摘要：以ARM Cortex—M3处理器STM32F103VBT6为中心，运用AM2301温湿度传感模块完结对太阳能枯燥室内温湿度参数的实时监测，选用数字PID操控技能操控鼓风机的转速，坚持枯燥室内的温度安稳，并经过继电器操控排气扇的启停使枯燥室内湿度坚持在设定上限之下。枯燥室经过RS 485总线和上位机通讯，上位机设定枯燥室内的方针温度和湿度上限，并实时显现枯燥室内温度、湿度、鼓风机转速、排气扇开关状况等参数。嵌入式体系软件选用FreeRTOS实时操作体系，确保了体系的实时性和牢靠性，完结对太阳能枯燥室内温湿度的实时监测与操控。经现场运用验证了体系运转安稳，操控精度高，呼应速度快。
0 导言
太阳能是一种清洁可再生能源，运用远景非常宽广。近年来，运用太阳能进行农产品、药品的加工也因其节能、枯燥时刻短、枯燥质量高级特色而开展非常敏捷。为确保枯燥物料的质量与枯燥功率，太阳能枯燥设备在进行枯燥作业时需求对枯燥室内的温湿度进行实时监控。沈阳农业大学王成功、付立思等人研发的依据AT89C51的智能太阳能枯燥操控体系没有进行实时操作体系的移植，监测与操控的实时性要求无法得到妥善满意，设备的枯燥作用也因而遭到影响。内蒙古农业大学徐明娜研发的依据PLC的苜蓿太阳能枯燥操控体系尽管运转也较安稳，但全体造价较为贵重，并不适合大规模推行运用。针对太阳能枯燥监控体系实时性、安稳性、宜推行性的规划需求，本文开发研发了一套依据STM32和FreeRTOS的实时嵌入式太阳能枯燥监测和操控体系，选用温湿度传感器AM2301对温湿度进行丈量，并经RS 485通讯线路传输至PC上位机，完结了对太阳能枯燥室内温湿度的实时监测;选用数字PID操控鼓风机转速与继电器操控排气扇启停相配合完结对太阳能枯燥室内温湿度的实时操控。上位机选用组态软件编写，具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等长处，监测与操控界面简洁明了易操作。经测验标明整个体系具有运转安稳、反响敏捷、操作简洁等特色，可以完结枯燥作业中对枯燥室内温湿度的实时监测与操控。
1 嵌入式太阳能枯燥监测和操控体系规划
嵌入式太阳能枯燥实时监测和操控体系由PC上位机、嵌入式ARM处理器、AM2301温湿度传感器、RS 485通讯电路、继电器操控电路等组成。
AM2301收集到枯燥室内的实时温湿度参数，由嵌入式ARM处理器经RS 485通讯线路传输至PC上位机进行显现与保存。上位机人工设定的枯燥温度经RS 485通讯线路传至嵌入式处理器作为体系操控方针量，以枯燥室内实践温度作为输入量调用PID操控算法。PID操控算法输出量作为变频器作业频率对鼓风机的转速进行实时调理，然后实时增减送入热风量以完结对枯燥室的恒温操控。当监测到太阳能枯燥室内的湿度高于上位机设定的上限值时，继电器触点吸合操控排气扇敞开将枯燥室内的过湿废气排空，到达湿度操控的意图。体系结构框图如图1所示。
2 嵌入式太阳能枯燥监测和操控体系硬件规划
2.1 嵌入式处理器挑选与运用
嵌入式太阳能枯燥实时监测和操控体系的主控处理器选用低功耗高速工业级芯片STM32F103VBT6(意法半导体)。STM32系列具有专为高功用、低成本、低功耗嵌入式运用规划的ARM Cortex-M3内核，内部集成了优异的安全时钟形式、带唤醒功用的低功耗形式、内部RC振荡器、内嵌复位电路等，大大简化了外围电路规划，功用也有较大进步。STM32系列单片机还可方便的完结实时操作体系的移植，可以满意本嵌入式太阳能枯燥实时监测和操控体系的规划需求。
2.2 AM2301温湿度收集电路规划
