基于μC/OS-II的糧食水分在線檢測系統(tǒng)設(shè)計

郭華杰，吳才章

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州　450001）

基于μC/OS-II的糧食水分在線檢測系統(tǒng)設(shè)計

郭華杰，吳才章

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

針對當(dāng)前糧食水分檢測精度低以及在線實時檢測困難的情況，使用經(jīng)過實驗標(biāo)定的MS-S-2001微波水分傳感器，采用將μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)移植到STM32單片機的方法；利用μC/OS-II的郵箱通信機制實現(xiàn)對MS-S-2001的數(shù)據(jù)采集，由μC/OS-II的可搶占式原則進行系統(tǒng)多任務(wù)調(diào)度，結(jié)合STM32的FSMC總線，實現(xiàn)對人機界面的繪制、實時數(shù)據(jù)顯示及水分動態(tài)曲線繪制。經(jīng)過小麥水分實驗的驗證研究表明，該檢測系統(tǒng)具有實時性好、穩(wěn)定性強、可靠性高等優(yōu)點，其水分測量誤差控制在 以內(nèi)，完全能夠滿足在線水分檢測的要求。

水分檢測；μC/OS-II；STM32單片機；微波水分傳感器

糧食水分含量直接影響著糧食的工藝過程、儲藏過程和流通過程。在糧食進出倉、面粉加工等多數(shù)情況下，要求能夠即時動態(tài)的預(yù)報糧食水分或在線實時檢測糧食水分，即要求水分檢測在被測物的變化過程中在線式進行，這是許多傳統(tǒng)的水分測量方法如電阻法、電容法等難以達到的［1］。

針對當(dāng)前糧食水分難以實時在線檢測［2］，應(yīng)用現(xiàn)代檢測技術(shù)，采用靈敏度高、速度快、對環(huán)境敏感度小［3-6］的微波檢測方法對糧食水分進行在線無損檢測。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II技術(shù)，實現(xiàn)快速、實時在線糧食水分檢測，開發(fā)設(shè)計面向糧食收儲、加工等場合的糧食水分實時在線檢測系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

上位機采用VB6.0和Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲等后續(xù)處理；當(dāng)水分含量過低或過高時（由按鍵電路設(shè)置）驅(qū)動報警電路自動報警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of the system

該系統(tǒng)采用經(jīng)過標(biāo)定之后的高精度MS-S-2001微波水分傳感器完成對糧食水分的實時采集。微處理器將采集得到的糧食溫度、水分等信息通過TFT模塊進行實時顯示，同時動態(tài)繪制水分曲線；通過串口將采集到的數(shù)據(jù)送給上位機，

2　硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包括：數(shù)據(jù)采集電路、人機接口電路、按鍵電路、報警電路、數(shù)據(jù)通信電路。該系統(tǒng)采用STM32單片機作為控制器。STM32單片機具有FSMC接口，靈活性高，降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，提高了運行系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性［7］。

2.1微波水分傳感器

MS-S-2001微波水分傳感器是專門為測量工業(yè)生產(chǎn)中使用的固體物料的水分含量而設(shè)計，它可以分別通過模擬量（1-5 V）信號和數(shù)字量信號與PC或者遠程控制器進行連接和通信，實現(xiàn)對糧食水分等數(shù)據(jù)的實時在線采集。

2.1.1工作原理

多數(shù)微波水分傳感器檢測水分原理［1，3，8］是水對微波能量的吸收和反射等作用，導(dǎo)致微波信號的相位、幅值或頻率等參數(shù)變化的原理進行水分含量檢測的。而MS-S-2001微波水分傳感器工作原理是通過發(fā)射微波（1 GHZ），微波在被測物質(zhì)的探頭上不斷的進行發(fā)射和被反射形成傳播回路，經(jīng)由被測物質(zhì)傳播計算出傳播時間來確定傳感器周圍被測物質(zhì)的介電常數(shù)，然后通過被測物質(zhì)介電常數(shù)與土壤含水率的經(jīng)驗公式推算出物料的含水率。同時，通過內(nèi)嵌的溫度傳感器信號進行溫度補償，可以獲得糧食水分含量與微波檢測信號接近理想的線性關(guān)系，進而提高水分的檢測精度。總之，MS-S-2001可以有效的克服物料和水分快速變化所引起的干擾，使測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，測量精度可高達0.1%。其水分檢測原理示意圖如圖2所示。

圖2　MS-S-2001水分檢測示意圖Fig.2　MS-S-2001 moisture detection schematic diagram

2.1.2曲線標(biāo)定

MS-S-2001傳感器具有物料標(biāo)定功能，用戶可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際需求，對該傳感器進行物料水分的實驗值確定，然后將其標(biāo)定入微波傳感器及進行水分曲線標(biāo)定，使傳感器的微波原始值與真實的物料水分相對應(yīng)，做出的曲線才既能夠用于測量物料水分，又能進一步提高水分檢測精度。

