基于μC/OS-II的糧食水分在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭華杰，吳才章

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州　450001）

基于μC/OS-II的糧食水分在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭華杰，吳才章

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

針對(duì)當(dāng)前糧食水分檢測(cè)精度低以及在線實(shí)時(shí)檢測(cè)困難的情況，使用經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的MS-S-2001微波水分傳感器，采用將μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)移植到STM32單片機(jī)的方法；利用μC/OS-II的郵箱通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)MS-S-2001的數(shù)據(jù)采集，由μC/OS-II的可搶占式原則進(jìn)行系統(tǒng)多任務(wù)調(diào)度，結(jié)合STM32的FSMC總線，實(shí)現(xiàn)對(duì)人機(jī)界面的繪制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示及水分動(dòng)態(tài)曲線繪制。經(jīng)過(guò)小麥水分實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證研究表明，該檢測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其水分測(cè)量誤差控制在 以內(nèi)，完全能夠滿足在線水分檢測(cè)的要求。

水分檢測(cè)；μC/OS-II；STM32單片機(jī)；微波水分傳感器

糧食水分含量直接影響著糧食的工藝過(guò)程、儲(chǔ)藏過(guò)程和流通過(guò)程。在糧食進(jìn)出倉(cāng)、面粉加工等多數(shù)情況下，要求能夠即時(shí)動(dòng)態(tài)的預(yù)報(bào)糧食水分或在線實(shí)時(shí)檢測(cè)糧食水分，即要求水分檢測(cè)在被測(cè)物的變化過(guò)程中在線式進(jìn)行，這是許多傳統(tǒng)的水分測(cè)量方法如電阻法、電容法等難以達(dá)到的［1］。

針對(duì)當(dāng)前糧食水分難以實(shí)時(shí)在線檢測(cè)［2］，應(yīng)用現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)，采用靈敏度高、速度快、對(duì)環(huán)境敏感度?。?-6］的微波檢測(cè)方法對(duì)糧食水分進(jìn)行在線無(wú)損檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)在線糧食水分檢測(cè)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)面向糧食收儲(chǔ)、加工等場(chǎng)合的糧食水分實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用VB6.0和Access數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)等后續(xù)處理；當(dāng)水分含量過(guò)低或過(guò)高時(shí)（由按鍵電路設(shè)置）驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路自動(dòng)報(bào)警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of the system

該系統(tǒng)采用經(jīng)過(guò)標(biāo)定之后的高精度MS-S-2001微波水分傳感器完成對(duì)糧食水分的實(shí)時(shí)采集。微處理器將采集得到的糧食溫度、水分等信息通過(guò)TFT模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)動(dòng)態(tài)繪制水分曲線；通過(guò)串口將采集到的數(shù)據(jù)送給上位機(jī)，

2　硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括：數(shù)據(jù)采集電路、人機(jī)接口電路、按鍵電路、報(bào)警電路、數(shù)據(jù)通信電路。該系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為控制器。STM32單片機(jī)具有FSMC接口，靈活性高，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高了運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性［7］。

2.1微波水分傳感器

MS-S-2001微波水分傳感器是專門(mén)為測(cè)量工業(yè)生產(chǎn)中使用的固體物料的水分含量而設(shè)計(jì)，它可以分別通過(guò)模擬量（1-5 V）信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)與PC或者遠(yuǎn)程控制器進(jìn)行連接和通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)糧食水分等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線采集。

2.1.1工作原理

多數(shù)微波水分傳感器檢測(cè)水分原理［1，3，8］是水對(duì)微波能量的吸收和反射等作用，導(dǎo)致微波信號(hào)的相位、幅值或頻率等參數(shù)變化的原理進(jìn)行水分含量檢測(cè)的。而MS-S-2001微波水分傳感器工作原理是通過(guò)發(fā)射微波（1 GHZ），微波在被測(cè)物質(zhì)的探頭上不斷的進(jìn)行發(fā)射和被反射形成傳播回路，經(jīng)由被測(cè)物質(zhì)傳播計(jì)算出傳播時(shí)間來(lái)確定傳感器周?chē)粶y(cè)物質(zhì)的介電常數(shù)，然后通過(guò)被測(cè)物質(zhì)介電常數(shù)與土壤含水率的經(jīng)驗(yàn)公式推算出物料的含水率。同時(shí)，通過(guò)內(nèi)嵌的溫度傳感器信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可以獲得糧食水分含量與微波檢測(cè)信號(hào)接近理想的線性關(guān)系，進(jìn)而提高水分的檢測(cè)精度?？傊琈S-S-2001可以有效的克服物料和水分快速變化所引起的干擾，使測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度可高達(dá)0.1%。其水分檢測(cè)原理示意圖如圖2所示。

