控模块，测量模块和控制模块。这些模块分为三个层级：PC机监控模块负责监控多个木材烘干窑；主控模块负责单个窑的自主烘干过程、监控和人机交互；测量模块负责单个窑的各项传感器数据采集和处理；控制模块负责接收主控模块的控制命令，并对烘干窑的各项控制设备进行实时控制。本文主要研究内容是底层的测量模块和控制模块的研发。在木材烘干窑控制系统的总体设计基础上，本文分析设计了单个窑的测量模块和控制模块。首先，基于Arduino技术平台和模块通信、功能需求，设计了两个模块的硬件电路，给出了并分析了关键部分的电路图。其中，通信采用了RS485总线通信技术，并且以主控模块为通信主节点，以测量模块和控制模块为通信从节点。然后，基于硬件平台，提出了两个模块的软件设计。通信实现是软件设计部分的重要方面。通信设计确定了通信协议，主从节点握手过程和通信的状态机。测量模块和控制模块的主程序部分采用类似的程序结构。由于Arduino平台硬件资源有限，在程序实现中大量使用了状态机方法，提高系统的响应速度。在最后，对设计并实现的成果进行了实验和测试。测试结果显示，系统的通信正常，各功能单元运转正常，符合预期目标。本课题实现的测量模块和控制模块是分布式木材烘干控制系统的重要部分。这种模块化、自主控制烘干过程的设计将能够大大提高木材的烘干效果，提高木材利用率，减少人工成本。
【作者】杨书范；
【导师】黄永平；
【作者基本信息】吉林大学，计算机应用技术，2014，硕士
【关键词】木材烘干；嵌入式分布式控制；Arduino；RS485；状态机；

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