【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 數(shù)國(guó)產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)控制也屬于人為設(shè)定參數(shù)的半自動(dòng)控制。幾乎很少有真正意義上的全自動(dòng)控制。干燥參數(shù)的在線檢測(cè)是干燥過(guò)程全自動(dòng)控制的前提條件。干燥介質(zhì)的溫度和濕度的在線檢測(cè)難度不大 ,而前面提到的建議以臨界干黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 4 燥應(yīng)力和臨界含水率梯度作為監(jiān)控干燥過(guò)程的主要參數(shù) ,其難點(diǎn)主要在干燥應(yīng)力和含水率梯度的在線檢測(cè)。我國(guó)木材干燥技術(shù)雖然有一定的發(fā)展 ,但自動(dòng)化程度較低 ,制約了木材全自動(dòng)化發(fā)展的形狀 .通過(guò)深入地分析木材干燥工藝和測(cè)控系統(tǒng)在木材干燥方面的應(yīng)用 ,把智能化自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)引入木材干燥窯的設(shè)計(jì)中勢(shì)在必行，微機(jī)不論在性能上還是價(jià)格上均能取代常規(guī)工業(yè)自動(dòng)化儀表 ,而且對(duì)木材干燥這一特殊過(guò)程采用微機(jī)控制要比常規(guī)儀表更方便、準(zhǔn)確。將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于木材干燥過(guò)程在國(guó)內(nèi)干燥技術(shù)研究中已有開(kāi)展。將被干燥的物料分割為有限多個(gè)小單元 。 利用熱風(fēng)干燥有限元計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程 ,獲得了精確的干燥時(shí)間、物料終了含水率、排氣溫度、濕度和水分蒸發(fā)量。也可以確定干燥過(guò)程中任一時(shí)刻的干燥情況 和有關(guān)技術(shù)參數(shù)。這一計(jì)算機(jī)應(yīng)木材干燥技術(shù)有著非常重大的意義 ,這方面用方法很值得在木材干燥中借鑒和應(yīng)用。 設(shè)備的智能化、 集約 化 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和在控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，以及設(shè)備向小型化、智能化發(fā)展，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低廉、使用靈活等優(yōu)勢(shì)，顯示出很強(qiáng)的生命力。它和一般的集成電路相比有較好的抗干擾能力。對(duì)環(huán)境的溫度和濕度都有較好的適應(yīng)性，可以在工業(yè)條件下穩(wěn)定工作。且單片機(jī)廣泛地應(yīng)用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，提高它們的測(cè)量速度和測(cè)量精度，加強(qiáng)控制功能。 MCS51 系列單片機(jī)控制的 “船舶航行狀態(tài)自動(dòng)記錄儀 ”、 “煙葉水分測(cè)試儀 ”、 “智能超聲波測(cè)厚儀 ”等。單片機(jī)也廣泛地應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，例如對(duì)工業(yè)上各種窯爐的溫度、酸度、化學(xué)成分的測(cè)量和控制。將測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮其數(shù)據(jù)處理功能和實(shí)時(shí)控制功能，使系統(tǒng)工作處于最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。從航空航天、地質(zhì)石油、冶金采礦、機(jī)械電子、輕工紡織等行業(yè)的分布系統(tǒng)與智能控制以及機(jī)電 一體化設(shè)備和產(chǎn)品，到郵電通信、日用設(shè)備和器械，單片機(jī)都發(fā)揮了巨大作用。 如前所述，我國(guó)目前的干燥技術(shù)水平已基 本能滿(mǎn)足現(xiàn)階段生產(chǎn)的要求，但仍有許多不足之處。在新世紀(jì)中的干燥技術(shù)需要增加科技含量，由粗放型，向精確性、高科技的方向發(fā)展，才能跟上時(shí)代發(fā)展的步伐。因此，基于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)急需自動(dòng)化程度高的木材干燥設(shè)備新產(chǎn)品的實(shí)際情況，消化、吸收國(guó)外先進(jìn)干燥技術(shù)和測(cè)試手段，使之適合我國(guó)國(guó)情，并在此基礎(chǔ)上，研究、設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、節(jié)能顯著，達(dá)到或超過(guò)世界先進(jìn)水平的新型干燥設(shè)備控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)木材干燥設(shè)備新型換代產(chǎn)品，提高木材干燥質(zhì)量，降低木材資源消耗，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，具有十分重要的意義。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 5 第 2章 總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)設(shè) 計(jì)的基本內(nèi)容 1. 