一種嵌入式的太陽能干燥實時監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案

2.4 RS 485通信電路設計

太陽能干燥設備需要長時間工作在露天環(huán)境下，對通信電路的距離和抗干擾要求較高。針對此項要求，實時嵌入式太陽能干燥監(jiān)測和控制系統(tǒng)采用SP485R芯片組建RS 485 通信控制電路實現(xiàn)與PC 上位機的通信。

SP485R應用電路如圖4所示。

3 嵌入式太陽能干燥監(jiān)測和控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 FreeRTOS在STM32上的移植

太陽能干燥設備進行干燥作業(yè)時對干燥室內的溫濕度要求較高：溫度過高會影響干燥物料的品質，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)應具有高實時性和可靠的穩(wěn)定性，能夠快速反應并準確動作，使干燥室內溫度能夠維持恒定且保證濕度在限定范圍之內?；诖耍瑢reeRTOS實時操作系統(tǒng)移植到STM32嵌入式處理器以滿足設計需求。

FreeRTOS的實現(xiàn)主要由list.c、queue.c、croutine.c和tasks.c4個文件組成。list.c是一個鏈表的實現(xiàn)，主要供內核調度器使用;queue.c是一個隊列的實現(xiàn)，支持中斷環(huán)境與信號量控制;croutine.c和task.c是兩種任務的組織實現(xiàn)。對于croutine,各個任務共享同一個堆棧，使RAM的需求進一步縮小，也正因如此，他的使用受到相對嚴格的限制。而task則是傳統(tǒng)的實現(xiàn)，各個任務使用各自的堆棧，支持完全的搶占式調度。FreeRTOS在STM32的移植大致由3個文件實現(xiàn)，一個。h文件定義編譯器相關的數(shù)據(jù)類型和中斷處理的宏定義;一個。c文件實現(xiàn)任務的堆棧初始化、系統(tǒng)心跳的管理以及任務切換的請求;一個。s文件實現(xiàn)具體的任務切換，具體如圖5所示。

FreeRTOS 下可實現(xiàn)創(chuàng)建任務、刪除任務、掛起任務、恢復任務、設定任務優(yōu)先級、獲得任務相關信息等功能，在嵌入式太陽能干燥實時監(jiān)測和控制系統(tǒng)的程序設計中調用xTaskCreate()函數(shù)創(chuàng)建監(jiān)測、通信、控制三個任務，程序任務按設定優(yōu)先級順序執(zhí)行實現(xiàn)既定功能。

監(jiān)測任務(vmonitorTask)實現(xiàn)對干燥室內溫濕度以及鼓風機轉速的實時監(jiān)測。嵌入式處理器將通過參數(shù)傳感器獲得的實時參數(shù)進行保存。

通信任務(vcommunicateTask)實現(xiàn)上位機與嵌入式處理器的實時通信。嵌入式處理器接收PC上位機發(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機轉速參數(shù)發(fā)送至PC上位機進行實時顯示。

控制任務(vcontrolTask)實現(xiàn)干燥室內的溫濕度控制。PC 上位機設定的干燥溫度作為系統(tǒng)控制目標量，參數(shù)傳感器測得的實時溫度作為輸入量調用PID算法，輸出量作為變頻器工作頻率調節(jié)鼓風機轉速實現(xiàn)干燥室的恒溫控制。當干燥室內濕度超過PC上位機設定的濕度上限時，繼電器控制排氣扇動作完成過濕廢氣的排空作業(yè)。

程序任務執(zhí)行框圖如圖6所示。

3.2 PID控制的應用

太陽能干燥設備運行時的系統(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)學模型。因此，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠工程經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定。在綜合考慮多種控制理論可行性并參照工程實踐的基礎上，嵌入式太陽能干燥實時監(jiān)測和控制系統(tǒng)選用數(shù)字PID控制技術來實現(xiàn)干燥室的恒溫控制。

嵌入式處理器以上位機設定干燥溫度作為系統(tǒng)控制目標量，以干燥室內實時溫度作為輸入量調用PID算法。PID 輸出量作為變頻器工作頻率對鼓風機轉速進行實時調節(jié)，從而實時增減送入熱風量以完成對干燥室的恒溫控制。

考慮到溫度調節(jié)的特性要求，本系統(tǒng)采用PI 控制。即先根