基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計

李 萍，蘇燕辰，郭太春

（1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.武漢鐵路局武漢動車基地漢口動車所，湖北 武漢 430000）

1 引 言

目前，困擾人們?nèi)粘Ｉ畹氖覂?nèi)空氣質(zhì)量問題主要有兩種：（1）由于房屋裝修、玩具、殺蟲噴霧劑等帶來的有害氣體，如甲醛、揮發(fā)性有機物（VOCs：包含苯系物）等致癌物質(zhì)；（2）人們?nèi)粘Ｉ钪杏捎诖中幕蛟O(shè)備故障引起的有害氣體泄露，如水煤氣、天然氣、液化石油氣等的泄露給人體帶來危害。因此，有必要設(shè)計一種集這兩方面有害氣體監(jiān)測為一體的便攜式室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀（IAQ Monitoring System），及時、準(zhǔn)確、有效地對生活壞境中這類有害氣體進行檢測并報警，提醒人們做出一定措施。不僅能有效地保護人們的健康，甚至能夠讓很多家庭災(zāi)難得以避免。

該系統(tǒng)采用Samsung公司的S3C44B0x微處理器芯片作為硬件核心，選用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)作為嵌入式軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。S3C44B0x芯片內(nèi)集成了ARM7TDMI核，并在ARM7TDMI核基本功能的基礎(chǔ)上集成了豐富的外圍功能模塊，便于低成本設(shè)計嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。μC/OS-Ⅱ是一個完整的、源碼公開的、可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核。其中μC/OS-ⅡV2.52通過了美國航天管理局（FAA）的安全認(rèn)證，可以用于飛機、航天器等與人生命攸關(guān)的控制系統(tǒng)中，是值得放心使用的操作系統(tǒng)。實踐結(jié)果證明，該監(jiān)測儀操作簡單，工作穩(wěn)定可靠，成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

由于嵌入式操作系統(tǒng)屏蔽掉了很多底層硬件的復(fù)雜信息，在開發(fā)的過程中，通過操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)便可以完成大部分工作，可以簡化開發(fā)過程，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以該監(jiān)測儀選用采用嵌入式操作系統(tǒng)。

嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)由硬件層、中間層、軟件層、功能層組成，各層的內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中板級支持包（BSP）或稱硬件抽象層（HAL）的功能在于將系統(tǒng)軟件和底層硬件部分隔離，一般具有相關(guān)硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作、硬件設(shè)備的配置等功能。

圖1 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)組成

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件基本架構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要由兩大部分組成：（1）針對該氣體監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器陣列電路，其中包括傳感器加熱電路、傳感器信號采集電路；（2）典型的S3C44B0x的外圍電路，其中包括實現(xiàn)該系統(tǒng)所需要的5V、3.3V、2.5V、1.4V的電壓轉(zhuǎn)換電路、用于程序和數(shù)據(jù)存儲的Flash存儲器和Sdram存儲器電路、用于顯示各種氣體當(dāng)前濃度的液晶顯示電路、聲光報警電路、鍵盤操作電路以及用于調(diào)試的JTAG接口電路。室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 氣體傳感器信號拾取原理

該設(shè)計中選用的MQ-135氣體傳感器適用于測量甲醛、甲苯、煙霧、二氧化碳等有害氣體；MQ-9傳感器用于測量一氧化碳、甲烷、液化石油氣這類可燃?xì)怏w；選用了DHT21溫濕度傳感模塊進行溫濕度的測量。

MQ-135和MQ-9的測量電路如圖3所示。該測量電路由測試回路和加熱回路兩部分組成。在測試回路中，傳感器表面電阻RS阻值隨待測氣體濃度的變化而變化，通過與其串聯(lián)的負(fù)載RL上有效電壓信號VRL的輸出來反應(yīng)空氣中待測氣體的濃度，VRL與RS之間關(guān)系如式（1）所示。

圖3 中，A，a，B，b，H，h 為氣體傳感器的 6 個接頭；VC為回路電壓；VH為加熱電壓；RH為加熱電阻；RS為傳感器表面電阻；RL為取樣電阻；VRL為輸出電壓。

