康凱

基于ARM7 S3C44B0X處理器的空氣質(zhì)量監(jiān)測儀設(shè)計

康凱

（中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設(shè)備研究所 河南洛陽 471000）

當前人民生活水平的提高，人們對環(huán)境問題及健康問題日益重視，室內(nèi)空氣品質(zhì)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(nèi)度過的。本文研究的室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀是以室內(nèi)空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測監(jiān)控為背景，基于三星ARM7 S3C44B0X處理器的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀設(shè)計，三星S3C44B0X 16/32位RISC處理器被設(shè)計來為手持設(shè)備等提供一個低成本高性能的方案。智能空氣品質(zhì)監(jiān)測儀體積小，功耗低，操作簡單，適合應用于家庭和社區(qū)的醫(yī)療健康保健，能夠?qū)崟r知道空氣的質(zhì)量。

空氣質(zhì)量；ARM；S3C44B0X處理器；μC/OS-Ⅱ

1 引言

空氣質(zhì)量的好壞反映了空氣污染程度，其依據(jù)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(zhì)量的最主要因素之一?？諝赓|(zhì)量檢測種類包括裝修污染、辦公室內(nèi)空氣檢測、作業(yè)場所有害物質(zhì)檢測、食堂油煙檢測、鍋爐大氣及工業(yè)窯爐檢測及工廠排放工業(yè)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(xiàn)了室內(nèi)空氣污染為主的第三次環(huán)境污染。在室內(nèi)空氣中存在五百多種揮發(fā)性有機物，其中致癌物質(zhì)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(nèi)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(guān)注的問題。全球近一半的人處于室內(nèi)空氣污染中，室內(nèi)環(huán)境污染已經(jīng)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(tǒng)采用三星ARM7 S3C44B0X處理器芯片作為硬件核心，選用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)作為嵌入式軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。芯片內(nèi)集成了ARM7TDMI核，并在ARM7TDMI核基本功能的基礎(chǔ)上集成了豐富的外圍功能模塊，便于低成本設(shè)計嵌入式應用系統(tǒng)。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(nèi)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(guān)的控制系統(tǒng)中，是值得放心使用的操作系統(tǒng)。實踐結(jié)果證明，該監(jiān)測儀操作簡單，工作穩(wěn)定可靠，成本低，具有廣闊的應用前景。

2 檢測儀總體設(shè)計

嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)軟件和底層硬件部分隔離，一般具有相關(guān)硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作、硬件設(shè)備的配置等功能。由于嵌入式操作系統(tǒng)屏蔽掉了很多底層硬件的復雜信息，在開發(fā)的過程中，通過操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)便可以完成大部分工作，可以簡化開發(fā)過程，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以該監(jiān)測儀選用采用嵌入式操作系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件基本架構(gòu)

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(xiàn)該系統(tǒng)所需要的5V、3.3V、2.5V、1.4V的電壓轉(zhuǎn)換電路、用于程序和數(shù)據(jù)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(diào)試的JTAG接口電路。

3.2 信號拾取原理

該設(shè)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(lián)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(huán)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(xù)時間為60s，低電平持續(xù)時間為90s。

4 軟件部分設(shè)計

在設(shè)計一個簡單的應用程序時，可以不使用操作系統(tǒng)，但在設(shè)計較復雜的程序時，可能就需要一個操作系統(tǒng)來管理和控制內(nèi)存、多任務、周邊資源。以RTOS為軟件開發(fā)平臺把設(shè)計分割為若干獨立的任務，應用程序的設(shè)計過程可以大為簡化。該設(shè)計中采用μC/OS-Ⅱ占先式實時操作系統(tǒng)來完成多任務之間的調(diào)度和同步。在開啟多任務調(diào)度之前，首先要進行系統(tǒng)硬件初始化，為隨后的操作系統(tǒng)初始化和應用程序的運行建立硬件和軟件環(huán)境；進行操作系統(tǒng)初始化，創(chuàng)建應用程序環(huán)境；根據(jù)系統(tǒng)需要，要進行LCD初始化、裝載字庫；調(diào)用系統(tǒng)配置文件；創(chuàng)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(tǒng)時鐘。以上所有的工作都完成之后，通過執(zhí)行OSStart（）；來啟動多任務調(diào)度。為了充分發(fā)揮操作系統(tǒng)在任務調(diào)度、任務管理、任務通信、時間管理和內(nèi)存管理等方面的優(yōu)勢，首先必須根據(jù)需要實現(xiàn)的功能，合理地劃分任務和分配任務的優(yōu)先級。任務優(yōu)先級的確定原則是工作頻率越高，任務的優(yōu)先級越高。系統(tǒng)中并行存在七個應用任務，按優(yōu)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(shù)字信號采集任務、系統(tǒng)時間修正任務、液晶刷新任務、鍵盤掃描任務、液晶自動關(guān)閉任務。任務之間的通信是通過發(fā)送或接收消息、信號量或數(shù)據(jù)隊列來實現(xiàn)的。μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)上允許同時運行64個任務，其中八個任務被系統(tǒng)的內(nèi)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?？臻g，選定一個系統(tǒng)唯一的任務優(yōu)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(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計方案以及系統(tǒng)中氣體傳感器的工作原理。由于室內(nèi)各種環(huán)境因子相互影響，而本系統(tǒng)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(tǒng)等技術(shù)以進一步提高系統(tǒng)的智能決策水平。

[1]何鑫，杜國慶，梅力，阮晶晶.便攜式空氣質(zhì)量監(jiān)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(tǒng)的設(shè)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(tǒng)。