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摘要：文章介绍了一种基于单片机的中密度纤维板干燥机的智能控制系统设计方案，阐述了控制系统的工作过程和原理，通过模糊控制算法实现了对干燥机参数的自动调整，有效保证了干燥品质并降低了能耗。
关键词：单片机 干燥机 模糊控制
0 引言
近年来，伴随着房地产业的持续火热，建筑装饰以及家具行业对木材的需求量增长强劲，中密度纤维板以其低廉的价格、不易变形的优点也得到了广泛应用。中密度纤维板主要是以木材加工过程中的剩余边角废料以及其他植物纤维为原料，共要经过打碎、纤维分离、干燥、添加胶粘剂、热压等几个操作环节制成，其中干燥是生产环节中最为关键的工序之一，木质纤维的干燥程度直接影响到最终成品的质量。为此，本文针对现有的中密度纤维板生产线所使用干燥机设计了一套基于单片机的智能控制系统，用以实现对纤维干燥过程的自动控制，改变传统干燥技术能量利用率低的问题，降低干燥成本，提高经济效益。
1 中密度纤维板干燥机及控制系统工作原理
纤维的干燥过程主要采用气流干燥方式。工作时，首先由上道工序将木材边角料等原材料磨成湿纤维，通过进料管进入干燥机，与干燥的热空气混合，由热空气将湿纤维中的水分蒸发带走，干燥好的纤维通过干燥管末端的干燥旋风分离器出口送出至干纤维料仓，热气流则通过分离器顶部排出。
设计方案中在干燥管进口与出口处分别各安装温度传感器采集热空气的温度，在进料口与出料口处安装水分传感器，检测纤维的水分含量，并将信息经A/D转换为电信号送至控制系统，并同时显示在显示屏上。根据实践证明，影响纤维干燥效果的主要取决于干燥管入口处热气流的温度值和气流速度。温度高低会直接影响到干燥的品质和时间，温度如果较高，固然能够缩短干燥时间，但也会导致纤维中添加的脲醛树脂胶提前凝固，严重影响产品的质量。控制系统为此设置了温度的报警电路。
干燥用的热空气由室外空气经加热器加热，由鼓风机送入干燥机。改变鼓风机的转速可调节进入干燥管的热风风量与速度。本设计中的控制系统主要采用了模糊算法，通过控制鼓风机风量，来调整干燥管内温度与气流速度，保证纤维干燥的品质与干燥效率。
2 控制系统硬件设计
本次设计的控制系统采用PIC16C72单片机为核心，由数据采样模块、输入/输出模块、报警电路、执行动作模块等几部分构成。
2.1单片机选型 系统选用Microchip公司生产的PIC16C73单片机，该款芯片采用RISC（精简指令集）体系，去除了不常用的指令，比起其他单片机来，PIC这个系列单片机运行速度较快。PIC16C73单片机还自带5路8位A/D转换通道。A/D转换器采用逐次逼近法进行A/D转换，足够满足系统采集干燥机各处温度与含水量的检测需求。
2.2 数据采集 系统的数据采集是由温度传感器、水分传感器分别采集热空气温度和纤维的含水率。温度传感器选用DS18B20，其检测范围在-55-+125℃之间，精度较高，对比传统采用的热敏电阻更加耐磨耐碰，而且可以直接读出被测量的温度值。水分传感器则选用德国阿尔邦公司生产的FHA696MF传感器。数据检测按照设定时间定时采样，采样数据经A/D转换后送控制系统并同时在显示屏上显示。
2.3 I/O模块及报警模块 设定采用按键输入，键盘选用3*3的扫描键盘，可以输入设定干燥机温度等参数。显示模块用于显示纤维在干燥过程中的温度与含水率的设定值以及实际测得的数值，显示模块选用普通的MS12864R液晶屏。报警电路设计较为简单，当干燥机温度出现过高时通过一个蜂鸣器和发光二极管发出警告。
2.4 执行模块 单片机通过DAC0832输出模拟信号，由日本三垦SAMCO-i变频器根据模拟信号变频输出，控制鼓风机的转速，控制并改变通过加热器的热空气的风量和风速。
3 控制系统软件设计
3.1 控制系统设计思路 系统软件首先是对单片机的初始化，输入设定参数，然后开始对各个测量通道进行扫描，将温度或水分传感器检测到的模拟信号送入A/D转换器进行模/数转换，转换为数字信号后送入控制系统，同时把检测到的数据送显示模块，显示当前干燥机实际温度与纤维含水率的实时数据，并显示相关的设定值。控制系统调用数据处理程序，将检测到的入口热空气温度的信号值送模糊控制器处理，与设定值进行比较，根据结果进行相应模糊处理，并将处理结果经D/A转换为模拟量输出，控制变频器及继电器驱动鼓风机等执行机构的动作，改变热风风量，从而调整干燥机的温度与气流速度满足干燥机的控制需求。（见图2）
