基于μc/OS-II的多傳感器測控系統(tǒng)研究

　　1 引言

　　隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,原來單一傳感器的嵌入式系統(tǒng)逐漸向嵌入式多傳感器系統(tǒng)發(fā)展。由此提出了多傳感器任務(wù)調(diào)度分配的問題。本文結(jié)合紅薯保鮮儲藏工程涉及到的溫度濕度氧濃度等參數(shù)要求,采用高性能16位單片機(jī)SPCE061A作為控制芯片,移植可裁剪的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)μc/OS-II管理多任務(wù)的處理,選用高精度溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HIH3605、氧濃度傳感器DW-02構(gòu)建了一個高精度高性能高可靠性的多傳感器嵌入式測控系統(tǒng),各個被控參數(shù)可調(diào)范圍寬,較好的滿足了工程要求。系統(tǒng)的主要參數(shù)：工作溫度：10～14℃±0.5℃;工作濕度：80～95%RH±5%;氧濃度：≮4.5%。同時,實現(xiàn)了溫濕度數(shù)據(jù)的顯示與保存;可輸出溫度、濕度、氧濃度等調(diào)節(jié)的控制信號,具有故障和報警狀態(tài)提示等功能。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件電路原理框圖如圖1所示,主要由SPCE061A單片機(jī)、溫濕度傳感器、氧濃度度傳感器、LCD顯示電路、鍵盤電路、RS232通信電路、時鐘電路等組成。SPCE061A是一款基于μ'nSP內(nèi)核的16位單片機(jī)。

　　圖1　系統(tǒng)硬件電路原理框圖

　　2.2 傳感器電路設(shè)計

　　溫度檢測電路選用Dalls公司生產(chǎn)的三線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該器件只有3個引腳,不需要外部元件,一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信。該電路的檢測溫度范圍設(shè)計為0~+50℃;精度為0.5℃;用9bit數(shù)字量來表示溫度;每次將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需200ms。在單總線工作方式下,允許一條信號線上掛接多個DS18B20,DS18B20都有唯一的ROM代碼。在多點溫度測控系統(tǒng)中,ROM代碼是識別和操作DS18B20的基礎(chǔ);無論讀取還是選擇對某一個傳感器進(jìn)行操作,SPCE061A必須發(fā)送64位ROM代碼。

　　本系統(tǒng)用3塊DS18B20來實現(xiàn)對環(huán)境溫度的檢測,保證在被測環(huán)境范圍內(nèi),溫度分布均勻,測量更加準(zhǔn)確,使用時將DS18B20放置在被測環(huán)境的不同位置。獲得溫度信息時,先由SPCE061A的IOB15腳發(fā)送一個1ms的復(fù)位脈沖,以使DS18B20復(fù)位后將向SPCE061A 發(fā)送一個回應(yīng)脈沖,SPCE061A接到回應(yīng)脈沖后將發(fā)送讀DS18B20序列號的讀ROM命令,以分別讀取三個DS18B20的序列號;然后,SPCE061A再發(fā)出定位命令以選擇在線的DS1820并進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換完成后,SPCE061A的IOB15腳會發(fā)送DS1820的存儲命令,從而完成溫度信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和讀取。

　　2路濕度傳感器采用Honeywell公司生產(chǎn)的HIH3605,它為熱固性聚合物電容傳感器,帶集成信號處理電路,5 V恒壓供電, 放大線形電壓輸出0~5VDC對應(yīng)0~100%RH(相對濕度),精度為±3%RH。低功耗設(shè)計200μA驅(qū)動電流,寬工作溫度范圍-40℃~+85℃,穩(wěn)定性好,低的溫度飄移,抗化學(xué)腐蝕性能優(yōu)良。由于HIH3605為大信號輸出且線性度良好,因此,可省去復(fù)雜的信號放大及整形電路,只需經(jīng)過CPU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器將與濕度值成正比的電壓值轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字量,和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對,然后決定是進(jìn)行加濕還是通風(fēng)(溫度適宜的風(fēng))。

　　2路氧濃度檢測選用 DW-02型氧濃度傳感器,該傳感器是一種化學(xué)式的氣體擴(kuò)散型燃料電池,廣泛應(yīng)用在環(huán)保節(jié)能、航天等領(lǐng)域,用以小環(huán)境氧濃度監(jiān)測。主要特點是體積小、響應(yīng)快、線性好、溫漂小等特點,穩(wěn)定。主要技術(shù)指標(biāo): 響應(yīng)時間≤30秒(滿量程的90%) ;測量范圍0～50% O2 ;溫度系數(shù)>0.003% O2/℃ ;線性誤差+0.2%～-0.1% O2 ;使用溫度范圍-20℃～+50℃ ;輸出電流1.1mA+15% 。 本系統(tǒng)測定的含氧量不得低于4.5%。

　　由于是冬季,當(dāng)儲藏室環(huán)境溫度高于14℃或濕度大于95%RH、或氧濃度低于4.5%設(shè)定值時,不能直接將冷空氣送入儲藏室,必須將室外空氣加熱到12℃送入,否則,會造成紅薯受冷變質(zhì)。三個參數(shù)中,最主要的是溫度值,然后是濕度。繼電器電路的工作情況如表1所示。

　　表1 繼電器控制電路工作情況

　　2.3 鍵盤、顯示電路及通信接口設(shè)計

　　系統(tǒng)鍵盤電路由3根線連接至SPCE061A的IOA0~IOA2組成,它們分別是功能鍵,增加鍵,減少鍵,用來實現(xiàn)溫、濕度氧濃度的上、下限及控制時間的設(shè)置功能。測控儀采用HT1621驅(qū)動128段LCD顯示器,用于顯示現(xiàn)場的溫、濕度值、O2濃度以及故障和報警狀態(tài)。HT1621是一個128(32×4)段、內(nèi)存映射、多功能、I2C接口的LCD驅(qū)動器。這里利用其兩線串行模式與單片機(jī)接口,簡化了與單片機(jī)的接口電路設(shè)計,并減少了硬件資源的占用。

　　為了將實時采集的氧濃度、溫濕度數(shù)值保存下來,SPCE061A通過IOB7/10 RS232總線將氧濃度溫濕度值傳輸給上位PC機(jī),以便于主計算機(jī)完成數(shù)據(jù)存儲。