木材干燥窑含水率检测系统设计

　　摘要:当前木材干燥窑含水率的检测存在检测精度低、反应时间长、测试模式少等缺点，针对这些问题，设计了一种具有高量程、多档位测试的木材干燥窑含水率检测系统，该系统自动化程度高，可实现高电阻木材含水率的检测和多量程范围的检测。实验结果表明，设计的木材干燥窑含水率检测系统能够实现高精确度、高速率、高灵敏度的木材含水率检测，有效地提高了木材的利用率。

　　关键词:木材含水率;惠斯通电桥;DSPIC单片机;木材干燥窑

　　随着社会的飞速发展，许多行业对木材的需求量也日益增加，行业的需求促进了木材干燥技术的发展[1]。目前国内最新的木材检测技术有超声波检测、人工智能检测[2]，尤其是基于图像处理的木材检测技术[3]，具有高自动化、高识别率的优点。目前市场上对木材含水率的检测通常是采用电阻法、电容法、微波法和称重法，本实验测量方法基于电阻法。普通电阻法测量含水率的原理是利用木材的电学特性与含水率之间的关系，但这种测量方法只能检测低含水率的木材。在需要测量精度高和高含水率木材的情况下，这种测量方式会出现很大的误差[4]。

　　为解决这一问题，设计了一种具有高阻值测量功能的惠斯通电桥电路，联合A/D变换电路、DA采集电路、独立供电电源电路、放大电路、换档继电器选择电路等来实现整个系统的硬件设计，并通过一系列软件算法，针对采集的木材材质、宽厚度、窑内温度、风机转速等数据进行处理与控制，修正部分数据进行动态补偿。本实验采集和分析窑内的温度，通过加补偿来减少环境因素对木材含水率测量的误差影响。干燥窑的机械设计参考螺杆泵的实验台设计，目的是提高稳定性[5]。

　　1实验硬件电路设计

　　1.1单片机选型

　　本实验采用Microchip公司的DSPIC33EP256MU806芯片[6]。综合实验考虑，设计的电源电路必须具有高精度、高稳定性、低延迟等特点。本实验电路主要由模拟电路和数字电路组成，为了防止两个电路相互干扰影响测量精度，分别设计模拟和数字两个独立供电电源进行供电。本实验数字电路实现的功能如下:旁路开关量输出、对应PWM波形输出、电路继电器驱动、显示屏驱动显示。本实验的模拟电路含有较多的放大电路、A/D和D/A转换电路、高精度的电桥换向电路，因此对模拟电路设计要求很高，尤其是供电分压电路部分，因此本实验供电电路采用24V开关电源接入，并分压输出[7]。为了避免电路之间的相互干扰，影响木材含水率的测量精度，设计时将各电路信号地线，即外部地线GGND、数字电路地线GND、模拟电路地线AGND隔离排布。

　　1.2电桥与换向电路设计

　　本实验木材含水率测量采用电阻法[8-9]，测量时将电路绝缘探针插入被测木材，通电后在木材之间形成回路，根据木材内部含水量的不同，测定电阻也不同[10]。由于干燥窑工作时窑内温度上升较快、持续时间较长，以及窑内喷汽管的影响，导致木材产生有害气体及杂质液体挥发，对绝缘探针有腐蚀作用。为了解决这一问题，设计了电路核心部分—电桥换向电路。本实验选用放大芯片LT1169，该芯片采用电压源，对信号的影响较小，具有较好的共模抑制比，容易驱动元器件。受开关电源的电压干扰小，可以很好地解决电桥电压信号放大和滤波处理问题，提高具有较大电阻值的木材测量精度。

　　2驱动电路设计

　　当检测的木材水分含量较大不符合预测的标准时，单片机将根据当前木材的含水率进行一系列数据运算，发信号控制比例阀，完成干燥窑内加热、除湿、干燥等操作，发送模拟信号控制干燥窑内风机流向和流速。

　　3实验测试与结果分析

　　3.1实验一首先保持电路档位不变，对电桥电路进行单独测量，测试主控制电路上的惠斯通电桥电路两端UA-和UB+的电压，再对数据进行误差分析和处理。通过电路设计已知电桥电路电阻R1、R2、R3电阻值相同，都是默认的。当前电阻阻值设定为2K，换档档位设定为第一档。继电器触点3、4两端、5、6两端导通。

　　设计的电路测试高档位和对应的高阻值木材得到的数据比较精确，实验误差也较小。从10K到45.4K阻值对应的误差值曲线变化平稳，符合设计要求。实验二的误差值曲线相比实验一的误差值曲线有轻微的波动，说明换档操作对测量数据有一定的影响，但总体曲线符合实验预期，达到了设计要求。

　　4小结

　　干燥窑控制系统的硬件设计是整个控制系统的基础，本实验的最大特点是通过木材干燥检测电路的设计创新，可以实现换档测试和高阻值木材阻值测试，避免了普通电阻法无法测量含水率和电阻值较高的木材问题。通过对数据的分析和处理，本实验分别从低档位测量、高档位测量、动档位测量来测试不同阻值的木材，所得实验数据符合实际要求，初步验证了木材干燥过程与温度的关系，针对高阻值木材含水率检测的电路符合设计要求。实验存在的问题主要是由于实验电路工作环境比较恶劣，实验温度相差较大，供电电源的差异，干扰信号的干扰等诸多因素对实验造成了一定影响。实验后续将完善木材干燥窑含水率检测系统的软件设计，引入操作系统和数据库，方便记录含水率的检测数据。

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