嵌入式太阳能枯燥实时监测和操控体系选用AM2301湿敏电容数字温湿度模块来获取枯燥室内的实时温湿度参数。AM2301包含有一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，与一个高功用8位单片机相衔接，具有质量杰出、超快呼应、抗干扰能力强、性价比高级长处，而且每个传感器都已在极为准确的湿度校验室中进行校准。AM2301选用规范总线接口使体系集成变得简易方便。超小的体积、极低的功耗，信号传输间隔可达20 m以上。温湿度收集电路如图2所示。
AM2301传感器的温度丈量规模为-40～80℃，精度可达0.1 ℃;湿度丈量规模为0.1～99.9%RH，精度可达0.1%RH，彻底可以满意本体系的规划需求。AM2301温湿度传感器丈量分辨率为8位，单总线传输数据分为整数部分和小数部分，完好的一次数据传输为40位，具体数据格式如下所述：
32位数据位，其间8位湿度整数数据、8位湿度小数数据、8位温度整数数据、8位温度小数数据;8位校验位，为8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据成果后8位。
AM2301温湿度部分读取程序如下：
2.3 继电器操控电路规划
当监测到枯燥室内湿度超越上位机设定的上限值时，STM32单片机将继电器操控引脚电平拉高，继电器触点吸合操控排气扇敞开;当监测到枯燥室内湿度下降至上限值以下时，STM32单片机将继电器操控引脚电平拉低，继电器触点别离操控排气扇封闭，完结过湿废气的排空作业。继电器操控电路如图3所示。
2.4 RS 485通讯电路规划
太阳能枯燥设备需求长期作业在露天环境下，对通讯电路的间隔和抗干扰要求较高。针对此项要求，实时嵌入式太阳能枯燥监测和操控体系选用SP485R芯片组成RS 485通讯操控电路完结与PC上位机的通讯。SP485R运用电路如图4所示。
3 嵌入式太阳能枯燥监测和操控体系软件规划
3.1 FreeRTOS在STM32上的移植
太阳能枯燥设备进行枯燥作业时对枯燥室内的温湿度要求较高：温度过高会影响枯燥物料的质量，温度过低或湿度过高又会下降枯燥功率。这要求监测和操控体系应具有高实时性和牢靠的安稳性，可以快速反响并准确动作，使枯燥室内温度可以保持安稳且确保湿度在约束规模之内。依据此，将FreeRTOS实时操作体系移植到STM32嵌入式处理器以满意规划需求。
FreeRTOS的完结首要由list.c、queue.c、croutine.c和tasks.c4个文件组成。list.c是一个链表的完结，首要供内核调度器运用;queue.c是一个行列的完结，支撑中止环境与信号量操控;croutine.c和task.c是两种使命的安排完结。关于croutine，各个使命同享同一个仓库，使RAM的需求进一步缩小，也正因如此，他的运用遭到相对严厉的约束。而task则是传统的完结，各个使命运用各自的仓库，支撑彻底的抢占式调度。FreeRTOS在STM32的移植大致由3个文件完结，一个.h文件界说编译器相关的数据类型和中止处理的宏界说;一个.c文件完结使命的仓库初始化、体系心跳的办理以及使命切换的恳求;一个.s文件完结具体的使命切换，具体如图5所示。
FreeRTOS下可完结创立使命、删去使命、挂起使命、康复使命、设定使命优先级、取得使命相关信息等功用，在嵌入式太阳能枯燥实时监测和操控体系的程序规划中调用xTaskCreate()函数创立监测、通讯、操控三个使命，程序使命按设定优先级次序履行完结既定功用。
监测使命(vmonitorTask)完结对枯燥室内温湿度以及鼓风机转速的实时监测。嵌入式处理器将经过参数传感器取得的实时参数进行保存。