3.2 模糊控制算法设计 中密度板纤维在整个干燥过程中，受外界环境温度、湿度以及不同的原材料本身含水率差异等多种因素影响，采用传统的控制方法，比如PID控制，控制器及其容易受到这些干扰，而影响控制效果。为此，本文设计方案中采用了模糊控制算法，对干燥机的工作过程进行智能化控制。
模糊控制是一种基于语言的控制方法，用模糊控制一般用{NB负大、NM负中、NS负小、Z零、PS正小、PM正中、PB正大}这样的语言描述偏差。控制参数对应的子集越多，相应的控制精度越高。比如上面的描述就分为7档。当然具体按实际情况而定，本文设计的模糊控制器采用五档描述：T（E）={NB负大、NS负小、Z零、PS正小、PB正
大}。输入量是温度偏差X（设定含水率与测量值的差值）、偏差变化率XC、输出值为温度控制量Y，最终Y可量化为鼓风机的转速。
根据人工控制经验，总结模糊控制的规则如表1所示。
当温度偏差较大的时候，输出控制量应考虑以尽快消除偏差为主；如果检测到的温差不大的时候，控制量要注意防止出现超调，应减少输出量。例如：温度偏差差为负大，温差变化率也为负大，则说明温度误差有增大的趋势，应尽快消除偏差，因此控制量应选择正大，让鼓风机转速增大，增加热风风量。
4 结束语
本文设计了一个中密度纤维板干燥机的智能温度控制系统，以PIC16C73单片机为控制核心，选用了模糊控制算法，相对传统控制模式，具有超调量小、能耗低的特点。实际运行中控制系统工作稳定，运行速度快，可靠性好，很好满足了干燥机的温度控制要求，对于提高干燥品质，减低能耗有较为明显的效果。
参考文献：
[1]张明峰.PIC单片机入门与实践[M].北京：北京航天航天大学出版社，2004.
[2]诸静.模糊控制理论与系统原理[M].北京：机械工业出版社 2005.
[3]张丽丽，高晓阳，陈菁菁，毕阳等.基于模糊控制的麦芽干燥室温度控制系统设计[J].甘肃农业大学学报，2009（2）.
[4]陶程云，朱德泉，孙磊，丁正耀.基于单片机的微波连续干燥机控制系统设计[J].机床与液压，2012（20）.
作者简介：许戴铭（1979-），男，江苏苏州人，讲师，主要研究方向：机电、嵌入式开发。
关键词：单片机 干燥机 模糊控制
0 引言
近年来，伴随着房地产业的持续火热，建筑装饰以及家具行业对木材的需求量增长强劲，中密度纤维板以其低廉的价格、不易变形的优点也得到了广泛应用。中密度纤维板主要是以木材加工过程中的剩余边角废料以及其他植物纤维为原料，共要经过打碎、纤维分离、干燥、添加胶粘剂、热压等几个操作环节制成，其中干燥是生产环节中最为关键的工序之一，木质纤维的干燥程度直接影响到最终成品的质量。为此，本文针对现有的中密度纤维板生产线所使用干燥机设计了一套基于单片机的智能控制系统，用以实现对纤维干燥过程的自动控制，改变传统干燥技术能量利用率低的问题，降低干燥成本，提高经济效益。
1 中密度纤维板干燥机及控制系统工作原理
纤维的干燥过程主要采用气流干燥方式。工作时，首先由上道工序将木材边角料等原材料磨成湿纤维，通过进料管进入干燥机，与干燥的热空气混合，由热空气将湿纤维中的水分蒸发带走，干燥好的纤维通过干燥管末端的干燥旋风分离器出口送出至干纤维料仓，热气流则通过分离器顶部排出。
设计方案中在干燥管进口与出口处分别各安装温度传感器采集热空气的温度，在进料口与出料口处安装水分传感器，检测纤维的水分含量，并将信息经A/D转换为电信号送至控制系统，并同时显示在显示屏上。根据实践证明，影响纤维干燥效果的主要取决于干燥管入口处热气流的温度值和气流速度。温度高低会直接影响到干燥的品质和时间，温度如果较高，固然能够缩短干燥时间，但也会导致纤维中添加的脲醛树脂胶提前凝固，严重影响产品的质量。控制系统为此设置了温度的报警电路。
干燥用的热空气由室外空气经加热器加热，由鼓风机送入干燥机。改变鼓风机的转速可调节进入干燥管的热风风量与速度。本设计中的控制系统主要采用了模糊算法，通过控制鼓风机风量，来调整干燥管内温度与气流速度，保证纤维干燥的品质与干燥效率。
2 控制系统硬件设计
本次设计的控制系统采用PIC16C72单片机为核心，由数据采样模块、输入/输出模块、报警电路、执行动作模块等几部分构成。
