基于ＳＰＣＥ０６１Ａ的溫濕度測控系統設計與實現

摘 要：溫度濕度指標是許多工作環境的重要參數。創新性地研究在16位高性能單片機SPCE061A上移植μC/OSⅡ實時操作系統，選用高性能溫濕度傳感器，設計實現高精度嵌入式實時溫濕度測量控制系統，介紹硬件設計、軟件設計以及μC/OSⅡ移植方法，對于實現環境溫濕度控制具有重要意義。該系統具有易擴展、高可靠性、實時性高、精度高等特點。

關鍵詞：溫度指標； 濕度指標；溫濕度測控系統；實時操作系統

中圖分類號：TN401 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1618603

Design and Realization of TemperatureHumidity Measuring

Controlling System Based on SPCE061A

ZHENG Dongqiang，WAN Yan，ZHANG Pingchuan

(Luohe Vocational Technical College，Luohe，462002，China)

Abstract：The index of temperature humidity is important parameters in many work environments.The innovative research is that the realtime operation system μC/OSⅡ is embedded into microchip SPCE061A to design and realize a system of temperaturehumidity measure control by choosing high performance sensors of temperature and humidity，it mainly introduces the hardware，the software，the program and the transplanting method of μC/OSⅡ respectively. And it is significant in controllinging the temperature humidity satisfied.The experience show that the system with characters of easy extendibility，high stability，goog reliability，high precision and practical realtime.

Keywords：temperature index;humidity index;temperaturehumidity measuringcontrolling system;realtime operation system

倉庫管理、圖書館等很多工作場所的環境對溫、濕度指標有嚴格要求。傳統的人工測量控制以及目前的非實時性單片機測控系統不易實時保障溫、濕度指標。本文采用凌陽公司高性能16位單片機SPCE061A和μC/OSⅡ實時操作系統以及高精度DS18B20溫度傳感器和HIH3605濕度傳感器設計實現了溫濕度實時測控制系統。溫濕度控制的精度分別達到：溫度(-10~85 ℃)±0.5 ℃；濕度(20%~98%RH)±3%RH。

1 系統硬件設計

系統控制芯片選用SPCE061A^［1］，內部結構如圖1所示。該芯片是凌陽公司推出的一款高性價比的16位單片機，其主要特性是：工作電壓：內核工作電壓VDD為3.0～3.6 V(CPU)，I/O口工作電壓VDDH為VDD～5.5 V(I/O)；CPU時鐘：0.32～49.152 MHz；內置2 k字SRAM和32 k閃存ROM；系統處于備用狀態下(時鐘處于停止狀態)，耗電小于2 μA@3.6V；具備觸鍵喚醒的功能；32位通用可編程輸入/輸出端口；2個16位可編程定時器/計數器(可自動預置初始計數值)；7通道10位電壓模/數轉換器(ADC)和單通道聲音模/數轉換器；2個10位DAC(數/模轉換)輸出通道；14個中斷源可來自定時器A / B，時基，2個外部時鐘源輸入、鍵喚醒；具備串行設備接口；低電壓復位(LVR)和低電壓監測(LVD)功能；內置在線仿真(In Circuit Emulation，ICE)。 另外16位單片機具有易學易用的效率較高的一套指令系統和集成開發環境。在此環境中，支持標準C語言，可以實現C語言與凌陽匯編語言的互相調用。

圖2為溫度、濕度測控系統硬件原理示意框圖。下面主要介紹溫度和濕度測量電路。

1.1 溫度測量電路設計

溫度檢測電路選用Dalls公司生產的DS18B20 ^［2］。DS18B20是“一線總線”數字化溫度傳感器，測量溫度范圍為-55~125 ℃，在-10~+85 ℃范圍內，精度為±0.5 ℃。該器件只有3個引腳(即電源VDD、地線GND、數據線DQ)，不需要外部元件，一條數據線進行通信。考慮到濕度傳感器的工作條件-40~+85 ℃，設計系統檢測溫度范圍設計為-10~+85 ℃，精度為0.5 ℃，已經能夠滿足絕大多數工作環境的要求；用9 b數字量來表示溫度；每次將溫度轉換成數字量需200 ms。在單總線工作方式下，允許1條信號線上掛接多個DS18B20，DS18B20都有惟一的ROM代碼(64位產品序列號)。在多點溫度測控系統中，ROM代碼是識別和操作DS18B20的基礎；無論讀取還是選擇對某一個傳感器進行操作，主機必須發送64位ROM代碼。圖3為溫度測量和控制電路示意圖。

在實際系統中，每個任務都是無限循環的，分別實現某一特定的功能，由μC/OSⅡ內核來進行調度。系統運行時，首先調用oshiint()進行初始化，μC/OSⅡ所有的變量和數據結構，再調用Init()初始化微控制器的定時器等，通過調用OSTaskCreat（）依次創建各個任務，并且分配任務優先權，所有新建立任務被置為就緒態。最后調用OSStart()啟動系統，開始多任務調度。

本系統用2塊DS18B20實現對環境溫度的檢測，保證在被測環境范圍內，溫度分布均勻，測量更加準確，使用時將DS18B20放置在被測環境的不同位置。獲得溫度信息時，先由SPCE061A的IOA8腳發送1個1 ms的復位脈沖，以使DS18B20復位后將向SPCE061A發送1個回應脈沖，SPCE061A接到回應脈沖后將發送讀DS18B20序列號的讀ROM命令，以分別讀取3個DS18B20的序列號(每1塊DS18B20有惟一的序列號)；然后，SPCE061A再發出定位命令以選擇在線的DS1820并進行溫度轉換。當溫度轉換完成后，SPCE061A的IOA8腳會發送DS1820的存儲命令，從而完成溫度信息數據的轉換和讀取。