木材干燥室控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀：木材干燥室控制系統(tǒng) 的基本介紹以及 我國(guó)木材干燥行業(yè)存在的問(wèn)題以及發(fā)展趨勢(shì)。 2. 基本方案的選擇： 以單片機(jī)為控制核心，采用溫濕度測(cè)量 及 控制技術(shù)，以溫濕度傳感器作為測(cè)量元件，構(gòu)成智能木材溫濕度測(cè)量控制系統(tǒng)?？煞譃闇貪穸葴y(cè)量電路，顯示電路，聲光報(bào)警電路，溫濕度控制 執(zhí)行 電路。 3．單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)：一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如 ROM、 RAM、 I/O、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須 在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。 4．單片機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)：整個(gè)程序包括主程序和子程序兩部分。子程序包括延時(shí)子程序、啟動(dòng)子程序、參數(shù)掃描子程序、外部中斷子程序等。程序編制采用了模塊化結(jié)構(gòu)，對(duì)各個(gè)程序段的出入口、占用內(nèi)部寄存器或 RAM 均做了明確規(guī)定，可分別調(diào)試，具有較強(qiáng)的靈活通性。 功能要求 （ 1） 實(shí)現(xiàn)對(duì) 木材干燥室 溫濕度參數(shù)的實(shí)時(shí)采集 ,測(cè)量空間的溫度和濕度 ,由單片機(jī)對(duì) 采集的溫濕度值進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、顯示 ,實(shí)現(xiàn)溫濕度的智能 檢測(cè)。 （ 2） 實(shí)現(xiàn)超越數(shù)據(jù)的及時(shí)報(bào)警 ,并啟動(dòng)控制系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)控制 的目的。 （ 3）實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備應(yīng)具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 高 可靠性 高可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個(gè)方面考慮：使用可靠性高的元器件；設(shè)計(jì)電路板時(shí)布線和接地要合理；對(duì)供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進(jìn)行軟硬件濾波；系統(tǒng)自診判斷功能等 。 操作維護(hù)方便 在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從操作者的角度考慮操作和維護(hù)方便，盡量減少黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 6 對(duì)操作人員專(zhuān)用知識(shí)的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能減少人機(jī)交換接口，多采用操作內(nèi)置或簡(jiǎn)化的方法。同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)配有現(xiàn)場(chǎng)故障自動(dòng)診斷程序，一旦發(fā)生故障能保證有效地對(duì)故障進(jìn)行定位，以便進(jìn)行維修。 高 性?xún)r(jià)比 單片機(jī)除體積小、功耗低等特點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢(shì)在于高性能價(jià)格比。一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否被廣泛使用，性?xún)r(jià)比是其中一個(gè)關(guān)鍵因素。因此，再設(shè)計(jì)時(shí)，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡(jiǎn)化外圍硬件電路， 在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下盡可能使用軟件功能取代硬件功能等。 設(shè)計(jì)思路 （ 1）對(duì)于硬件部分：根據(jù)課題技術(shù)要求擬選擇 ATMEL公司的 AT89C51 微控器作為控制與數(shù)據(jù)處理的 核心以構(gòu)成木材干燥室控制系統(tǒng)。根據(jù)技術(shù)要求 求判斷是否需要外部采用可編程程序存儲(chǔ)器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器對(duì)微控器進(jìn)行擴(kuò)展。 （ 2）對(duì)于軟件部分：設(shè)計(jì)硬件時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮軟件的設(shè)計(jì)方法，爭(zhēng)取采用最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法使兩者相輔相成。設(shè)計(jì)后期用 C 語(yǔ)言及匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序并用相關(guān)繪圖軟件繪制系統(tǒng)外部接線圖、軟件流程圖、系統(tǒng)框圖。 圖 技術(shù)路線流程圖 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 7 主要器件選型 本設(shè)計(jì)主要研究的內(nèi)容是 以單片機(jī)為控制核心，采用溫濕度測(cè)量 及 控制技術(shù)，以溫濕度傳感器作為測(cè)量元件，構(gòu)成智能木材溫濕度測(cè)量控制系統(tǒng)。 