圖3 氣體傳感器信號拾取電路原理圖

對于圖3中的加熱電壓VH，MQ-135采用5 V直流電壓作為加熱電壓；MQ-9采用5 V高電壓、1.4V低電壓循環(huán)加熱的方式。對于MQ-9，當(dāng)VH=5V時，清洗傳感器；VH=1.4 V時，傳感器工作，可以采集氣體濃度，其中，高電平持續(xù)時間為60 s，低電平持續(xù)時間為90s。MQ-9加熱電壓波形如圖4所示。

圖4 MQ-9傳感器加熱電壓波形圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在設(shè)計一個簡單的應(yīng)用程序時，可以不使用操作系統(tǒng)，但在設(shè)計較復(fù)雜的程序時，可能就需要一個操作系統(tǒng)來管理和控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源。以RTOS為軟件開發(fā)平臺把設(shè)計分割為若干獨立的任務(wù)，應(yīng)用程序的設(shè)計過程可以大為簡化。該設(shè)計中采用μC/OS-Ⅱ占先式實時操作系統(tǒng)來完成多任務(wù)之間的調(diào)度和同步。

4.1 系統(tǒng)軟件基本架構(gòu)

該系統(tǒng)的主函數(shù)流程圖如圖5所示，從中也可以看出該嵌入式系統(tǒng)的啟動過程以及該系統(tǒng)軟件基本架構(gòu)。在開啟多任務(wù)調(diào)度之前，首先要進行系統(tǒng)硬件初始化，為隨后的操作系統(tǒng)初始化和應(yīng)用程序的運行建立硬件和軟件環(huán)境；第二步要進行操作系統(tǒng)初始化，創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境；根據(jù)系統(tǒng)需要，要進行LCD初始化、裝載字庫；第五步，調(diào)用系統(tǒng)配置文件；第六步創(chuàng)建任務(wù)，包括主任務(wù)和應(yīng)用任務(wù)；然后初始化用戶界面和系統(tǒng)時鐘。以上所有的工作都完成之后，通過執(zhí)行OSStart（）；來啟動多任務(wù)調(diào)度。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

4.2 應(yīng)用軟件設(shè)計

為了充分發(fā)揮操作系統(tǒng)在任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、任務(wù)通信、時間管理和內(nèi)存管理等方面的優(yōu)勢，首先必須根據(jù)需要實現(xiàn)的功能，合理地劃分任務(wù)和分配任務(wù)的優(yōu)先級。任務(wù)優(yōu)先級的確定原則是工作頻率越高，任務(wù)的優(yōu)先級越高。系統(tǒng)中并行存在7個應(yīng)用任務(wù)，按優(yōu)先級從高到低依次是模擬信號采集任務(wù)、模擬信號處理任務(wù)、數(shù)字信號采集任務(wù)、系統(tǒng)時間修正任務(wù)、液晶刷新任務(wù)、鍵盤掃描任務(wù)、液晶自動關(guān)閉任務(wù)。任務(wù)之間的通信是通過發(fā)送或接收消息、信號量或數(shù)據(jù)隊列來實現(xiàn)的。

μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)上允許同時運行64個任務(wù)，其中8個任務(wù)被系統(tǒng)的內(nèi)核使用。要想在應(yīng)用程序中建立一個新的任務(wù)，必須先為任務(wù)定義自己的?？臻g，選定一個系統(tǒng)唯一的任務(wù)優(yōu)先級。下面以鍵盤掃描任務(wù)為例，具體程序見程序清單4.1。

程序清單4.1鍵盤掃描任務(wù)相關(guān)代碼：

5 結(jié)束語

該文主要介紹了基于S3C44B0x和μC/OS-Ⅱ的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計方案以及系統(tǒng)中氣體傳感器的工作原理。在監(jiān)測儀中移植嵌入式實時操作系統(tǒng)對提高嵌入式系統(tǒng)的實時性、可靠性，縮短開發(fā)周期和減小后期維護的難度具有重要意義。經(jīng)測試，該監(jiān)測儀具有運行穩(wěn)定、測量準(zhǔn)確、報警及時、操作簡單、功能齊全、便攜性好等優(yōu)點，并且隨著S3C44B0x以及其外圍電子芯片價格的降低，該監(jiān)測儀更具有成本低廉的優(yōu)點，適合普通家庭使用。

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