基于uC/OS-III的AM2302驅動設計及應用

梁永恩，萬世明

（廣東白云學院大數據與計算機學院，廣州510450）

0 引言

溫度和濕度是工農業生產、環境監測等領域中需要測量兩個重要的物理量。傳統的測量方式是利用模擬信號進行監測，監測系統需要增加信號放大、AD轉換等環節，電路結構較為復雜，數據處理也較為繁瑣。AM2302[1]是新一代的數字溫濕度傳感器，具有體積小、功耗低、響應速度快、信號傳輸距離長距離等優點。本文以AM2302為溫濕度傳感器，利用STM-32F103嵌入式微控制器為主控制器，使用實時操作系統uC/OS III（Micro C OS Three，微型的C語言編寫的操作系統第3版）[2-3]和emWin圖形庫，設計了溫濕度采集系統。該系統具有電路簡單、精度高、成本低、易于編程等優點。本文詳述了AM2302在uC/OS III的驅動設計和應用。

1 AM2302與uC/OS簡介

AM2302是一款新型的單總線數字溫濕度傳感器，內含一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，全量程標定校準，可靠性和長期穩定性好。溫度測量范圍為-40～80℃；濕度測量精度為±2.0%RH；溫度測量精度為＜±0.5℃；響應時間小于5s。采用單總線串行接口，與微控制器的連接簡單，功耗極低，信號傳輸距離可達20米以上。

uC/OS-III是第3代的可固化的、基于優先級的系統內核，支持現代的實時內核所期待的大部分功能，對任務數量和優先級數無限制，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器。由于其具有高度可靠性、魯棒性和安全性，uC/OS實時操作系統已經廣泛使用在照相機、航空電子產品等各種應用中。

2 硬件連接

AM2302為4針單排引腳封裝，其與STM32F103[4]的接口如圖1所示。STM32F103的PA0引腳作為單總線接口，連接AM2302的串行數據單總線SDA，為了保證通信穩定，這里SDA引腳加入了一個5.1KΩ的上拉電阻，VDD接3.3-6V的直流電源VCC，引腳NC懸空（不接VCC和GND）。

圖1 AM2302與STM32F103連接圖

圖2 通信時序

3 驅動程序設計與應用

驅動程序是實時內核和硬件之間的接口，是連接底層硬件和操作系統內核的“橋梁”。驅動程序一般需要實現以下功能：（1）對設備進行初始化；（2）把數據從內核傳送到硬件或從硬件讀取數據；（3）讀取應用程序傳送給設備的數據和回送應用程序請求的數據；（4）監測和處理設備出現的異常。

3.1 時序

AM2302的SDA引腳用于微控制器與AM2302之間的通訊和同步，采用單總線數據格式。AM2302的通信時序如圖2所示。

發送數據前，MCU把數據總線SDA拉低至少800us后釋放總線，發送一次起始信號，AM2302從休眠模式進入高速模式。然后AM2302發送80us左右的低電平作為輸出響應，接著AM2302拉高SDA總線80us左右代表準備進入數據傳送。SDA一次通訊時間5ms左右，當前數據傳輸為40位，高位先出。具體數據格式：40位數據=16位濕度數據+16位溫度數據+8位校驗和。溫度數據的最高位為符號位，當溫度低于0℃時，該位為1。這里的濕度值和溫度值均為實際值的10倍。發送40位數據后將觸發一次溫濕度數據采集，數據采集結束后AM2302自動進入休眠模式，直到下次通信來臨。

3.2 驅動程序設計

根據前述的時序圖，微控制器讀取AM3203溫濕度數據的流程圖如圖3所示。

關鍵代碼如下：

//設置I/O方向

#define IO_AM2302_IN(){GPIOA-＞CRL&=0XFFFFFFF0;GPIOA-＞CRL|=8＜＜0;}

#define IO_AM2302_OUT(){GPIOA-＞CRL&=0XFFFFFFF0;GPIOA-＞CRL|=3＜＜0;}

//I/O操作函數

#define DQ_OUT PAout(0)//數據輸出端口PA0#define DQ_IN PAin(0)//數據輸入端口PA0

unsigned int RH_data,T_data;//定義濕度值，溫度值//濕度高、低8位，溫度高、低8位

unsigned char RH_data_H,RH_data_L;

unsigned char T_data_H,T_data_L;

unsigned char Check_data，ReadSuccess,Sensor_AnswerFlag,Sensor_ErrorFlag;

//讀取溫度任務，每2s讀一次溫濕度數據

static void ReadData_task(void*p_arg){OS_ERR err;

while(1){Clear_data();ReadSuccess=ReadDataFromAM2302();OSTimeDlyHMSM(0,0,2,0,OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT,&err);}}

//清除傳感器數據

void Clear_data(void){RH_data_H=0;RH_data_L=0;T_data_H=0;T_data_H=0;Check_data=0;}