故本系統(tǒng)主要器件包括單片機(jī)主芯片，溫度傳感器，濕度傳感器，液晶顯示裝置等。 單片機(jī)主芯片選擇方案 單片機(jī)的選型是一件重要而費(fèi)心的事情 ,如果單片機(jī)型號(hào)選擇得合適 ,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)就會(huì)工作可靠 ，且很 經(jīng)濟(jì) 。如果選擇得不合適 ,就會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi) ,影響單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行 ,甚至根本就達(dá)不到預(yù)先設(shè)計(jì)的功能。 對(duì)于一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō) ,它的技術(shù) 要求和系統(tǒng)功能都應(yīng)當(dāng)十分明確 .如果選擇功能過(guò)于少的單片機(jī) ,這個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)就無(wú)法完成控制任務(wù) 。但是如果選擇的單片機(jī)功能過(guò)于強(qiáng)大 ,這不但沒(méi)有必要 ,還會(huì)造成資源浪費(fèi) ,不降性能價(jià)格比。 只要掌握和運(yùn)用單片機(jī)正確選型的原則 ,就可以選擇出最能適用于應(yīng)用系統(tǒng)的單片機(jī) ,保證單片要應(yīng)用系統(tǒng)有最高的可靠性 ,最優(yōu)的性能價(jià)格比 ,最長(zhǎng)的使用壽命和最好的升級(jí)換代可能。 單片機(jī)芯片選型時(shí) ,總的原則是 : “芯片含有 (功能或數(shù)量 )略大于設(shè)計(jì)需求 ”,”設(shè)計(jì)需求盡可能 (用 )芯片完成 (少用外圍器件 )”。 “選大 (大廠 )不選小 ,選多 (供應(yīng)量多 )不選少 ,選名 (名牌 )不選渺 (飄渺 ,不知詳情的廠子 ),選廉 (謙價(jià) )但要好 (質(zhì)量保證 )。 對(duì)單片機(jī)選型 ,主要應(yīng)用從單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)性 ,實(shí)用性和要開(kāi)發(fā)性三方面來(lái)考慮 。 (1)技術(shù)性 :要從單片機(jī)的技術(shù)指標(biāo)角度 ,對(duì)單片機(jī)芯片進(jìn)行選擇 ,以保證單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在一定的技術(shù)指標(biāo)下可靠運(yùn)行 。 (2)實(shí)用性 :要從單片機(jī)的供貨渠道、信譽(yù)程序等角度，對(duì)單片機(jī)的生產(chǎn)廠家進(jìn)行選擇以保證單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在能長(zhǎng)期、可靠運(yùn)行； (3)可開(kāi)發(fā)性：選用的單片機(jī)要有可靠的可以開(kāi)發(fā)手段，如程序開(kāi)發(fā)工具、仿真調(diào)試手段等。 由于在學(xué)校期間學(xué)過(guò)數(shù)字電路、 單片機(jī)原理、 C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，綜合考慮單片機(jī)的各部分資源和作為學(xué)生能夠獲得的資源，經(jīng)過(guò)對(duì)比此次設(shè)計(jì)要求， 同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)及實(shí)用性 ,我選擇用 ATMEL 系列芯片完成。而且 在 學(xué)校 期間學(xué)習(xí)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù) 也 主要介紹了 C51 系類(lèi)單片機(jī) ，實(shí)際操作起來(lái)比較方便，故 ATMEL為更合理的選擇 。具體方案如下： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 8 AT89C51 是美國(guó) ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 型 8 位單片機(jī)，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲(chǔ)單元，功 能強(qiáng)大。其片內(nèi)的 4K 程序存儲(chǔ)器是 FLASH 工藝的，這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)我們的勞動(dòng)成果。再者， AT89C51 目前的售價(jià)比 8031 還低，市場(chǎng)供應(yīng)也很充足。AT89C51 可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長(zhǎng)度小于 4K，四個(gè) I/O 口全部提供給用戶(hù)。可用 5V電壓編程，而且擦寫(xiě)時(shí)間僅需 lOms。 AT89C51 芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系 統(tǒng)不被仿制。PO 口是三態(tài)雙向口，通稱(chēng)數(shù)據(jù)總線口，因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯?duì)外部存儲(chǔ)器的讀 /寫(xiě)操作。 