曲線標(biāo)定實驗所需器材：小麥、烘箱（型號DHG-9037A）、電子稱（型號MELLTER TOLEDO MS-105）、水桶、量杯和攪拌設(shè)備。

實驗步驟如下：1）取一批小麥，經(jīng)過篩分去除雜質(zhì)；2）先取出一小部分樣品，用MS-S-2001先測量出微波水分反射值，再由《谷物及谷物制品水分含量測定》基本法（即烘箱法）進行小麥含水率的確定；3）將剩余的小麥分成若干等份，按照比例加水混合，制成不同水分含量的樣品，貼好標(biāo)簽，攪拌均勻后放入密封盒內(nèi)，放置24 h（注意該過程要保證水分沒有散失）；4）將不同水分含量的樣品按照步驟2進行測定；5）根據(jù)標(biāo)定的曲線測定實際樣品，記錄得到的水分，然后同烘箱法進行對比，通過多組對比來確定測量的準(zhǔn)確性。

在實驗驗證時，可能會出現(xiàn)所得的水分過小或者放置在水桶不同位置時水分測量結(jié)果不同，這可能是由于MS-S-2001測得的是體積含水量，物料的緊實程度出現(xiàn)變化會影響測量結(jié)果隨之變化，這與微波測量方法容易受到物料的形狀、密度、厚度的影響［9］相一致；另一方面，同一批小麥顆粒之間及顆粒內(nèi)部水分均勻度差異也會造成測量結(jié)果的不精確。因而試驗標(biāo)定曲線時，需要注意以下幾點：1）加水后為了讓小麥盡可能多的吸收水分，在放置期間的固定時間間隔還需要不斷地翻動、傾倒；2）靜態(tài)測量時：小麥充分吸收水分后再進行測量，測量的環(huán)境、測量方式要與所做試驗的環(huán)境、步驟盡可能的保持一致；3）每次測量時最好反復(fù)的傾倒，保證微波傳感器測量面一致；4）翻動、傾倒小麥時，不能讓小麥過多的撒落在桶外；5）微波水分反射值的測量時間最好在5分鐘左右，然后取這期間的平均值與小麥實際含水率進行一一對應(yīng)。

經(jīng)實驗確定的11組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　實驗數(shù)據(jù)表Tab.1　Experimental data table

將以上試驗數(shù)據(jù)標(biāo)定入微波水分傳感器，所標(biāo)定的曲線如圖3所示。

2.2人機接口電路設(shè)計

系統(tǒng)的人機接口電路包括TFT顯示電路及上位機軟件。顯示電路采用的是2.4寸TFT液晶顯示模塊，顯示分辨率為320*240，；使用ILI9325芯片控制液晶屏，通過TSC2046芯片控制觸摸屏，可顯示中英文字符、彩色、數(shù)字、圖案等；具有并行接口分8位和16位。STM32的FSMC支持8/16/32位的數(shù)據(jù)寬度，由于在線水分檢測的快速、實時檢測需求，硬件設(shè)計使用接口為16位并口，通過FSMC模擬8080接口進行指令和數(shù)據(jù)的傳輸，硬件設(shè)計的FSMC_NE1作為8080_CS片選信號，軟件需要選取連接的外部存儲器為 NOR FLASH；FSMC_A16作為8080_D/CX數(shù)據(jù)/命令信號，軟件需要定義的RAM基地址為0X60020000。這里需要注意的是當(dāng)FSMC使用不同的區(qū)作為片選信號時，需要選擇使用不同的外部存儲設(shè)備（NOR/PSRAM、NAND、PC卡設(shè)備）；選擇不同的地址線時，RAM的基地址需要重新計算。

圖3　水分曲線標(biāo)定圖Fig.3　Moisture curve calibration diagram

3　μC/OS-II實時操作系統(tǒng)軟件設(shè)計

μC/OS-II是一個可移植、可固化的、可裁剪的、占先式的多任務(wù)實時內(nèi)核，主要是面向中小型的嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性等特點［10］。軟件設(shè)計主要包括μC/OS-II的移植，系統(tǒng)任務(wù)建立，STM32單片機與MS-S-2001的通訊和人機界面。

3.1μC/OS-II在STM32單片機上的移植

移植 μC/OS-II需要修改與處理器相關(guān)的 3個文件：OS_CPU.H （C語言頭文件）、OS_CPU_C.C（C語言源文件）、OS_CPU_ASM.ASM（匯編源程序文件）［10-11］。μC/OS-II中移植部分如表2所示。

3.2系統(tǒng)任務(wù)建立

在μC/OS-II實時操作系統(tǒng)中建立并行存在的 6個任務(wù)，按照優(yōu)先級從高到低分別是系統(tǒng)主任務(wù)、串口發(fā)送任務(wù)、串口接收處理任務(wù)、LED閃爍任務(wù)、觸摸屏任務(wù)、用戶界面任務(wù)。