1.2 濕度測量電路設計

濕度傳感器采用Honeywell公司生產的HIH3605^［2］，它為熱固性聚合物電容傳感器，帶集成信號處理電路，5 V恒壓供電，放大線形電壓輸出0~5 VDC對應0~100%RH（相對濕度），精度為±3%RH。低功耗設計200 μA驅動電流，寬工作溫度范圍-40~+85 ℃，穩定性好、低的溫度飄移、抗化學腐蝕性能優良。由于HIH3605為大信號輸出且線性度良好，因此，可省去復雜的信號放大及整形電路，只需經過CPU內部的A/D轉換器將與濕度值成正比的電壓值轉換成16位數字量，和標準進行比對，然后決定是進行加濕還是通風。

2 系統軟件設計

系統軟件主要任務包括：設置、修改、顯示儀表的參數；檢測、計算、顯示溫度、濕度等參數；溫、濕度狀態指示及報警輸出；定時存儲各種檢測及運算參數。本系統軟件采用C語言和匯編語言混合編寫、模塊化結構和程序調用的方法。一般的嵌入式軟件系統的設計都是采用前后臺式的設計方法。傳統的前后臺式的單任務軟件設計方法已經不能滿足工程的需要，因此設計中引入了μC/OSⅡ，采用多任務式的軟件設計方法。將μC/OSⅡ移植到SPCE061A微處理器上后，接下來的工作就是對操作系統本身的擴充。

2.1 主程序設計

按溫濕度測控系統所要求實現的功能，將整個系統劃分為并行存在的任務層和中斷程序。系統中并行存在的幾個任務按優先級從高到低依次是：系統監視任務、數據采集任務、數據處理任務、數據輸出任務、顯示任務。溫濕度測控系統主程序流程圖如圖4所示。

中斷發生時，系統將強行剝奪運行態任務CPU的使用權，將它轉入中斷態保存相關數據到堆棧區之后，執行中斷服務程序。在中斷返回后，系統返回函數將重新進行任務調度，將優先權最高的就緒態轉換為運行態。

2.2 數據采集程序設計

數據采集A/D轉換主程序和外部中斷0服務程序。A/D轉換主程序主要實現SPCE061A硬件初始化、實現A/D轉換。采集數據程序流程圖如圖5所示。

3 μC/OSⅡ的移植

μC/OSⅡ是一種專門為微控制器設計的搶占式實時多任務操作系統^［3］，它以源代碼的形式給出。其內核主要提供進程管理、時間管理、內存管理等服務。系統最多支持56個任務，每個任務均有一個獨有的優先級。由于其內核為搶先式，所以總是處于運行態最高優先級的任務占用CPU。系統提供了豐富的API函數，實現進程之間的通信以及進程狀態的轉化。

多任務系統在運行時每個任務好像獨立占用CPU一樣，因此系統必須為每個任務開辟一塊內存空間作為該任務的任務堆棧。該堆棧的作用是保存任務被切換前時CPU各寄存器的值以及系統堆棧的數據。在進行任務切換時需要完成的工作，主要步驟如下：

(1) 將當前任務CPU所有的寄存器壓棧；

(2) 將CPU系統堆棧的數據全部拷貝到當前任務的任務堆棧中；

(3) 得到下一個處于運行態優先級最高的任務的任務堆棧的指針；

(4) 恢復下一個任務的CPU寄存器的值；

(5) 恢復下一個任務的系統堆棧中的數據；

(6) 通過中斷返回指令或函數返回指令，間接修改PC寄存器的值來進行任務切換。

在為μCOSⅡ編寫任務切換代碼時需要注意：μCOSⅡ在每次發生中斷后都會產生任務調度，但在中斷結束后進行的任務切換，不能調用普通任務切換函數，這是因為在中斷過程中往往伴隨將CPU的狀態寄存器壓棧操作。在中斷后，芯片將PC和SR寄存器的值壓入堆棧，因此，在中斷結束后進行的任務切換中必須對堆棧指針進行調整。

4 結 語

本文采用SPCE061A CPU結合嵌入式實時操作系統μC/OSⅡ，設計并實現了環境溫度濕度實時測控系統。在溫度-10~85 ℃和濕度20%~98%RH，可任意設定溫濕度控制點，而且實時監測環境溫、濕度的變化情況，并記錄、存儲相關數據。另外，該系統便于功能擴展，測控精度高、可靠性高、系統成本低、易操作、易維護，具有廣泛的應用前景。

參 考 文 獻

［1］羅亞非.凌陽16位單片機應用基礎［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［2］張平川，許興廣.基于單片機電熱水器模糊控制系統設計［J］.微計算機信息，2007(32):145146.

［3］孫育河.在ARM上移植μC/OSⅡ的若干問題研究［J］.微計算機信息，2007(10):117119.

［4］陳賾.ARM嵌入式技術實踐教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［5］凌陽大學計劃網站\\.www.unsp.com.cn.

［6］向紅軍，雷彬.基于SHT15型智能傳感器的彈藥庫溫/濕度監控系統的設計\\.國外電子元器件，2006(1):6466.

作者簡介 鄭冬強 男，1972年出生，河南舞陽人，漯河職業技術學院講師。主要從事電工電子以及嵌入式系統教學工作。

萬 琰 男，1971年出生，河南信陽人，漯河職業技術學院講師。主要從事電子技術教學及科研工作。

張平川 男，1968年出生，河南舞陽人，漯河職業技術學院講師，碩士。主要從事電子與嵌入式系統及計算機教學科研工作。