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

3 嵌入式太陽(yáng)能干燥監測和控制系統軟件設計

3.1 FreeRTOS在STM32上的移植

太陽(yáng)能干燥設備進(jìn)行干燥作業(yè)時(shí)對干燥室內的溫濕度要求較高：溫度過(guò)高會(huì )影響干燥物料的品質(zhì)，溫度過(guò)低或濕度過(guò)高又會(huì )降低干燥效率。這要求監測和控制系統應具有高實(shí)時(shí)性和可靠的穩定性，能夠快速反應并準確動(dòng)作，使干燥室內溫度能夠維持恒定且保證濕度在限定范圍之內?；诖?，將FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統移植到STM32嵌入式處理器以滿(mǎn)足設計需求。

FreeRTOS的實(shí)現主要由list.c、queue.c、croutine.c和tasks.c4個(gè)文件組成。list.c是一個(gè)鏈表的實(shí)現，主要供內核調度器使用;queue.c是一個(gè)隊列的實(shí)現，支持中斷環(huán)境與信號量控制;croutine.c和task.c是兩種任務(wù)的組織實(shí)現。對于croutine，各個(gè)任務(wù)共享同一個(gè)堆棧，使RAM的需求進(jìn)一步縮小，也正因如此，他的使用受到相對嚴格的限制。而task則是傳統的實(shí)現，各個(gè)任務(wù)使用各自的堆棧，支持完全的搶占式調度。FreeRTOS在STM32的移植大致由3個(gè)文件實(shí)現，一個(gè).h文件定義編譯器相關(guān)的數據類(lèi)型和中斷處理的宏定義;一個(gè).c文件實(shí)現任務(wù)的堆棧初始化、系統心跳的管理以及任務(wù)切換的請求;一個(gè).s文件實(shí)現具體的任務(wù)切換，具體如圖5所示。

FreeRTOS下可實(shí)現創(chuàng )建任務(wù)、刪除任務(wù)、掛起任務(wù)、恢復任務(wù)、設定任務(wù)優(yōu)先級、獲得任務(wù)相關(guān)信息等功能，在嵌入式太陽(yáng)能干燥實(shí)時(shí)監測和控制系統的程序設計中調用xTaskCreate()函數創(chuàng )建監測、通信、控制三個(gè)任務(wù)，程序任務(wù)按設定優(yōu)先級順序執行實(shí)現既定功能。

監測任務(wù)(vmonitorTask)實(shí)現對干燥室內溫濕度以及鼓風(fēng)機轉速的實(shí)時(shí)監測。嵌入式處理器將通過(guò)參數傳感器獲得的實(shí)時(shí)參數進(jìn)行保存。

通信任務(wù)(vcommunicateTask)實(shí)現上位機與嵌入式處理器的實(shí)時(shí)通信。嵌入式處理器接收PC上位機發(fā)送的干燥溫度和濕度上限值，并將收集到的溫濕度以及鼓風(fēng)機轉速參數發(fā)送至PC上位機進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

控制任務(wù)(vcontrolTask)實(shí)現干燥室內的溫濕度控制。PC上位機設定的干燥溫度作為系統控制目標量，參數傳感器測得的實(shí)時(shí)溫度作為輸入量調用PID算法，輸出量作為變頻器工作頻率調節鼓風(fēng)機轉速實(shí)現干燥室的恒溫控制。當干燥室內濕度超過(guò)PC上位機設定的濕度上限時(shí)，繼電器控制排氣扇動(dòng)作完成過(guò)濕廢氣的排空作業(yè)。

程序任務(wù)執行框圖如圖6所示。

3.2 PID控制的應用

太陽(yáng)能干燥設備運行時(shí)的系統參數無(wú)法通過(guò)有效的測量手段來(lái)獲得，從而無(wú)法建立精確的數學(xué)模型。因此，系統控制器的結構和參數必須依靠工程經(jīng)驗和現場(chǎng)調試來(lái)確定。在綜合考慮多種控制理論可行性并參照工程實(shí)踐的基礎上，嵌入式太陽(yáng)能干燥實(shí)時(shí)監測和控制系統選用數字PID控制技術(shù)來(lái)實(shí)現干燥室的恒溫控制。

嵌入式處理器以上位機設定干燥溫度作為系統控制目標量，以干燥室內實(shí)時(shí)溫度作為輸入量調用PID算法。PID輸出量作為變頻器工作頻率對鼓風(fēng)機轉速進(jìn)行實(shí)時(shí)調節，從而實(shí)時(shí)增減送入熱風(fēng)量以完成對于燥室的恒溫控制。

考慮到溫度調節的特性要求，本系統采用PI控制。即先根據被控對象的特性和一般慣例確定比例系數和積分系數的整定范圍，再通過(guò)手動(dòng)調節鼓風(fēng)機轉速記錄干燥室內溫度變化曲線(xiàn)并進(jìn)行分析，最終確定PID算法中比例系數為0.4，積分系數為6。

PID數字控制部分程序如下：

3.3 上位機軟件設計

本系統采用北京亞控公司的組態(tài)王軟件完成對上位機監測和控制界面的設計。上位機軟件實(shí)現對干燥室內溫濕度等參數的實(shí)時(shí)顯示以及恒溫干燥溫度、濕度上限的設定，設計選用Access2010數據庫作為記錄的數據庫，便于數據的保存與分析。

應用組態(tài)王軟件新建一個(gè)太陽(yáng)能干燥監測和控制系統，選用單片機通信協(xié)議并通過(guò)RS 485接口實(shí)現與嵌入式處理器的通信。上位機軟件界面采取分區設計，界面由顯示區和操作區構成。顯示區包括溫濕度、轉速、排氣扇狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示以及溫濕度變化趨勢圖。操作區可實(shí)現對恒溫干燥溫度和濕度上限的人工設定。上位機軟件界面如圖7所示。

4 運行測試結果與分析

目前本文設計的嵌入式太陽(yáng)能干燥實(shí)時(shí)監測和控制系統已經(jīng)在某農場(chǎng)的牧草干燥作業(yè)中順利運行了6個(gè)多月的時(shí)間。在前期的干燥作業(yè)中，在通過(guò)設置不同的溫濕度條件并對系統采集到的溫濕度數據以及對干燥物料品質(zhì)進(jìn)行分析研究的基礎上，確定最佳的干燥溫度與濕度上限以供后期規?；稍镒鳂I(yè)參考。在系統實(shí)際運行過(guò)程中，干燥室內實(shí)際溫度值與設定值間的誤差能夠保持在0.5 ℃以?xún)?，較為理想。使用本系統進(jìn)行干燥的牧草在干燥過(guò)程中為最佳溫濕度條件的恒溫適濕干燥，芳香性氨基酸以及蛋白質(zhì)保存較好，因此干燥后的牧草適口性好、家畜的消化能攝入量高，即牧草的干燥品質(zhì)較好，且單位耗電量?jì)H為0.15 kW·h/kg。表1是系統在2013年6月7日干燥作業(yè)中采集到的部分數據，系統設定干燥溫度為51℃，設定濕度上限為48%。