郝結(jié)來，王子權(quán)，林 華

（1.安徽省汽車工業(yè)學(xué)?，F(xiàn)代制造系，安徽合肥 231131；2.上海衛(wèi)星裝備研究所總裝中心，上海 200240；3.合肥工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保等工程中經(jīng)常需要得到土壤的溫濕度數(shù)據(jù)[1-2]，文獻[3]提出了一種基于射頻識別技術(shù)傳感標(biāo)簽的農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)測方法，設(shè)計分析了一種無源射頻識別溫濕度傳感標(biāo)簽。文獻[4]對土壤的溫濕度數(shù)據(jù)進行取樣，探究溫濕度對高寒草甸土壤氮礦化的影響；文獻[5]測量出了土壤溫濕度數(shù)據(jù)，研究了不同的覆蓋方式對土壤溫濕度的影響。工程中通常采用電子儀表對土壤進行溫濕度測量[6-7]。文獻[8]利用虛擬儀器技術(shù)，基于51 單片機搭建了一套農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了單個土壤溫濕度的測量與顯示，裝置的測量通道數(shù)較少，并行處理能力較弱。相較于51 單片機和DSP 處理器，STM32 單片機具有更強大的計算能力和豐富的參考資料與設(shè)計案例[9-12]。文獻[13]利用PWM 輸出功能實現(xiàn)了對LED 燈的亮度調(diào)節(jié)。文獻[14]基于STM32，針對分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)中定標(biāo)光纖和雪崩光電二極管的溫控要求，設(shè)計了一套高精度恒溫控制系統(tǒng)。文獻[15]在STM32 單片機中移植了UCOS 操作系統(tǒng)，設(shè)計了一種智能在線分析儀。

文中基于STM32F103ZET6 單片機，在單片機上移植UCOS 操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了多任務(wù)的并行處理功能；進行了8 通道溫濕度采集系統(tǒng)硬件、電路、軟件等的設(shè)計，通過按鍵設(shè)置溫濕度報警值，并對報警信號進行功率放大，基于STemWin 設(shè)計制作操作簡便、友好的人機交互界面。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體組成

系統(tǒng)的整體組成如圖1 所示，主要包括8 對傳感器組件，即溫度傳感器1～8、濕度傳感器1～8，溫度傳感器通過單總線與單片機連接；PCF8591A 和PCF8591B 分別與濕度傳感器1～4 和濕度傳感器5～8連接，PCF8591 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片通過自身的IIC 總線與單片機連接。

圖1 系統(tǒng)整體組成

復(fù)位電路、晶振電路等為單片機正常工作的基本電路，留有串口電路的目的有兩個：程序燒寫和與上位機通信；通過按鍵設(shè)置溫濕度的報警值；對8 個傳感器組分別設(shè)置LED 指示燈，當(dāng)LED 等亮起時表明對應(yīng)的傳感器組在工作；設(shè)置報警信號的功率放大電路的目的是保證報警信號的響度足夠大，以使人員及時感知報警。

1.2 SEN0114土壤濕度傳感器

SEN0114 土壤濕度傳感電路如圖2 所示。該傳感器是一種簡易的水分傳感器，可用于檢測土壤的水分。當(dāng)土壤缺水時，傳感器輸出值減小，反之增大。采用4 線制進行模擬量的采集，其中，VCC 和GND 分別表示電源的高電平和地。當(dāng)濕度低于或高于設(shè)定值時，DO 輸出高電平或低電平。AO 為濕度模擬量的輸出端口，該接口與PCF8591 連接，用于實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

圖2 土壤濕度傳感電路

1.3 PCF8591轉(zhuǎn)換芯片

A/D 轉(zhuǎn)換模塊集成了2 塊PCF8591 芯片，該芯片內(nèi)部集成了IIC 總線，占用單片機2 個GPIO 端口，所以兩塊芯片共用IIC 總線。芯片的A0、A1 和A2 為器件地址配置端口，PCF8591A 配置為0x01 時，A0 為高電平，A1 和A2 均為低電平；PCF8591B 配置為0x00時，A0、A1 和A2 均為低電平。STM32 單片機可通過IIC 通信功能與其連接，轉(zhuǎn)換芯片的模擬量輸入端口為AIN0～AIN4，所以每個芯片可與4 個濕度傳感器連接。PCF8591 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片如圖3 所示。

圖3 PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片

1.4 DS18B20溫度傳感器

DS18B20 溫度傳感器的電路簡單、測溫精度較高，遵循單總線通信協(xié)議，可使用STM32 單片機的通用GPIO 引腳實現(xiàn)與DS18B20 的數(shù)據(jù)通信。配置8個DS18B20 的單總線引腳分別為PB0、PB1、PC5、PC6、PA0、PA1、PE2 和PE3。

