基于STM32和FreeRTOS的嵌入式太陽(yáng)能干燥實(shí)時(shí)監測和

摘要：以ARM Cortex—M3處理器STM32F103VBT6為核心，應用AM2301溫濕度傳感模塊實(shí)現對太陽(yáng)能干燥室內溫濕度參數的實(shí)時(shí)監測，采用數字PID控制技術(shù)控制鼓風(fēng)機的轉速，保持干燥室內的溫度穩定，并通過(guò)繼電器控制排氣扇的啟停使干燥室內濕度保持在設定上限之下。干燥室通過(guò)RS 485總線(xiàn)和上位機通信，上位機設定干燥室內的目標溫度和濕度上限，并實(shí)時(shí)顯示干燥室內溫度、濕度、鼓風(fēng)機轉速、排氣扇開(kāi)關(guān)狀態(tài)等參數。嵌入式系統軟件采用FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統，保證了系統的實(shí)時(shí)性和可靠性，實(shí)現對太陽(yáng)能干燥室內溫濕度的實(shí)時(shí)監測與控制。經(jīng)現場(chǎng)應用驗證了系統運行穩定，控制精度高，響應速度快。

0 引言

太陽(yáng)能是一種清潔可再生能源，應用前景十分廣闊。近年來(lái)，利用太陽(yáng)能進(jìn)行農產(chǎn)品、藥品的加工也因其節能、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(yáng)能干燥設備在進(jìn)行干燥作業(yè)時(shí)需要對干燥室內的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。沈陽(yáng)農業(yè)大學(xué)王勝利、付立思等人研制的基于A(yíng)T89C51的智能太陽(yáng)能干燥控制系統沒(méi)有進(jìn)行實(shí)時(shí)操作系統的移植，監測與控制的實(shí)時(shí)性要求無(wú)法得到妥善滿(mǎn)足，設備的干燥效果也因此受到影響。內蒙古農業(yè)大學(xué)徐明娜研制的基于PLC的苜蓿太陽(yáng)能干燥控制系統雖然運行也較穩定，但整體造價(jià)較為昂貴，并不適宜大規模推廣應用。針對太陽(yáng)能干燥監控系統實(shí)時(shí)性、穩定性、宜推廣性的設計需求，本文開(kāi)發(fā)研制了一套基于STM32和FreeRTOS的實(shí)時(shí)嵌入式太陽(yáng)能干燥監測和控制系統，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(xiàn)路傳輸至PC上位機，實(shí)現了對太陽(yáng)能干燥室內溫濕度的實(shí)時(shí)監測;采用數字PID控制鼓風(fēng)機轉速與繼電器控制排氣扇啟停相配合完成對太陽(yáng)能干燥室內溫濕度的實(shí)時(shí)控制。上位機采用組態(tài)軟件編寫(xiě)，具有適應性強、開(kāi)放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，監測與控制界面簡(jiǎn)潔明了易操作。經(jīng)測試表明整個(gè)系統具有運行穩定、反應迅速、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，能夠實(shí)現干燥作業(yè)中對干燥室內溫濕度的實(shí)時(shí)監測與控制。

1 嵌入式太陽(yáng)能干燥監測和控制系統設計

嵌入式太陽(yáng)能干燥實(shí)時(shí)監測和控制系統由PC上位機、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采集到干燥室內的實(shí)時(shí)溫濕度參數，由嵌入式ARM處理器經(jīng)RS 485通信線(xiàn)路傳輸至PC上位機進(jìn)行顯示與保存。上位機人工設定的干燥溫度經(jīng)RS 485通信線(xiàn)路傳至嵌入式處理器作為系統控制目標量，以干燥室內實(shí)際溫度作為輸入量調用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)機的轉速進(jìn)行實(shí)時(shí)調節，從而實(shí)時(shí)增減送入熱風(fēng)量以實(shí)現對干燥室的恒溫控制。當監測到太陽(yáng)能干燥室內的濕度高于上位機設定的上限值時(shí)，繼電器觸點(diǎn)吸合控制排氣扇開(kāi)啟將干燥室內的過(guò)濕廢氣排空，達到濕度控制的目的。系統結構框圖如圖1所示。

2 嵌入式太陽(yáng)能干燥監測和控制系統硬件設計

2.1 嵌入式處理器選擇與應用

嵌入式太陽(yáng)能干燥實(shí)時(shí)監測和控制系統的主控處理器采用低功耗高速工業(yè)級芯片STM32F103VBT6(意法半導體)。STM32系列具有專(zhuān)為高性能、低成本、低功耗嵌入式應用設計的ARM Cortex-M3內核，內部集成了優(yōu)異的安全時(shí)鐘模式、帶喚醒功能的低功耗模式、內部RC振蕩器、內嵌復位電路等，大大簡(jiǎn)化了外圍電路設計，性能也有較大提高。STM32系列單片機還可便捷的實(shí)現實(shí)時(shí)操作系統的移植，能夠滿(mǎn)足本嵌入式太陽(yáng)能干燥實(shí)時(shí)監測和控制系統的設計需求。

2.2 AM2301溫濕度采集電路設計

嵌入式太陽(yáng)能干燥實(shí)時(shí)監測和控制系統采用AM2301濕敏電容數字溫濕度模塊來(lái)獲取干燥室內的實(shí)時(shí)溫濕度參數。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位單片機相連接，具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性?xún)r(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室中進(jìn)行校準。AM2301采用標準總線(xiàn)接口使系統集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達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0.1 ℃;濕度測量范圍為0.1～99.9%RH，精度可達0.1%RH，完全能夠滿(mǎn)足本系統的設計需要。AM2301溫濕度傳感器測量分辨率為8位，單總線(xiàn)傳輸數據分為整數部分和小數部分，完整的一次數據傳輸為40位，具體數據格式如下所述：

32位數據位，其中8位濕度整數數據、8位濕度小數數據、8位溫度整數數據、8位溫度小數數據;8位校驗位，為8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據結果后8位。

AM2301溫濕度部分讀取程序如下：

2.3 繼電器控制電路設計

當監測到干燥室內濕度超過(guò)上位機設定的上限值時(shí)，STM32單片機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(kāi)啟;當監測到干燥室內濕度降低至上限值以下時(shí)，STM32單片機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(guò)濕廢氣的排空工作。繼電器控制電路如圖3所示。

2.4 RS 485通信電路設計

太陽(yáng)能干燥設備需要長(cháng)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。針對此項要求，實(shí)時(shí)嵌入式太陽(yáng)能干燥監測和控制系統采用SP485R芯片組建RS 485通信控制電路實(shí)現與PC上位機的通信。SP485R應用電路如圖4所示。