一种嵌入式的太阳能干燥实时监控系统的设计方案（1）

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[导读] 本文以ARM Cortex-M3处理器STM32F103VBT6为核心，提出了一种嵌入式的太阳能干燥实时监控系统的设计方案。该方案应用AM2301温湿度传感模块实现对太阳能干燥室内温湿度参数的实时监测，采用数字PID控制技术控制鼓风机的转速，保持干燥室内的温度稳定，并通过继电器控制排气扇的启停使干燥室内湿度保持在设定上限之下。
关键词：实时监控系统上位机太阳能

　　干燥室通过RS 485总线和上位机通信，上位机设定干燥室内的目标温度和湿度上限，并实时显示干燥室内温度、湿度、鼓风机转速、排气扇开关状态等参数。嵌入式系统软件采用FreeRTOS实时操作系统，保证了系统的实时性和可靠性，实现对太阳能干燥室内温湿度的实时监测与控制。经现场应用验证了系统运行稳定，控制精度高，响应速度快，从而证实了本方案具有较强的实用性。
　　0 引言
　　太阳能是一种清洁可再生能源，应用前景十分广阔。近年来，利用太阳能进行农产品、药品的加工也因其节能、干燥时间短、干燥品质高等特点而发展十分迅速。为保证干燥物料的品质与干燥效率，太阳能干燥设备在进行干燥作业时需要对干燥室内的温湿度进行实时监控。沈阳农业大学王胜利、付立思等人研制的基于AT89C51的智能太阳能干燥控制系统没有进行实时操作系统的移植，监测与控制的实时性要求无法得到妥善满足，设备的干燥效果也因此受到影响。内蒙古农业大学徐明娜研制的基于PLC的苜蓿太阳能干燥控制系统虽然运行也较稳定，但整体造价较为昂贵，并不适宜大规模推广应用。
　　针对太阳能干燥监控系统实时性、稳定性、宜推广性的设计需求，本文提出了一套基于STM32和FreeRTOS的实时嵌入式太阳能干燥监测和控制系统的设计方案，方案采用温湿度传感器AM2301对温湿度进行测量，并经RS 485通信线路传输至PC上位机，实现了对太阳能干燥室内温湿度的实时监测；采用数字PID控制鼓风机转速与继电器控制排气扇启停相配合完成对太阳能干燥室内温湿度的实时控制。上位机采用组态软件编写，具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点，监测与控制界面简洁明了易操作。经测试表明整个系统具有运行稳定、反应迅速、操作简便等特点，能够实现干燥作业中对干燥室内温湿度的实时监测与控制。
　　1 嵌入式太阳能干燥监测和控制系统设计
　　嵌入式太阳能干燥实时监测和控制系统由PC上位机、嵌入式ARM处理器、AM2301温湿度传感器、RS 485通信电路、继电器控制电路等组成。
　　AM2301采集到干燥室内的实时温湿度参数，由嵌入式ARM处理器经RS 485通信线路传输至PC上位机进行显示与保存。上位机人工设定的干燥温度经RS 485通信线路传至嵌入式处理器作为系统控制目标量，以干燥室内实际温度作为输入量调用PID控制算法。PID控制算法输出量作为变频器工作频率对鼓风机的转速进行实时调节，从而实时增减送入热风量以实现对干燥室的恒温控制。当监测到太阳能干燥室内的湿度高于上位机设定的上限值时，继电器触点吸合控制排气扇开启将干燥室内的过湿废气排空，达到湿度控制的目的。系统结构框图如图1所示。

　　

　　2 嵌入式太阳能干燥监测和控制系统硬件设计
　　2.1 嵌入式处理器选择与应用
　　嵌入式太阳能干燥实时监测和控制系统的主控处理器采用低功耗高速工业级芯片STM32F103VBT6（意法半导体）。STM32系列具有专为高性能、低成本、低功耗嵌入式应用设计的ARM Cortex-M3内核，内部集成了优异的安全时钟模式、带唤醒功能的低功耗模式、内部RC 振荡器、内嵌复位电路等，大大简化了外围电路设计，性能也有较大提高。STM32系列单片机还可便捷的实现实时操作系统的移植，能够满足本嵌入式太阳能干燥实时监测和控制系统的设计需求。
　　2.2 AM2301温湿度采集电路设计
　　嵌入式太阳能干燥实时监测和控制系统采用AM2301 湿敏电容数字温湿度模块来获取干燥室内的实时温湿度参数。AM2301 包含有一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，与一个高性能8位单片机相连接，具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点，并且每个传感器都已在极为精确的湿度校验室中进行校准。AM2301 采用标准总线接口使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20 m以上。温湿度采集电路如图2所示。

　　

　　AM2301传感器的温度测量范围为-40~80 ℃，精度可达0.1 ℃；湿度测量范围为0.1~99.9% RH，精度可达0.1% RH，完全能够满足本系统的设计需要。AM2301温湿度传感器测量分辨率为8位，单总线传输数据分为整数部分和小数部分，完整的一次数据传输为40位，具体数据格式如下所述：
　　32位数据位，其中8位湿度整数数据、8位湿度小数数据、8 位温度整数数据、8 位温度小数数据；8 位校验位，为8 位湿度整数数据+8 位湿度小数数据+8 位温度整数数据+8位温度小数数据结果后8位。
　　AM2301温湿度部分读取程序如下：