2.1单片机选型 系统选用Microchip公司生产的PIC16C73单片机，该款芯片采用RISC（精简指令集）体系，去除了不常用的指令，比起其他单片机来，PIC这个系列单片机运行速度较快。PIC16C73单片机还自带5路8位A/D转换通道。A/D转换器采用逐次逼近法进行A/D转换，足够满足系统采集干燥机各处温度与含水量的检测需求。
2.2 数据采集 系统的数据采集是由温度传感器、水分传感器分别采集热空气温度和纤维的含水率。温度传感器选用DS18B20，其检测范围在-55-+125℃之间，精度较高，对比传统采用的热敏电阻更加耐磨耐碰，而且可以直接读出被测量的温度值。水分传感器则选用德国阿尔邦公司生产的FHA696MF传感器。数据检测按照设定时间定时采样，采样数据经A/D转换后送控制系统并同时在显示屏上显示。
2.3 I/O模块及报警模块 设定采用按键输入，键盘选用3*3的扫描键盘，可以输入设定干燥机温度等参数。显示模块用于显示纤维在干燥过程中的温度与含水率的设定值以及实际测得的数值，显示模块选用普通的MS12864R液晶屏。报警电路设计较为简单，当干燥机温度出现过高时通过一个蜂鸣器和发光二极管发出警告。
2.4 执行模块 单片机通过DAC0832输出模拟信号，由日本三垦SAMCO-i变频器根据模拟信号变频输出，控制鼓风机的转速，控制并改变通过加热器的热空气的风量和风速。
3 控制系统软件设计
3.1 控制系统设计思路 系统软件首先是对单片机的初始化，输入设定参数，然后开始对各个测量通道进行扫描，将温度或水分传感器检测到的模拟信号送入A/D转换器进行模/数转换，转换为数字信号后送入控制系统，同时把检测到的数据送显示模块，显示当前干燥机实际温度与纤维含水率的实时数据，并显示相关的设定值。控制系统调用数据处理程序，将检测到的入口热空气温度的信号值送模糊控制器处理，与设定值进行比较，根据结果进行相应模糊处理，并将处理结果经D/A转换为模拟量输出，控制变频器及继电器驱动鼓风机等执行机构的动作，改变热风风量，从而调整干燥机的温度与气流速度满足干燥机的控制需求。（见图2）
3.2 模糊控制算法设计 中密度板纤维在整个干燥过程中，受外界环境温度、湿度以及不同的原材料本身含水率差异等多种因素影响，采用传统的控制方法，比如PID控制，控制器及其容易受到这些干扰，而影响控制效果。为此，本文设计方案中采用了模糊控制算法，对干燥机的工作过程进行智能化控制。
模糊控制是一种基于语言的控制方法，用模糊控制一般用{NB负大、NM负中、NS负小、Z零、PS正小、PM正中、PB正大}这样的语言描述偏差。控制参数对应的子集越多，相应的控制精度越高。比如上面的描述就分为7档。当然具体按实际情况而定，本文设计的模糊控制器采用五档描述：T（E）={NB负大、NS负小、Z零、PS正小、PB正
大}。输入量是温度偏差X（设定含水率与测量值的差值）、偏差变化率XC、输出值为温度控制量Y，最终Y可量化为鼓风机的转速。
根据人工控制经验，总结模糊控制的规则如表1所示。
当温度偏差较大的时候，输出控制量应考虑以尽快消除偏差为主；如果检测到的温差不大的时候，控制量要注意防止出现超调，应减少输出量。例如：温度偏差差为负大，温差变化率也为负大，则说明温度误差有增大的趋势，应尽快消除偏差，因此控制量应选择正大，让鼓风机转速增大，增加热风风量。
4 结束语
本文设计了一个中密度纤维板干燥机的智能温度控制系统，以PIC16C73单片机为控制核心，选用了模糊控制算法，相对传统控制模式，具有超调量小、能耗低的特点。实际运行中控制系统工作稳定，运行速度快，可靠性好，很好满足了干燥机的温度控制要求，对于提高干燥品质，减低能耗有较为明显的效果。
参考文献：
[1]张明峰.PIC单片机入门与实践[M].北京：北京航天航天大学出版社，2004.
[2]诸静.模糊控制理论与系统原理[M].北京：机械工业出版社 2005.
[3]张丽丽，高晓阳，陈菁菁，毕阳等.基于模糊控制的麦芽干燥室温度控制系统设计[J].甘肃农业大学学报，2009（2）.
[4]陶程云，朱德泉，孙磊，丁正耀.基于单片机的微波连续干燥机控制系统设计[J].机床与液压，2012（20）.
作者简介：许戴铭（1979-），男，江苏苏州人，讲师，主要研究方向：机电、嵌入式开发。