顯示器選擇方案 方案一：選用液晶顯示器 (LCD)， LCD 具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等許多其它顯示器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)被廣泛用于單片機(jī)控制的智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中。 LCD 可分為段位式 LCD、字符式 LCD 和點(diǎn)陣式LCD。其中，段位式 LCD 和字符式 LCD 只能用于字和數(shù)字的簡(jiǎn)單顯示，不能滿(mǎn)足圖形曲線和漢字顯示的要求；而點(diǎn)陣式 LCD 不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字， 并且可以實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)，動(dòng)畫(huà)功能，分區(qū)開(kāi)窗口，反轉(zhuǎn)，閃爍等功能，用途十分廣泛。 LCD 產(chǎn)品制造涉及光學(xué)、半導(dǎo)體、電機(jī)、化工、材料等各項(xiàng)領(lǐng)域，上下游所需技術(shù)層面極廣，極少有單一廠商能從材料到成品全部都做，因此各領(lǐng)域分工明顯。 LCD 產(chǎn)業(yè)上游材料包括玻璃基板、 ITO 導(dǎo)電玻璃、偏光板、彩色濾光片、背光模塊、液晶、半導(dǎo)體制造工序所需光罩，液晶驅(qū)動(dòng) IC、印刷電路板（ PCB）等；中游則集合各種材料，制造 LCD 面板和模塊，提供給下游應(yīng)用廠商使用。 方案二：選用 LED 顯示器， LED 是英文 light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫(xiě)，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹(shù)脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以 LED 的抗震性能好。 發(fā)光二極管的核心部分是由 p 型半導(dǎo)體和 n型半導(dǎo)體組成的 晶片 ，在 p 型半導(dǎo)體和 n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡 層，稱(chēng)為 pn結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的 PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。 PN 結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用 注入式電致發(fā)光 原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱(chēng) LED。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 9 當(dāng)它處于正向 工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從 LED 陽(yáng)極 流向 陰極 時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。 綜上所訴，結(jié)合 proteus 的元件庫(kù)，我們選擇方案一，因其可以同時(shí)顯示多個(gè)數(shù)據(jù)，故選之。 傳感器選擇方案 方案一： 首先我考 慮到使用熱敏電阻之類(lèi)的器件利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測(cè)溫度變化的電壓或電流采集過(guò)來(lái)，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度顯示出來(lái)，這種設(shè)計(jì)需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩，同時(shí)加上濕度模塊就更加復(fù)雜了。模擬電路的累加對(duì)后期我們的數(shù)據(jù)采集精度也很能達(dá)標(biāo)。 方案二： 其次我考慮到用溫度傳感器再加上濕度傳感器，在單片機(jī)電路設(shè)計(jì)中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，溫度傳感器可以采用一線制DS18B20，這個(gè)傳感器 也 可以在 proteus 元件庫(kù) 找到 ，可以很 容易直接讀取被測(cè)溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 方案三： 隨著技術(shù)發(fā)展，溫濕度一體的傳感器也越來(lái)越多，并且性?xún)r(jià)比也越來(lái)越 高 ，例如 SHT90、 9 95 系列價(jià)格在四五十左右或者更低。經(jīng)過(guò)搜找，我發(fā)現(xiàn)在 proteus元件庫(kù)中的 SHT11 這款溫濕度傳感器。 在測(cè)量過(guò)程中可對(duì)相對(duì)溫濕度進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)， 同時(shí) SHT11 溫濕度傳感器能 準(zhǔn)確的測(cè)量溫濕度。產(chǎn)品互換性好，相應(yīng)速度快，抗干擾性強(qiáng)，不需要外部參考源和外部器件 。 它克服了前兩個(gè)方案的缺點(diǎn)又 具有前兩個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)它也符合參數(shù)要求。 由以上方案可知 傳統(tǒng)的模擬式傳感 器（方案一）一般不僅要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路 ， 還要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過(guò)程，其測(cè)量精度難以保證。而 方案三的 SHT11傳感器 是瑞