袁 立， 呂洪武， 王宏志

（長春工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130012）

0 引 言

隨著我國科研實(shí)力快速穩(wěn)定的發(fā)展，在實(shí)驗(yàn)室管理中對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境提出了更高的要求。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境直接影響到實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行。因此，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著重要的意義。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測中溫度和濕度是重要參數(shù)［1］。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中采用的PC機(jī)控制監(jiān)控系統(tǒng)具有精準(zhǔn)、穩(wěn)定等優(yōu)勢，但是也存在著成本過高、系統(tǒng)龐大等諸多問題［2］。

文中的主要研究目標(biāo)是從監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室溫度和濕度出發(fā)，針對高等院校中實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，通過采用嵌入式開發(fā)技術(shù)和室內(nèi)環(huán)境檢測技術(shù)，在測量環(huán)境溫度和濕度的前提下，研究設(shè)計(jì)一種成本低、實(shí)用性高、易便攜的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)由ARM芯片對溫濕度傳感器控制，通過傳感器實(shí)現(xiàn)對溫濕度數(shù)據(jù)的采集，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示。ARM芯片具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，可以應(yīng)用在嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域［3］。當(dāng)溫濕度數(shù)據(jù)超出或低于設(shè)定溫濕度值時，由ARM驅(qū)動報警裝置實(shí)現(xiàn)報警功能。該實(shí)驗(yàn)室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控芯片選用三星公司的基于ARM7TDMI內(nèi)核的S3C44B0微處理器［4］，該芯片內(nèi)部有8 KB Cache。ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是集成了Thumb代碼壓縮器，片內(nèi)有ICE斷點(diǎn)調(diào)試硬件和1個32位的硬件乘法器，S3C44B0內(nèi)置系統(tǒng)存儲控制器，LCD控制器等，還有2個通用DMA控制器（ZDMA），2個外圍DMA控制器（BDMA），1個支持多主設(shè)備的I2C控制器，1個IIS總線控制器，5個PWM定時器和1個內(nèi)部定時器，看門狗定時器Watch Dog，71個通用可編程的I／O口和8個外部中斷源，具有8通道輸入的10位ADC和具有日歷功能的實(shí)時時鐘RTC。

溫濕度傳感器則選用DHT11［5］溫濕度傳感器，該傳感器是一款溫濕度一體化的數(shù)字傳感器。該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個MCU相連接。通過與微處理器簡單的電路連接就能夠?qū)崟r采集本地濕度和溫度。DHT11與MCU之間采用一個I／O端口完成輸入、輸出雙向傳輸通信。傳感器內(nèi)部40 bit的濕度和溫度數(shù)據(jù)一次性傳給主機(jī)，校驗(yàn)數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)和的方式，能有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。DHT11功耗很低，5 V電源電壓下，工作平均最大電流0.5 m A。DHT11的技術(shù)參數(shù)如下：工作電壓范圍：3.3～5.5 V；工作電流：平均0.5 m A；輸出：單總線數(shù)字信號；測量范圍：濕度20%RH～90%RH，溫度0～50℃；精度：濕度±5%RH，溫度±2℃；分辨率：濕度1%RH，溫度1℃。

傳感器數(shù)據(jù)輸出的是未編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)（濕度、溫度、整數(shù)、小數(shù)）之間分開處理。DHT11的數(shù)據(jù)格式十分簡單，和MCU的一次通信最長為3 ms左右。

ARM芯片S3C44B0的PG2引腳和DHT11傳感器的DATA引腳相連，DHT11采用3.3 V供電，如圖2所示。

圖2 ARM芯片與DHT11連線圖

S3C44B0的PG2引腳是一個復(fù)用多功能引腳，可以設(shè)置成輸出引腳、外部中斷引腳等。PG2引腳還有一個可以設(shè)置成使能或禁止的上拉電阻。

系統(tǒng)通過預(yù)先設(shè)定的溫、濕度閾值作為主要判斷依據(jù)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中監(jiān)測到的溫、濕度數(shù)據(jù)超過或低于設(shè)定的閾值范圍時，屏幕就會顯示當(dāng)前溫、濕度數(shù)值，并且發(fā)出警告，由蜂鳴器發(fā)出報警。系統(tǒng)使用模塊化任務(wù)設(shè)計(jì)，主要任務(wù)包括溫濕度監(jiān)測、ARM I／O控制、數(shù)據(jù)顯示、閾值設(shè)定等。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)使用μC／OS-II［6］操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核［7］，包含了任務(wù)調(diào)度、文件管理、任務(wù)管理、時間管理、內(nèi)存管理以及任務(wù)間通信和同步等基本功能。μC／OS-II的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個基于優(yōu)先級調(diào)度的搶占式實(shí)時內(nèi)核，并在這個內(nèi)核之上提供最基本的系統(tǒng)服務(wù)，例如信號量、郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、中斷管理等。μC／OS-II獲得廣泛使用不僅僅是因?yàn)樗脑创a開放，還有一個重要原因，就是它的可移植性。μC／OS-II的大部分代碼是用C語言寫成的，只有與處理器硬件相關(guān)的一部分代碼用匯編語言編寫?？梢哉f，μC／OS-II在最初設(shè)計(jì)時就考慮到了系統(tǒng)的可移植性，這一點(diǎn)和同樣源代碼開放的Linux很不一樣，后者在開始的時候只是用于x86體系結(jié)構(gòu)，然后才將與硬件相關(guān)的代碼單獨(dú)提取出來。