1.5 觸摸屏

設(shè)計使用4.3 英寸電容觸摸屏，其分辨率為800×480 像素，采用16 位真彩顯示。相對電阻式觸摸屏而言，電容觸摸屏只需輕微的手指觸碰就能激活，容易進行多點觸摸，采用硬度較大的鋼化玻璃材料，使用壽命長[16]。

1.6 按鍵設(shè)計

在按鍵設(shè)計中，共設(shè)置了7 個按鍵，其中一個為復(fù)位按鍵，其余6 個為濕度×10、濕度×1、濕度×0.1，溫度×1、溫度×0.1、溫度×0.01，分別表示濕度相對變化量10、1、0.1，溫度相對變化量1、0.1 和0.01。配置6個按鍵的GPIO 分別為PA11、PA12、PB8、PB9、PB10和PB11，按鍵引腳的初值化值均配置為高電平，通過人機交互界面可進一步設(shè)置溫濕度報警值。

1.7 功率放大電路

為提高報警器的響度，降低單片機的負載，使用D2822A 芯片完成對報警信號的單聲道音頻功率放大，如圖4 所示。Input 為音頻輸入端，可與音頻設(shè)備進行連接。揚聲器接口配置為USB 標(biāo)準的4 接口方式，接口的第一位和第三位為音頻線，第二位和第四位為地線，圖4 中USB4 元器件的1 和3 腳為音頻線，2 和4為地線。

圖4 音頻功率放大電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)任務(wù)配置、人機界面設(shè)計、互斥信號量配置、系統(tǒng)程序整體流程、溫濕度測量任務(wù)等。

2.1 系統(tǒng)任務(wù)配置

系統(tǒng)任務(wù)主要包括任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)start_task、觸摸屏刷新任務(wù)touch_task、人機界面顯示與刷新任務(wù)emwin_task、報警任務(wù)boom_task、按鍵檢測任務(wù)key_task、系統(tǒng)工作指示任務(wù)led_task、溫濕度測量任務(wù)THmer_task1～THmer_task8。

start_task 用于創(chuàng)建其他任務(wù)，執(zhí)行完畢后掛起，配置該任務(wù)的優(yōu)先級為8，堆棧容量為128 B。touch_task 用于觸摸屏的刷新任務(wù)，配置該任務(wù)的優(yōu)先級為3，堆棧容量為128 B。emwin_task 用于人機交互界面的顯示與刷新，配置該任務(wù)的優(yōu)先級為5，堆棧容量為512 B。報警任務(wù)boom_task 用于輸出報警信號至功率放大芯片的音頻輸入端，配置該任務(wù)的優(yōu)先級為7，堆棧容量為64 B。按鍵檢測任務(wù)key_task 用于實時檢測哪個按鍵按下，同時將按鍵的對應(yīng)值在觸摸屏上刷新，配置該任務(wù)的優(yōu)先級為9，堆棧容量為128 B。led_task 用于通過led 的亮滅判斷系統(tǒng)是否已經(jīng)開始工作，配置該任務(wù)的優(yōu)先級為10，堆棧容量為64 B。THmer_task1～THmer _task8為溫濕度測量任務(wù)，通過調(diào)用溫度和濕度的測量函數(shù)完成對溫濕度數(shù)據(jù)的采集，并將處理后的數(shù)值顯示在觸摸屏的對應(yīng)位置，配置該任務(wù)的優(yōu)先級為6，堆棧容量為512 B，時間片長度為50 ms。

2.2 人機界面設(shè)計

友好的人機界面可大大提高系統(tǒng)的工作效率，文中主要設(shè)計了溫濕度報警值設(shè)置界面、溫濕度值顯示界面，兩界面可相互切換，以方便設(shè)置與觀測。

2.2.1 溫濕度報警值設(shè)置界面

溫濕度報警值設(shè)置界面為系統(tǒng)初始化界面，即系統(tǒng)開機時自動進入該界面，如圖5 所示。按住“START”按鈕并釋放，系統(tǒng)開始工作，按住“STOP”按鈕并釋放，系統(tǒng)停止工作。按住“Temperature Set”按鈕并釋放，此時系統(tǒng)進入溫度設(shè)置狀態(tài)，通過溫度設(shè)置按鍵即可完成溫度報警值的設(shè)置。按住“Humidity Set”按鈕并釋放，此時系統(tǒng)進入濕度設(shè)置狀態(tài)，通過濕度設(shè)置按鍵即可完成濕度報警值的設(shè)置?；瑒娱L條的作用是通過觸摸屏對溫濕度值進行設(shè)置。在溫度和濕度設(shè)置中，長條的運動單位分別為0.01和0.1。

