基于ＳＰＣＥ０６１Ａ的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：溫度濕度指標(biāo)是許多工作環(huán)境的重要參數(shù)。創(chuàng)新性地研究在16位高性能單片機(jī)SPCE061A上移植μC/OSⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，選用高性能溫濕度傳感器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高精度嵌入式實(shí)時(shí)溫濕度測(cè)量控制系統(tǒng)，介紹硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及μC/OSⅡ移植方法，對(duì)于實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度控制具有重要意義。該系統(tǒng)具有易擴(kuò)展、高可靠性、實(shí)時(shí)性高、精度高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：溫度指標(biāo)； 濕度指標(biāo)；溫濕度測(cè)控系統(tǒng)；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN401 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1618603

Design and Realization of TemperatureHumidity Measuring

Controlling System Based on SPCE061A

ZHENG Dongqiang，WAN Yan，ZHANG Pingchuan

(Luohe Vocational Technical College，Luohe，462002，China)

Abstract：The index of temperature humidity is important parameters in many work environments.The innovative research is that the realtime operation system μC/OSⅡ is embedded into microchip SPCE061A to design and realize a system of temperaturehumidity measure control by choosing high performance sensors of temperature and humidity，it mainly introduces the hardware，the software，the program and the transplanting method of μC/OSⅡ respectively. And it is significant in controllinging the temperature humidity satisfied.The experience show that the system with characters of easy extendibility，high stability，goog reliability，high precision and practical realtime.

Keywords：temperature index;humidity index;temperaturehumidity measuringcontrolling system;realtime operation system

倉(cāng)庫(kù)管理、圖書館等很多工作場(chǎng)所的環(huán)境對(duì)溫、濕度指標(biāo)有嚴(yán)格要求。傳統(tǒng)的人工測(cè)量控制以及目前的非實(shí)時(shí)性單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)不易實(shí)時(shí)保障溫、濕度指標(biāo)。本文采用凌陽(yáng)公司高性能16位單片機(jī)SPCE061A和μC/OSⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)以及高精度DS18B20溫度傳感器和HIH3605濕度傳感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)控制系統(tǒng)。溫濕度控制的精度分別達(dá)到：溫度(-10~85 ℃)±0.5 ℃；濕度(20%~98%RH)±3%RH。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制芯片選用SPCE061A^［1］，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該芯片是凌陽(yáng)公司推出的一款高性價(jià)比的16位單片機(jī)，其主要特性是：工作電壓：內(nèi)核工作電壓VDD為3.0～3.6 V(CPU)，I/O口工作電壓VDDH為VDD～5.5 V(I/O)；CPU時(shí)鐘：0.32～49.152 MHz；內(nèi)置2 k字SRAM和32 k閃存ROM；系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài))，耗電小于2 μA@3.6V；具備觸鍵喚醒的功能；32位通用可編程輸入/輸出端口；2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)；7通道10位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；2個(gè)10位DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換)輸出通道；14個(gè)中斷源可來自定時(shí)器A / B，時(shí)基，2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入、鍵喚醒；具備串行設(shè)備接口；低電壓復(fù)位(LVR)和低電壓監(jiān)測(cè)(LVD)功能；內(nèi)置在線仿真(In Circuit Emulation，ICE)。 另外16位單片機(jī)具有易學(xué)易用的效率較高的一套指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境。在此環(huán)境中，支持標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn)C語(yǔ)言與凌陽(yáng)匯編語(yǔ)言的互相調(diào)用。