//讀取溫濕度數據，讀取正確返回1，否則返回0

unsigned char ReadDataFromAM2302(void){

unsigned int count; //循環計數

IO_AM2302_OUT();//設置為推挽輸出DQ_OUT=0;//輸出0

delay_ms(1); //延時1ms

DQ_OUT=1; //釋放總線

delay_us(30);

IO_AM2302_IN(); //設置為輸入狀態

//判斷傳感器是否發出響應信號

if(DQ_IN==0){count=0;//判斷從機發出80us的低電平響應信號是否結束

while(!DQ_IN){ //防止進入死循環

if(++count＞300) {return 0;}}

i=0;

//判斷從機是否發出80us的高電平,如發出則進入數據接收狀態

while(DQ_IN){delay_us(1);

if(++count＞300){ return 0;}}//防止進入死循環

//數據接收，接收濕度高位、濕度低位、溫度高位，溫度低位

校驗和(前4個字節之和)

RH_data_H=ReadOneByte();

R H_data_L=ReadOneByte();

T_data_H=ReadOneByte();

T_data_L=ReadOneByte();

Check_data=ReadOneByte();

//校驗收到的數據是否正確

if(Check_data==RH_data_H+RH_data_L+T_data_H+T_da?

ta_L){

RH_data=RH_data_H ＜＜8|RH_data_L;T_data=T_data_H＜＜8|

T_data_L;

retu.;}

else{return 0;}//未收到傳感器響應，返回0

return 0;}

//從AM2302讀取一個字節數據

unsigned char ReadOneByte(void){

unsigned char i,temp;unsigned int count=0;

//存儲讀出的一個字節數據

unsigned char data=0;

for(i=0;i＜8;i++){count=0;

//檢測上次低電平是否結束

while(!DQ_IN){ if(++count＞=300) break;}

delay_us(30);

//AM230.2～30us的高電平表示“0”，以 68～75us高電平

表示“1”

//通過檢測30us后的電平即可區別這兩個狀態

temp=0;

if(DQ_IN)temp=1;

count=0;

while(DQ_IN) { if(++count＞=200) break;}//等待高電

平結束

data＜＜=1;

data|=temp;}return data; }

3.3 界面設計

emWin是SEGGER公司開發的嵌入式圖形庫，它與單任務和多任務環境、專用操作系統或具有任何商業RTOS兼容，采用C語言源代碼。適用于任何尺寸、具有任何顯示控制器和CPU的物理和虛擬顯示器。emWin總共包括4層，從底層到高層分別是LCD驅動器、圖形庫、小工具庫和窗口管理器，每一層都可以分開單獨使用。通過對LCD驅動器層的修改后，可以很方便的移植到STM32F103使用。STemWin是針對ST公司的emWin版本，最新版本為5.28。本系統中采用2.4英寸TFT-LCD顯示屏，顯示控制器采用ILI9325。移植工作主要有以下幾個步驟：（1）在工程中添加STem?Win的源文件和庫文件(STemWin528_CM3_OS_Keil.lib)；（2）修改LCD和GUI配置文件，設置使用操作系統、設置EMWIN內存大小、添加LCD驅動文件、修改LcdWriteReg()、LcdWriteData()、LcdWriteDataMultiple()、LcdReadDataMultiple()、LCD_X_Config()、LCD_X_Dis?playDriver()等函數以正確初始化LCD及設置相關的讀寫寄存器；（3）添加GUI_X_uCOS.c文件，加入時間相關函數、信號量、消息郵箱相關函數、與鍵盤相關函數等。

圖3 讀取溫濕度數據流程圖

溫濕度數據更新的代碼如下：

OS_EVENT*AM2302_Update_Sem;//溫濕度數據更新權

AM2302_Update_Sem=OSSemCreate(1);//創建一個信號量，參數1表示此信號量有效。

void AM2302_Disp_Task(void*p_arg){//溫濕度數據顯示更新任務

OS_ERR err;char text1[6]={0};for(;;){

OSSemPend(AM2302_Update_Sem,0,&err);

sprintf(text1,"%4.1f",T_data/10.0);

TEXT_SetText(WM_GetDialogItem(hWin,ID_TEXT_0),text1);

TEXT_SetText(WM_GetDialogItem(hWin,ID_TEXT_1),"℃");

……

OSSemPost(AM2302_Update_Sem);}

OSTimeDly(250);}

上述代碼中，AM2302_Disp_Task任務用來更新溫濕度數據的顯示。使用OSSemPend函數等待一個信號量有效，通過一個OSSemPost函數釋放一個信號量。更新溫濕度數據之前，要等待AM2302_Up?date_Sem信號量有效并獲得更新的控制權。更新完畢后，要及時地釋放掉信號量，以便其他任務使用這個資源。界面顯示效果如圖4所示。

圖4 界面顯示效果

4 結語

基于uC/OS III提出了AM2302的驅動程序設計及應用方案。AM2302體積小、功耗低、響應快，適用于測量溫濕度的各類應用場合。配合嵌入式實時操作系統uC/OS III和嵌入式圖形庫emWin，簡化了系統設計，提高了系統的易用性和可操作性。