通讯使命(vcommunicateTask)完结上位机与嵌入式处理器的实时通讯。嵌入式处理器接纳PC上位机发送的枯燥温度和湿度上限值，并将收集到的温湿度以及鼓风机转速参数发送至PC上位机进行实时显现。
操控使命(vcontrolTask)完结枯燥室内的温湿度操控。PC上位机设定的枯燥温度作为体系操控方针量，参数传感器测得的实时温度作为输入量调用PID算法，输出量作为变频器作业频率调理鼓风机转速完结枯燥室的恒温操控。当枯燥室内湿度超越PC上位机设定的湿度上限时，继电器操控排气扇动作完结过湿废气的排空作业。
程序使命履行框图如图6所示。
3.2 PID操控的运用
太阳能枯燥设备运转时的体系参数无法经过有用的丈量手法来取得，然后无法树立准确的数学模型。因而，体系操控器的结构和参数有必要依托工程经历和现场调试来确认。在归纳考虑多种操控理论可行性并参照工程实践的基础上，嵌入式太阳能枯燥实时监测和操控体系选用数字PID操控技能来完结枯燥室的恒温操控。
嵌入式处理器以上位机设定枯燥温度作为体系操控方针量，以枯燥室内实时温度作为输入量调用PID算法。PID输出量作为变频器作业频率对鼓风机转速进行实时调理，然后实时增减送入热风量以完结关于燥室的恒温操控。
考虑到温度调理的特性要求，本体系选用PI操控。即先依据被控目标的特性和一般常规确认份额系数和积分系数的整定规模，再经过手动调理鼓风机转速记载枯燥室内温度改变曲线并进行剖析，终究确认PID算法中份额系数为0.4，积分系数为6。
PID数字操控部分程序如下：
3.3 上位机软件规划
本体系选用北京亚控公司的组态王软件完结对上位机监测和操控界面的规划。上位机软件完结对枯燥室内温湿度等参数的实时显现以及恒温枯燥温度、湿度上限的设定，规划选用Access2010数据库作为记载的数据库，便于数据的保存与剖析。
运用组态王软件新建一个太阳能枯燥监测和操控体系，选用单片机通讯协议并经过RS 485接口完结与嵌入式处理器的通讯。上位机软件界面采纳分区规划，界面由显现区和操作区构成。显现区包含温湿度、转速、排气扇状况的实时显现以及温湿度改变趋势图。操作区可完结对恒温枯燥温度和湿度上限的人工设定。上位机软件界面如图7所示。
4 运转测验成果与剖析
现在本文规划的嵌入式太阳能枯燥实时监测和操控体系已经在某农场的牧草枯燥作业中顺畅运转了6个多月的时刻。在前期的枯燥作业中，在经过设置不同的温湿度条件并对体系收集到的温湿度数据以及对枯燥物料质量进行剖析研究的基础上，确认最佳的枯燥温度与湿度上限以供后期规模化枯燥作业参阅。在体系实践运转过程中，枯燥室内实践温度值与设定值间的差错可以坚持在0.5 ℃以内，较为抱负。运用本体系进行枯燥的牧草在枯燥过程中为最佳温湿度条件的恒温适湿枯燥，芳香性氨基酸以及蛋白质保存较好，因而枯燥后的牧草适口性好、牲畜的消化能摄入量高，即牧草的枯燥质量较好，且单位耗电量仅为0.15 kW·h/kg。表1是体系在2013年6月7日枯燥作业中收集到的部分数据，体系设定枯燥温度为51℃，设定湿度上限为48%。
5 结语
本文具体介绍了依据STM32和FreeRTOS的嵌入式太阳能枯燥实时监测和操控体系的规划与完结。选用具有Contex-M3内核的STM32嵌入式微处理器，使体系小型化，且便于进步功用以及与各种外设衔接扩展。将嵌入式实时操作体系FreeRTOS移植到STM32，使体系运转愈加安稳，具有高实时性、抗干扰能力强等特色。体系全体造价较为低价，适宜推行运用，且经实践出产运用验证：选用本嵌入式太阳能枯燥实时监测和操控体系的枯燥设备愈加节能高效，枯燥物料的质量也有所进步。