表2　μC/OS-II移植修改部分Tab.2　μC/OS-II transplant modified part

main（）主函數(shù)流程圖如圖4所示。其主要功能是用來完成系統(tǒng)主任務(wù)的建立、實時操作系統(tǒng)的啟動。系統(tǒng)主任務(wù)優(yōu)先級別最高，在μC/OS-II系統(tǒng)啟動后建立其余5個任務(wù)，并根據(jù)其各自的優(yōu)先級進行任務(wù)調(diào)度、運行。其中硬件平臺初始化程序：包括系統(tǒng)時鐘初始化、串口中斷源配置、串口初始化及參數(shù)配置、TFT接口及FSMC初始化等。

3.3STM32單片機與MS-S-2001通信

根據(jù)MS-S-2001所特有的modubus協(xié)議設(shè)計數(shù)據(jù)發(fā)送和接收處理任務(wù)，這兩個任務(wù)函數(shù)的設(shè)計也是整個實時系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。當(dāng)成功接收到微波傳感器響應(yīng)后，通過郵箱發(fā)送函數(shù)OSMboxPost（）通知接收處理任務(wù)進行接收數(shù)據(jù)的處理，否則接收處理函數(shù)中的OSMboxPend（）函數(shù)會一直等待串口接收成功的信號量；然后根據(jù)MS-S-2001所特有的CRC錯誤校驗，判斷數(shù)據(jù)接收是否正確，正確且水分值在合理范圍內(nèi)則進行數(shù)據(jù)的處理、顯示，否則驅(qū)動報警電路報警，重新等待串口接收成功的信號量。接收處理任務(wù)流程圖如圖5所示。

3.4人機界面

人機界面包括兩個部分：靜態(tài)部分和動態(tài)部分。靜態(tài)部分用來顯示固定不變的橫縱坐標(biāo)的刻度值及必要的中英文字符顯示；動態(tài)部分用來顯示運行時間 （0-200S），在達到200S后進行實時曲線部分的刷新；顯示采集的溫度、水分值等信息。動態(tài)曲線繪制的流程圖如圖6所示。

4　實驗結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)的測量精度，在實驗室進行了在線水分檢測試驗，并與實際理論值（加水量（l）=（kg）進行比較。測量結(jié)果如表3所示。

圖4　系統(tǒng)流程圖Fig.4　System flow chart

圖5　接收處理任務(wù)流程圖Fig.5　Receive processing task flow chart

圖6　曲線繪制流程圖Fig.6　Curve drawing flow chart

由表3數(shù)據(jù)可知：由于實驗標(biāo)定微波傳感器數(shù)據(jù)及μC/ OS-II的移植，使得實時在線水分檢測的誤差范圍在以內(nèi)，解決了在線水分檢測的難點與提高檢測精度的問題。

5　結(jié)束語

系統(tǒng)采用高速單片機STM32作微處理器和移植μC/OS-II，大幅度提升設(shè)計系統(tǒng)的實時性；同時具有數(shù)據(jù)處理速度快、較高的穩(wěn)定性和可靠性等優(yōu)點，使得該系統(tǒng)完全能夠滿足在線實時檢測水分的場合。而且μC/OS-II作為源代碼公開的實時內(nèi)核及系統(tǒng)可裁剪性、可擴展性的特征，極大的增加了設(shè)計系統(tǒng)的靈活性，使得系統(tǒng)更容易管理、維護和系統(tǒng)升級。

表3　水分檢測數(shù)據(jù)及誤差Tab.3　Data and error of the system

實驗和測試結(jié)果再次表明所設(shè)計的系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有良好的實時性；該檢測系統(tǒng)的設(shè)計解決了糧食水分在線檢測的難題，且檢測結(jié)果在誤差允許的范圍內(nèi)滿足國際要求，完全能夠為糧食的收購、運輸和儲藏提供強有力的技術(shù)保障。參考文獻：

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Design of grain moisture online detection based on μC/OS-II

GUO Hua-jie，WU Cai-zhang
（College of Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

Using experimentally calibrated MS-S-2001 microwave moisture sensor，and the μC/OS-II embedded system transplanted to the STM32 microprocessor method to resolve the current low grain moisture detection precision as well as online real-time detection difficult circumstance；using μC/OS-II's mailbox communication mechanism to realize MS-S-2001 data acquisition；using the principle of μC/OS-II preemptive multi-task scheduling system，combined with the STM32 FSMC bus to achieve the user graphical interface drawing，real-time data display and dynamic curves draw.Proven wheat moisture experiments show that the detection system has the advantages of good real-time，high stability，high reliability，and its moisture measurement error control in less than，which can meet the requirements of the online moisture measurement.

moisture detection；μC/OS-II；STM32 microprocessor；microwave moisture sensor

TP609

A

1674－6236（2016）03-0061-04

2015-10-26稿件編號：201510189

2015年糧食公益性行業(yè)科研專項（201513003-3）

郭華杰（1991—），男，河南商丘人，碩士研究生。研究方向：檢測技術(shù)和智能儀表。