基于STM32和FreeRTOS的嵌入式太陽能干燥實(shí)時(shí)監(jiān)測和

3 嵌入式太陽能干燥監(jiān)測和控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 FreeRTOS在STM32上的移植

太陽能干燥設(shè)備進(jìn)行干燥作業(yè)時(shí)對干燥室內(nèi)的溫濕度要求較高：溫度過高會影響干燥物料的品質(zhì)，溫度過低或濕度過高又會降低干燥效率。這要求監(jiān)測和控制系統(tǒng)應(yīng)具有高實(shí)時(shí)性和可靠的穩(wěn)定性，能夠快速反應(yīng)并準(zhǔn)確動作，使干燥室內(nèi)溫度能夠維持恒定且保證濕度在限定范圍之內(nèi)?；诖?，將FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植到STM32嵌入式處理器以滿足設(shè)計(jì)需求。

FreeRTOS的實(shí)現(xiàn)主要由list.c、queue.c、croutine.c和tasks.c4個文件組成。list.c是一個鏈表的實(shí)現(xiàn)，主要供內(nèi)核調(diào)度器使用;queue.c是一個隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)，支持中斷環(huán)境與信號量控制;croutine.c和task.c是兩種任務(wù)的組織實(shí)現(xiàn)。對于croutine，各個任務(wù)共享同一個堆棧，使RAM的需求進(jìn)一步縮小，也正因如此，他的使用受到相對嚴(yán)格的限制。而task則是傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，各個任務(wù)使用各自的堆棧，支持完全的搶占式調(diào)度。FreeRTOS在STM32的移植大致由3個文件實(shí)現(xiàn)，一個.h文件定義編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型和中斷處理的宏定義;一個.c文件實(shí)現(xiàn)任務(wù)的堆棧初始化、系統(tǒng)心跳的管理以及任務(wù)切換的請求;一個.s文件實(shí)現(xiàn)具體的任務(wù)切換，具體如圖5所示。

FreeRTOS下可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建任務(wù)、刪除任務(wù)、掛起任務(wù)、恢復(fù)任務(wù)、設(shè)定任務(wù)優(yōu)先級、獲得任務(wù)相關(guān)信息等功能，在嵌入式太陽能干燥實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中調(diào)用xTaskCreate()函數(shù)創(chuàng)建監(jiān)測、通信、控制三個任務(wù)，程序任務(wù)按設(shè)定優(yōu)先級順序執(zhí)行實(shí)現(xiàn)既定功能。

監(jiān)測任務(wù)(vmonitorTask)實(shí)現(xiàn)對干燥室內(nèi)溫濕度以及鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測。嵌入式處理器將通過參數(shù)傳感器獲得的實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行保存。

通信任務(wù)(vcommunicateTask)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與嵌入式處理器的實(shí)時(shí)通信。嵌入式處理器接收PC上位機(jī)發(fā)送的干燥溫度和濕度上限值，并將收集到的溫濕度以及鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)發(fā)送至PC上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

控制任務(wù)(vcontrolTask)實(shí)現(xiàn)干燥室內(nèi)的溫濕度控制。PC上位機(jī)設(shè)定的干燥溫度作為系統(tǒng)控制目標(biāo)量，參數(shù)傳感器測得的實(shí)時(shí)溫度作為輸入量調(diào)用PID算法，輸出量作為變頻器工作頻率調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)干燥室的恒溫控制。當(dāng)干燥室內(nèi)濕度超過PC上位機(jī)設(shè)定的濕度上限時(shí)，繼電器控制排氣扇動作完成過濕廢氣的排空作業(yè)。

程序任務(wù)執(zhí)行框圖如圖6所示。

3.2 PID控制的應(yīng)用

太陽能干燥設(shè)備運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)無法通過有效的測量手段來獲得，從而無法建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定。在綜合考慮多種控制理論可行性并參照工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，嵌入式太陽能干燥實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制系統(tǒng)選用數(shù)字PID控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)干燥室的恒溫控制。

嵌入式處理器以上位機(jī)設(shè)定干燥溫度作為系統(tǒng)控制目標(biāo)量，以干燥室內(nèi)實(shí)時(shí)溫度作為輸入量調(diào)用PID算法。PID輸出量作為變頻器工作頻率對鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而實(shí)時(shí)增減送入熱風(fēng)量以完成對于燥室的恒溫控制。

考慮到溫度調(diào)節(jié)的特性要求，本系統(tǒng)采用PI控制。即先根據(jù)被控對象的特性和一般慣例確定比例系數(shù)和積分系數(shù)的整定范圍，再通過手動調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速記錄干燥室內(nèi)溫度變化曲線并進(jìn)行分析，最終確定PID算法中比例系數(shù)為0.4，積分系數(shù)為6。

PID數(shù)字控制部分程序如下：

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用北京亞控公司的組態(tài)王軟件完成對上位機(jī)監(jiān)測和控制界面的設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對干燥室內(nèi)溫濕度等參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示以及恒溫干燥溫度、濕度上限的設(shè)定，設(shè)計(jì)選用Access2010數(shù)據(jù)庫作為記錄的數(shù)據(jù)庫，便于數(shù)據(jù)的保存與分析。

應(yīng)用組態(tài)王軟件新建一個太陽能干燥監(jiān)測和控制系統(tǒng)，選用單片機(jī)通信協(xié)議并通過RS 485接口實(shí)現(xiàn)與嵌入式處理器的通信。上位機(jī)軟件界面采取分區(qū)設(shè)計(jì)，界面由顯示區(qū)和操作區(qū)構(gòu)成。顯示區(qū)包括溫濕度、轉(zhuǎn)速、排氣扇狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示以及溫濕度變化趨勢圖。操作區(qū)可實(shí)現(xiàn)對恒溫干燥溫度和濕度上限的人工設(shè)定。上位機(jī)軟件界面如圖7所示。

4 運(yùn)行測試結(jié)果與分析

目前本文設(shè)計(jì)的嵌入式太陽能干燥實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制系統(tǒng)已經(jīng)在某農(nóng)場的牧草干燥作業(yè)中順利運(yùn)行了6個多月的時(shí)間。在前期的干燥作業(yè)中，在通過設(shè)置不同的溫濕度條件并對系統(tǒng)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)以及對干燥物料品質(zhì)進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，確定最佳的干燥溫度與濕度上限以供后期規(guī)?；稍镒鳂I(yè)參考。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，干燥室內(nèi)實(shí)際溫度值與設(shè)定值間的誤差能夠保持在0.5 ℃以內(nèi)，較為理想。使用本系統(tǒng)進(jìn)行干燥的牧草在干燥過程中為最佳溫濕度條件的恒溫適濕干燥，芳香性氨基酸以及蛋白質(zhì)保存較好，因此干燥后的牧草適口性好、家畜的消化能攝入量高，即牧草的干燥品質(zhì)較好，且單位耗電量僅為0.15 kW·h/kg。表1是系統(tǒng)在2013年6月7日干燥作業(yè)中采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)定干燥溫度為51℃，設(shè)定濕度上限為48%。