圖2為溫度、濕度測(cè)控系統(tǒng)硬件原理示意框圖。下面主要介紹溫度和濕度測(cè)量電路。

1.1 溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)電路選用Dalls公司生產(chǎn)的DS18B20 ^［2］。DS18B20是“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器，測(cè)量溫度范圍為-55~125 ℃，在-10~+85 ℃范圍內(nèi)，精度為±0.5 ℃。該器件只有3個(gè)引腳(即電源VDD、地線GND、數(shù)據(jù)線DQ)，不需要外部元件，一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信。考慮到濕度傳感器的工作條件-40~+85 ℃，設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測(cè)溫度范圍設(shè)計(jì)為-10~+85 ℃，精度為0.5 ℃，已經(jīng)能夠滿足絕大多數(shù)工作環(huán)境的要求；用9 b數(shù)字量來表示溫度；每次將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需200 ms。在單總線工作方式下，允許1條信號(hào)線上掛接多個(gè)DS18B20，DS18B20都有惟一的ROM代碼(64位產(chǎn)品序列號(hào))。在多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)中，ROM代碼是識(shí)別和操作DS18B20的基礎(chǔ)；無論讀取還是選擇對(duì)某一個(gè)傳感器進(jìn)行操作，主機(jī)必須發(fā)送64位ROM代碼。圖3為溫度測(cè)量和控制電路示意圖。

在實(shí)際系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)都是無限循環(huán)的，分別實(shí)現(xiàn)某一特定的功能，由μC/OSⅡ內(nèi)核來進(jìn)行調(diào)度。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先調(diào)用oshiint()進(jìn)行初始化，μC/OSⅡ所有的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再調(diào)用Init()初始化微控制器的定時(shí)器等，通過調(diào)用OSTaskCreat（）依次創(chuàng)建各個(gè)任務(wù)，并且分配任務(wù)優(yōu)先權(quán)，所有新建立任務(wù)被置為就緒態(tài)。最后調(diào)用OSStart()啟動(dòng)系統(tǒng)，開始多任務(wù)調(diào)度。

本系統(tǒng)用2塊DS18B20實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)，保證在被測(cè)環(huán)境范圍內(nèi)，溫度分布均勻，測(cè)量更加準(zhǔn)確，使用時(shí)將DS18B20放置在被測(cè)環(huán)境的不同位置。獲得溫度信息時(shí)，先由SPCE061A的IOA8腳發(fā)送1個(gè)1 ms的復(fù)位脈沖，以使DS18B20復(fù)位后將向SPCE061A發(fā)送1個(gè)回應(yīng)脈沖，SPCE061A接到回應(yīng)脈沖后將發(fā)送讀DS18B20序列號(hào)的讀ROM命令，以分別讀取3個(gè)DS18B20的序列號(hào)(每1塊DS18B20有惟一的序列號(hào))；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IOA8腳會(huì)發(fā)送DS1820的存儲(chǔ)命令，從而完成溫度信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和讀取。

1.2 濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

濕度傳感器采用Honeywell公司生產(chǎn)的HIH3605^［2］，它為熱固性聚合物電容傳感器，帶集成信號(hào)處理電路，5 V恒壓供電，放大線形電壓輸出0~5 VDC對(duì)應(yīng)0~100%RH（相對(duì)濕度），精度為±3%RH。低功耗設(shè)計(jì)200 μA驅(qū)動(dòng)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(hào)輸出且線性度良好，因此，可省去復(fù)雜的信號(hào)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(duì)，然后決定是進(jìn)行加濕還是通風(fēng)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要任務(wù)包括：設(shè)置、修改、顯示儀表的參數(shù)；檢測(cè)、計(jì)算、顯示溫度、濕度等參數(shù)；溫、濕度狀態(tài)指示及報(bào)警輸出；定時(shí)存儲(chǔ)各種檢測(cè)及運(yùn)算參數(shù)。本系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫、模塊化結(jié)構(gòu)和程序調(diào)用的方法。一般的嵌入式軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是采用前后臺(tái)式的設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)的前后臺(tái)式的單任務(wù)軟件設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足工程的需要，因此設(shè)計(jì)中引入了μC/OSⅡ，采用多任務(wù)式的軟件設(shè)計(jì)方法。將μC/OSⅡ移植到SPCE061A微處理器上后，接下來的工作就是對(duì)操作系統(tǒng)本身的擴(kuò)充。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

