基于STM32和FreeRTOS的嵌入式太陽(yáng)能干燥實(shí)時(shí)監測和控制系統設計

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。

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%。

5 結語(yǔ)

本文詳細介紹了基于STM32和FreeRTOS的嵌入式太陽(yáng)能干燥實(shí)時(shí)監測和控制系統的設計與實(shí)現。采用具有Contex-M3內核的STM32嵌入式微處理器，使系統小型化，且便于提高性能以及與各種外設連接擴展。將嵌入式實(shí)時(shí)操作系統FreeRTOS移植到STM32，使系統運行更加穩定，具有高實(shí)時(shí)性、抗干擾能力強等特點(diǎn)。系統整體造價(jià)較為低廉，宜于推廣使用，且經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)應用驗證：采用本嵌入式太陽(yáng)能干燥實(shí)時(shí)監測和控制系統的干燥設備更加節能高效，干燥物料的品質(zhì)也有所提高。