基于STM32和FreeRTOS的嵌入式太陽能干燥實(shí)時(shí)監(jiān)測和

摘要：以ARM Cortex—M3處理器STM32F103VBT6為核心，應(yīng)用AM2301溫濕度傳感模塊實(shí)現(xiàn)對太陽能干燥室內(nèi)溫濕度參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，采用數(shù)字PID控制技術(shù)控制鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持干燥室內(nèi)的溫度穩(wěn)定，并通過繼電器控制排氣扇的啟停使干燥室內(nèi)濕度保持在設(shè)定上限之下。干燥室通過RS 485總線和上位機(jī)通信，上位機(jī)設(shè)定干燥室內(nèi)的目標(biāo)溫度和濕度上限，并實(shí)時(shí)顯示干燥室內(nèi)溫度、濕度、鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣扇開關(guān)狀態(tài)等參數(shù)。嵌入式系統(tǒng)軟件采用FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，實(shí)現(xiàn)對太陽能干燥室內(nèi)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制精度高，響應(yīng)速度快。

0 引言

太陽能是一種清潔可再生能源，應(yīng)用前景十分廣闊。近年來，利用太陽能進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品、藥品的加工也因其節(jié)能、干燥時(shí)間短、干燥品質(zhì)高等特點(diǎn)而發(fā)展十分迅速。為保證干燥物料的品質(zhì)與干燥效率，太陽能干燥設(shè)備在進(jìn)行干燥作業(yè)時(shí)需要對干燥室內(nèi)的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)王勝利、付立思等人研制的基于AT89C51的智能太陽能干燥控制系統(tǒng)沒有進(jìn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植，監(jiān)測與控制的實(shí)時(shí)性要求無法得到妥善滿足，設(shè)備的干燥效果也因此受到影響。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)徐明娜研制的基于PLC的苜蓿太陽能干燥控制系統(tǒng)雖然運(yùn)行也較穩(wěn)定，但整體造價(jià)較為昂貴，并不適宜大規(guī)模推廣應(yīng)用。針對太陽能干燥監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、宜推廣性的設(shè)計(jì)需求，本文開發(fā)研制了一套基于STM32和FreeRTOS的實(shí)時(shí)嵌入式太陽能干燥監(jiān)測和控制系統(tǒng)，采用溫濕度傳感器AM2301對溫濕度進(jìn)行測量，并經(jīng)RS 485通信線路傳輸至PC上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對太陽能干燥室內(nèi)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測;采用數(shù)字PID控制鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與繼電器控制排氣扇啟停相配合完成對太陽能干燥室內(nèi)溫濕度的實(shí)時(shí)控制。上位機(jī)采用組態(tài)軟件編寫，具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，監(jiān)測與控制界面簡潔明了易操作。經(jīng)測試表明整個(gè)系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、反應(yīng)迅速、操作簡便等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)干燥作業(yè)中對干燥室內(nèi)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。

1 嵌入式太陽能干燥監(jiān)測和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式太陽能干燥實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制系統(tǒng)由PC上位機(jī)、嵌入式ARM處理器、AM2301溫濕度傳感器、RS 485通信電路、繼電器控制電路等組成。

AM2301采集到干燥室內(nèi)的實(shí)時(shí)溫濕度參數(shù)，由嵌入式ARM處理器經(jīng)RS 485通信線路傳輸至PC上位機(jī)進(jìn)行顯示與保存。上位機(jī)人工設(shè)定的干燥溫度經(jīng)RS 485通信線路傳至嵌入式處理器作為系統(tǒng)控制目標(biāo)量，以干燥室內(nèi)實(shí)際溫度作為輸入量調(diào)用PID控制算法。PID控制算法輸出量作為變頻器工作頻率對鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而實(shí)時(shí)增減送入熱風(fēng)量以實(shí)現(xiàn)對干燥室的恒溫控制。當(dāng)監(jiān)測到太陽能干燥室內(nèi)的濕度高于上位機(jī)設(shè)定的上限值時(shí)，繼電器觸點(diǎn)吸合控制排氣扇開啟將干燥室內(nèi)的過濕廢氣排空，達(dá)到濕度控制的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 嵌入式太陽能干燥監(jiān)測和控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式處理器選擇與應(yīng)用

嵌入式太陽能干燥實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制系統(tǒng)的主控處理器采用低功耗高速工業(yè)級芯片STM32F103VBT6(意法半導(dǎo)體)。STM32系列具有專為高性能、低成本、低功耗嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，內(nèi)部集成了優(yōu)異的安全時(shí)鐘模式、帶喚醒功能的低功耗模式、內(nèi)部RC振蕩器、內(nèi)嵌復(fù)位電路等，大大簡化了外圍電路設(shè)計(jì)，性能也有較大提高。STM32系列單片機(jī)還可便捷的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植，能夠滿足本嵌入式太陽能干燥實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

2.2 AM2301溫濕度采集電路設(shè)計(jì)

嵌入式太陽能干燥實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制系統(tǒng)采用AM2301濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊來獲取干燥室內(nèi)的實(shí)時(shí)溫濕度參數(shù)。AM2301包含有一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)高精度測溫元件，與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，并且每個(gè)傳感器都已在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。AM2301采用標(biāo)準(zhǔn)總線接口使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20 m以上。溫濕度采集電路如圖2所示。

AM2301傳感器的溫度測量范圍為-40～80℃，精度可達(dá)0.1 ℃;濕度測量范圍為0.1～99.9%RH，精度可達(dá)0.1%RH，完全能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。AM2301溫濕度傳感器測量分辨率為8位，單總線傳輸數(shù)據(jù)分為整數(shù)部分和小數(shù)部分，完整的一次數(shù)據(jù)傳輸為40位，具體數(shù)據(jù)格式如下所述：

32位數(shù)據(jù)位，其中8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)、8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)、8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)、8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù);8位校驗(yàn)位，為8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果后8位。

AM2301溫濕度部分讀取程序如下：

2.3 繼電器控制電路設(shè)計(jì)

當(dāng)監(jiān)測到干燥室內(nèi)濕度超過上位機(jī)設(shè)定的上限值時(shí)，STM32單片機(jī)將繼電器控制引腳電平拉高，繼電器觸點(diǎn)吸合控制排氣扇開啟;當(dāng)監(jiān)測到干燥室內(nèi)濕度降低至上限值以下時(shí)，STM32單片機(jī)將繼電器控制引腳電平拉低，繼電器觸點(diǎn)分離控制排氣扇關(guān)閉，完成過濕廢氣的排空工作。繼電器控制電路如圖3所示。

2.4 RS 485通信電路設(shè)計(jì)

太陽能干燥設(shè)備需要長時(shí)間工作在露天環(huán)境下，對通信電路的距離和抗干擾要求較高。針對此項(xiàng)要求，實(shí)時(shí)嵌入式太陽能干燥監(jiān)測和控制系統(tǒng)采用SP485R芯片組建RS 485通信控制電路實(shí)現(xiàn)與PC上位機(jī)的通信。SP485R應(yīng)用電路如圖4所示。