圖5 溫濕度報警值設(shè)置

設(shè)置好溫濕度報警值后，按住“ENTER”按鈕并釋放，系統(tǒng)進入溫濕度值顯示界面。在此界面下，“RETURN”按鈕不起作用。

2.2.2 溫濕度值顯示界面

溫濕度值顯示界面較簡便地顯示了各通道的溫濕度數(shù)值，如圖6 所示，T1～T8 和H1～H8 分別表示第1～8 通道的溫度和濕度數(shù)據(jù)。當(dāng)測量到溫濕度數(shù)值時，在對應(yīng)位置顯示溫濕度數(shù)值，當(dāng)沒有測量到溫濕度數(shù)值時，在對應(yīng)位置顯示“NULL”字符串。在此界面中，按住“RETYRN”按鈕并釋放，界面返回到報警值設(shè)置界面，“ENTER”按鈕不起作用。

圖6 溫濕度值顯示界面

2.3 互斥信號量配置

由于2 個PCF8591 芯片共享一組IIC 總線，因此每次只能讀取一個芯片上的數(shù)據(jù)，為了避免由共享總線導(dǎo)致的數(shù)據(jù)串聯(lián)，配置了一個互斥信號量以防止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，同時保證單片機在一次通信周期里只與一個轉(zhuǎn)換芯片進行通信。

在程序中配置一個任務(wù)標(biāo)志變量TASK_FLAG，用于記錄每個任務(wù)的狀態(tài)，變量的位數(shù)為32 位。通過配置32 位中部分位的邏輯功能，可標(biāo)志不同任務(wù)的運行狀態(tài)。其位邏輯設(shè)置如表1 所示。

表1 TASK_FLAG位邏輯

2.4 系統(tǒng)程序整體流程

系統(tǒng)的整體程序流程如圖7 所示[17]。程序首先完成系統(tǒng)所必須的初始化過程，如單片機時鐘初始化、程序庫的初始化、串口初始化等。在UCOS 操作系統(tǒng)初始化后，進行start_task 任務(wù)，開始創(chuàng)建系統(tǒng)所需的其他任務(wù)，運行結(jié)束后掛起。任務(wù)都包含在任務(wù)池中，其中，emwin_task 任務(wù)完成人機界面的顯示。系統(tǒng)初始化后進入報警值界面，在該界面設(shè)置好數(shù)值后，通過“START”按鈕使系統(tǒng)正式進入工作狀態(tài)，通過“ENTER”按鈕進入數(shù)值顯示界面。在數(shù)值顯示界面，通過“RETURN”按鈕返回到報警值界面。

圖7 系統(tǒng)整體流程

2.5 溫濕度測量任務(wù)

溫濕度測量任務(wù)的主要工作是調(diào)用溫度、濕度測量函數(shù)，得到溫濕度數(shù)據(jù)，通過一定的數(shù)據(jù)處理，將溫濕度值顯示在觸摸屏上，其任務(wù)流程如圖8 所示。圖中，變量err 是操作系統(tǒng)必須定義的變量，用于存儲程序運行錯誤信息。由于溫度測量函數(shù)沒有共享數(shù)據(jù)總線，所以調(diào)用溫度測量函數(shù)無需增加互斥信號量的判斷，而濕度測量函數(shù)必須進行互斥信號量的判斷。

濕度測量函數(shù)如圖9 所示。在進行器件地址判斷之前，需要請求互斥信號量，當(dāng)請求到信號量時，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)程序，若沒有請求到信號量，則一直執(zhí)行請求操作。PCF8591 的AD 轉(zhuǎn)換的數(shù)字量為8 位，以相對濕度最大為100 進行計算，可得相對濕度處理函數(shù)為：

式中，d為數(shù)字量（d≤255），對應(yīng)圖9 中的函數(shù)變量ad。

圖8 溫濕度測量任務(wù)

圖9 濕度測量函數(shù)

2.6 開發(fā)板調(diào)試

如圖10 所示，實驗裝置主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、變送器、STM32F103ZET6 開發(fā)板、觸摸屏、功率放大器、PCF8591 芯片組、LED 指示燈等。其中，變送器與濕度傳感器連接，用于得到準確的模擬量電信號。

圖10 實驗調(diào)試裝置

調(diào)試結(jié)果表明，土壤濕度傳感器經(jīng)過變送器后將模擬量的電信號傳送到PCF8591 芯片組，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到了濕度數(shù)據(jù)，同時得到溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)；界面顯示正常，按鈕功能正常，能夠在報警值界面和數(shù)值顯示界面間切換；數(shù)據(jù)顯示正常，測量任務(wù)運行正常，溫度測量函數(shù)和濕度測量函數(shù)調(diào)用正常；功率放大器正常，在溫濕度到達報警值時能夠發(fā)出響度較大的報警信號。

3 結(jié)束語

基于STM32F103ZET6 單片機與UCOS 操作系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了多通道并行土壤溫濕度測量裝置，實現(xiàn)了8 通道的溫濕度并行采集與顯示。裝置不僅可用于土壤的溫濕度測量，也可用于環(huán)境溫度、盆栽綠植、流體溫度及濕度等的測量中，可方便地擴展裝置的通道數(shù)，并對裝置增加其他測量功能。