按溫濕度測(cè)控系統(tǒng)所要求實(shí)現(xiàn)的功能，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為并行存在的任務(wù)層和中斷程序。系統(tǒng)中并行存在的幾個(gè)任務(wù)按優(yōu)先級(jí)從高到低依次是：系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)、數(shù)據(jù)輸出任務(wù)、顯示任務(wù)。溫濕度測(cè)控系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將強(qiáng)行剝奪運(yùn)行態(tài)任務(wù)CPU的使用權(quán)，將它轉(zhuǎn)入中斷態(tài)保存相關(guān)數(shù)據(jù)到堆棧區(qū)之后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在中斷返回后，系統(tǒng)返回函數(shù)將重新進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，將優(yōu)先權(quán)最高的就緒態(tài)轉(zhuǎn)換為運(yùn)行態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換主程序和外部中斷0服務(wù)程序。A/D轉(zhuǎn)換主程序主要實(shí)現(xiàn)SPCE061A硬件初始化、實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。采集數(shù)據(jù)程序流程圖如圖5所示。

3 μC/OSⅡ的移植

μC/OSⅡ是一種專門為微控制器設(shè)計(jì)的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)^［3］，它以源代碼的形式給出。其內(nèi)核主要提供進(jìn)程管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理等服務(wù)。系統(tǒng)最多支持56個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)均有一個(gè)獨(dú)有的優(yōu)先級(jí)。由于其內(nèi)核為搶先式，所以總是處于運(yùn)行態(tài)最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)占用CPU。系統(tǒng)提供了豐富的API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的通信以及進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。

多任務(wù)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)每個(gè)任務(wù)好像獨(dú)立占用CPU一樣，因此系統(tǒng)必須為每個(gè)任務(wù)開辟一塊內(nèi)存空間作為該任務(wù)的任務(wù)堆棧。該堆棧的作用是保存任務(wù)被切換前時(shí)CPU各寄存器的值以及系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行任務(wù)切換時(shí)需要完成的工作，主要步驟如下：

(1) 將當(dāng)前任務(wù)CPU所有的寄存器壓棧；

(2) 將CPU系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)全部拷貝到當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)堆棧中；

(3) 得到下一個(gè)處于運(yùn)行態(tài)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)的任務(wù)堆棧的指針；

(4) 恢復(fù)下一個(gè)任務(wù)的CPU寄存器的值；

(5) 恢復(fù)下一個(gè)任務(wù)的系統(tǒng)堆棧中的數(shù)據(jù)；

(6) 通過中斷返回指令或函數(shù)返回指令，間接修改PC寄存器的值來進(jìn)行任務(wù)切換。

在為μCOSⅡ編寫任務(wù)切換代碼時(shí)需要注意：μCOSⅡ在每次發(fā)生中斷后都會(huì)產(chǎn)生任務(wù)調(diào)度，但在中斷結(jié)束后進(jìn)行的任務(wù)切換，不能調(diào)用普通任務(wù)切換函數(shù)，這是因?yàn)樵谥袛噙^程中往往伴隨將CPU的狀態(tài)寄存器壓棧操作。在中斷后，芯片將PC和SR寄存器的值壓入堆棧，因此，在中斷結(jié)束后進(jìn)行的任務(wù)切換中必須對(duì)堆棧指針進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用SPCE061A CPU結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OSⅡ，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度濕度實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)。在溫度-10~85 ℃和濕度20%~98%RH，可任意設(shè)定溫濕度控制點(diǎn)，而且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫、濕度的變化情況，并記錄、存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。另外，該系統(tǒng)便于功能擴(kuò)展，測(cè)控精度高、可靠性高、系統(tǒng)成本低、易操作、易維護(hù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 鄭冬強(qiáng) 男，1972年出生，河南舞陽(yáng)人，漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。主要從事電工電子以及嵌入式系統(tǒng)教學(xué)工作。

萬 琰 男，1971年出生，河南信陽(yáng)人，漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。主要從事電子技術(shù)教學(xué)及科研工作。

張平川 男，1968年出生，河南舞陽(yáng)人，漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士。主要從事電子與嵌入式系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)教學(xué)科研工作。