基于ARM7 S3C44B0X處理器的空氣質量監測儀設計

康凱

基于ARM7 S3C44B0X處理器的空氣質量監測儀設計

康凱

（中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所 河南洛陽 471000）

當前人民生活水平的提高，人們對環境問題及健康問題日益重視，室內空氣品質狀況受到越來越多的重視。人的一生中有2/3的時間是在居室內度過的。本文研究的室內便攜式智能空氣品質監測儀是以室內空氣中有毒有害氣體的監測監控為背景，基于三星ARM7 S3C44B0X處理器的室內空氣質量監測儀設計，三星S3C44B0X 16/32位RISC處理器被設計來為手持設備等提供一個低成本高性能的方案。智能空氣品質監測儀體積小，功耗低，操作簡單，適合應用于家庭和社區的醫療健康保健，能夠實時知道空氣的質量。

空氣質量；ARM；S3C44B0X處理器；μC/OS-Ⅱ

1 引言

空氣質量的好壞反映了空氣污染程度，其依據空氣中污染物濃度的高低來進行衡量。來自固定和流動污染源的污染物排放大小是影響空氣質量的最主要因素之一?？諝赓|量檢測種類包括裝修污染、辦公室內空氣檢測、作業場所有害物質檢測、食堂油煙檢測、鍋爐大氣及工業窯爐檢測及工廠排放工業廢氣檢測。人類正面臨煤煙污染、光化學煙霧污染之后，又出現了室內空氣污染為主的第三次環境污染。在室內空氣中存在五百多種揮發性有機物，其中致癌物質就有二十多種，致病病毒二百多種。危害較大的主要有，氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。大量觸目驚心的事實證實，室內空氣污染已成為危害人類健康的“隱形殺手”，也成為全世界各國共同關注的問題。全球近一半的人處于室內空氣污染中，室內環境污染已經引起35.7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺病和15%的氣管炎、支氣管炎和肺癌。本系統采用三星ARM7 S3C44B0X處理器芯片作為硬件核心，選用μC/OS-Ⅱ實時操作系統作為嵌入式軟件的基礎和開發平臺。芯片內集成了ARM7TDMI核，并在ARM7TDMI核基本功能的基礎上集成了豐富的外圍功能模塊，便于低成本設計嵌入式應用系統。μC/OS-Ⅱ是一個完整的、源碼公開的、可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務內核。其中μC/OS-ⅡV2.52通過了美國航天管理局的安全認證，可以用于飛機、航天器等與人生命攸關的控制系統中，是值得放心使用的操作系統。實踐結果證明，該監測儀操作簡單，工作穩定可靠，成本低，具有廣闊的應用前景。

2 檢測儀總體設計

嵌入式監測系統由硬件層、中間層、軟件層、功能層組成，其中板級支持包（BSP）或稱硬件抽象層（HAL）的功能在于將系統軟件和底層硬件部分隔離，一般具有相關硬件的初始化、數據的輸入/輸出操作、硬件設備的配置等功能。由于嵌入式操作系統屏蔽掉了很多底層硬件的復雜信息，在開發的過程中，通過操作系統提供的API函數便可以完成大部分工作，可以簡化開發過程，提高系統的穩定性，所以該監測儀選用采用嵌入式操作系統。

3 系統硬件部分設計

3.1 系統硬件基本架構

該氣體檢測儀的傳感器陣列電路，其中包括傳感器加熱電路、傳感器信號采集電路；典型的S3C44B0x的外圍電路，其中包括實現該系統所需要的5V、3.3V、2.5V、1.4V的電壓轉換電路、用于程序和數據存儲的Flash存儲器和Sdram存儲器電路、用于顯示各種氣體當前濃度的液晶顯示電路、聲光報警電路、鍵盤操作電路以及用于調試的JTAG接口電路。

3.2 信號拾取原理

該設計中選用的MQ-135氣體傳感器適用于測量甲醛、甲苯、煙霧、二氧化碳等有害氣體；MQ-9傳感器用于測量一氧化碳、甲烷、液化石油氣這類可燃氣體；選用了DHT21溫濕度傳感模塊進行溫濕度的測量。MQ-135和MQ-9的測量電路。該測量電路由測試回路和加熱回路兩部分組成。在測試回路中，傳感器表面電阻RS阻值隨待測氣體濃度的變化而變化，通過與其串聯的負載RL上有效電壓信號VRL的輸出來反應空氣中待測氣體的濃度。加熱電壓VH，MQ-135采用5V直流電壓作為加熱電壓；MQ-9采用5V高電壓、1.4V低電壓循環加熱的方式。對于MQ-9，當VH=5V時，清洗傳感器；VH=1.4V時，傳感器工作，可以采集氣體濃度，高電平持續時間為60s，低電平持續時間為90s。

4 軟件部分設計

在設計一個簡單的應用程序時，可以不使用操作系統，但在設計較復雜的程序時，可能就需要一個操作系統來管理和控制內存、多任務、周邊資源。以RTOS為軟件開發平臺把設計分割為若干獨立的任務，應用程序的設計過程可以大為簡化。該設計中采用μC/OS-Ⅱ占先式實時操作系統來完成多任務之間的調度和同步。在開啟多任務調度之前，首先要進行系統硬件初始化，為隨后的操作系統初始化和應用程序的運行建立硬件和軟件環境；進行操作系統初始化，創建應用程序環境；根據系統需要，要進行LCD初始化、裝載字庫；調用系統配置文件；創建任務，包括主任務和應用任務；然后初始化用戶界面和系統時鐘。以上所有的工作都完成之后，通過執行OSStart（）；來啟動多任務調度。為了充分發揮操作系統在任務調度、任務管理、任務通信、時間管理和內存管理等方面的優勢，首先必須根據需要實現的功能，合理地劃分任務和分配任務的優先級。任務優先級的確定原則是工作頻率越高，任務的優先級越高。系統中并行存在七個應用任務，按優先級從高到低依次是模擬信號采集任務、模擬信號處理任務、數字信號采集任務、系統時間修正任務、液晶刷新任務、鍵盤掃描任務、液晶自動關閉任務。任務之間的通信是通過發送或接收消息、信號量或數據隊列來實現的。μC/OS-Ⅱ操作系統上允許同時運行64個任務，其中八個任務被系統的內核使用。要想在應用程序中建立一個新的任務，必須先為任務定義自己的棧空間，選定一個系統唯一的任務優先級。下面以鍵盤掃描任務為例，具體程序見程序清單。

本文主要介紹了基于S3C44B0x和μC/OS-Ⅱ的室內空氣質量監測系統的軟、硬件設計方案以及系統中氣體傳感器的工作原理。由于室內各種環境因子相互影響，而本系統的控制輸出僅為簡單的百分比信號量，引入模糊算法，專家系統等技術以進一步提高系統的智能決策水平。

[1]何鑫，杜國慶，梅力，阮晶晶.便攜式空氣質量監測儀的研究[J].電子世界，2015（1）.

[2]賀安坤，陳明，郝紅旗.基于S3C44B0X微處理器稅控收款機系統的設計[J].微計算機信息，2006（1）.

TP332

A

1004-7344（2016）31-0225-01

2016-10-18

康凱（1980-），男，河南鄭州人，工程師，大學本科，研究方向為嵌入式軟硬件、自動化控制系統。