目前μC／OS-II支持ARM，Power PC，MIPS，68K／Cold Fire和x86等多種體系結(jié)構(gòu)。

文中軟件程序開發(fā)選用CodeWarrior for ADS v1.2［8］，該軟件支持ARM10之前的所有ARM系列微控制器，支持軟件調(diào)試及JTAG硬件仿真，支持匯編、C和C＋＋源程序。CodeWarrior for ADS v1.2集成開發(fā)環(huán)境主要提供了下面一些功能：

1）按照工程項(xiàng)目的方式來組織源代碼文件、庫文件以及其它文件。

2）設(shè)置各種生成選項(xiàng)，以生成不同配置的映像文件。

3）一個源代碼編譯器。它保存了代碼中定義的各種符號，使用戶可以在源代碼中方便地跳轉(zhuǎn)。

4）在文本文件中進(jìn)行字符串的搜索和替換。

5）文本文件比較功能。

6）用戶還可以根據(jù)自己的愛好設(shè)置集成環(huán)境的特色界面。

ARM芯片與DHT11通信過程如圖3所示。

圖3 ARM芯片與DHT11通信過程

主機(jī)信號由ARM芯片的PG2引腳發(fā)出。

在CodeWarrior for ADS v1.2軟件開發(fā)環(huán)境下，結(jié)合系統(tǒng)的功能可將程序分為：主程序、溫濕度監(jiān)測任務(wù)、報警功能任務(wù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示任務(wù)等。通過μC／OS-II操作系統(tǒng)對任務(wù)的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了溫濕度的監(jiān)測和報警。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程

ARM啟動傳感器DHT11后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，把總線拉高80μs，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一位數(shù)據(jù)都以50μs低電平時隙開始，高電平的長短決定了數(shù)據(jù)位是0還是1。

溫濕度監(jiān)測任務(wù)的程序流程如圖5所示。

圖5 溫度檢測流程

主要完成DHT11的啟動，定時器2的設(shè)置，溫濕度數(shù)據(jù)的讀取等功能。定時器2中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。

主要完成中斷引腳設(shè)置，定時器5的初始化及啟動等功能。

EINT2中斷服務(wù)程序流程如圖7所示。

圖6 Time2中斷服務(wù)程序流程

圖7 EINT2中斷服務(wù)程序流程

其作用是保存在發(fā)生中斷時TCNTO5寄存器的當(dāng)前值。

處理傳感器數(shù)據(jù)的算法是：根據(jù)高電平之前出現(xiàn)的上升沿時刻TCNTO5寄存器的值（設(shè)為T1），以及高電平之后出現(xiàn)的下降沿時刻TCNTO5寄存器的值（設(shè)為T2），來計(jì)算高電平的時間，其中T1和T2的值可從全局?jǐn)?shù)組Timer5data［84］中得到。若（T1－T2）＜28，則此高電平傳輸?shù)奈粸?；若68＜（T1－T2）＜75，則此高電平傳輸?shù)奈粸?。

2.3 系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)現(xiàn)

將搭建好的硬件平臺通過串行接口連接到PC機(jī)上，使用CodeWarrior for ADS集成開發(fā)環(huán)境，配以JTAG仿真器，將映像文件加載到嵌入式控制模塊中，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和測試實(shí)驗(yàn)等工作。

結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)物，對系統(tǒng)的測量精確度進(jìn)行了校驗(yàn)。校驗(yàn)方式主要通過測量多組溫濕度數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)溫濕度狀況相對比，監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 測量分析數(shù)據(jù)

由表1結(jié)果可以看出，溫度監(jiān)測精度誤差小于等于1.7℃，濕度精度誤差小于等于3.0%RH，滿足系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)要求，并且能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)室對溫度和濕度的監(jiān)測要求。

此外，分別作了溫濕度報警功能的測試。設(shè)定溫度閾值為4～10℃時，在環(huán)境溫度超出溫度設(shè)定閾值后，蜂鳴器報警。設(shè)定濕度閾值為40%RH～50%RH，在環(huán)境濕度超出濕度設(shè)定閾值后，蜂鳴器報警。

最后，使用Tektronix的TDS2002型示波器驗(yàn)證軟件驅(qū)動程序的正確與否，某次從顯示器讀到的數(shù)據(jù)為濕度36.0%RH，溫度15.0℃，則對應(yīng)的數(shù)據(jù)為：0010 0100，0000 0000，0000 1111， 0000 0000，0011 0011，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行時示波器顯示波形

由以上數(shù)據(jù)就可得到濕度和溫度的值，計(jì)算方法：濕度＝濕度整數(shù)×濕度小數(shù)＝36.0%RH；溫度＝溫度整數(shù)×溫度小數(shù)＝15.0℃；校驗(yàn)＝濕度整數(shù)＋濕度小數(shù)＋溫度整數(shù)＋溫度小數(shù)＝51.0（濕度＋溫度）（校驗(yàn)正確）。

串行接口實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 串行接口實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

3 結(jié) 語

以高校實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫濕度為研究背景，利用嵌入式開發(fā)、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測等技術(shù)，通過合理地構(gòu)建ARM嵌入式開發(fā)平臺，對實(shí)時環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足易便攜、穩(wěn)定性好、成本低等要求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。

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［7］ 熊茂華，楊震倫.ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［8］ 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.