圖2　MS-S-2001水分檢測(cè)示意圖Fig.2　MS-S-2001 moisture detection schematic diagram

2.1.2曲線標(biāo)定

MS-S-2001傳感器具有物料標(biāo)定功能，用戶可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，對(duì)該傳感器進(jìn)行物料水分的實(shí)驗(yàn)值確定，然后將其標(biāo)定入微波傳感器及進(jìn)行水分曲線標(biāo)定，使傳感器的微波原始值與真實(shí)的物料水分相對(duì)應(yīng)，做出的曲線才既能夠用于測(cè)量物料水分，又能進(jìn)一步提高水分檢測(cè)精度。

曲線標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所需器材：小麥、烘箱（型號(hào)DHG-9037A）、電子稱（型號(hào)MELLTER TOLEDO MS-105）、水桶、量杯和攪拌設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：1）取一批小麥，經(jīng)過(guò)篩分去除雜質(zhì)；2）先取出一小部分樣品，用MS-S-2001先測(cè)量出微波水分反射值，再由《谷物及谷物制品水分含量測(cè)定》基本法（即烘箱法）進(jìn)行小麥含水率的確定；3）將剩余的小麥分成若干等份，按照比例加水混合，制成不同水分含量的樣品，貼好標(biāo)簽，攪拌均勻后放入密封盒內(nèi)，放置24 h（注意該過(guò)程要保證水分沒(méi)有散失）；4）將不同水分含量的樣品按照步驟2進(jìn)行測(cè)定；5）根據(jù)標(biāo)定的曲線測(cè)定實(shí)際樣品，記錄得到的水分，然后同烘箱法進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)多組對(duì)比來(lái)確定測(cè)量的準(zhǔn)確性。

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)所得的水分過(guò)小或者放置在水桶不同位置時(shí)水分測(cè)量結(jié)果不同，這可能是由于MS-S-2001測(cè)得的是體積含水量，物料的緊實(shí)程度出現(xiàn)變化會(huì)影響測(cè)量結(jié)果隨之變化，這與微波測(cè)量方法容易受到物料的形狀、密度、厚度的影響［9］相一致；另一方面，同一批小麥顆粒之間及顆粒內(nèi)部水分均勻度差異也會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的不精確。因而試驗(yàn)標(biāo)定曲線時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：1）加水后為了讓小麥盡可能多的吸收水分，在放置期間的固定時(shí)間間隔還需要不斷地翻動(dòng)、傾倒；2）靜態(tài)測(cè)量時(shí)：小麥充分吸收水分后再進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的環(huán)境、測(cè)量方式要與所做試驗(yàn)的環(huán)境、步驟盡可能的保持一致；3）每次測(cè)量時(shí)最好反復(fù)的傾倒，保證微波傳感器測(cè)量面一致；4）翻動(dòng)、傾倒小麥時(shí)，不能讓小麥過(guò)多的撒落在桶外；5）微波水分反射值的測(cè)量時(shí)間最好在5分鐘左右，然后取這期間的平均值與小麥實(shí)際含水率進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定的11組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1　Experimental data table

將以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定入微波水分傳感器，所標(biāo)定的曲線如圖3所示。

2.2人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的人機(jī)接口電路包括TFT顯示電路及上位機(jī)軟件。顯示電路采用的是2.4寸TFT液晶顯示模塊，顯示分辨率為320*240，；使用ILI9325芯片控制液晶屏，通過(guò)TSC2046芯片控制觸摸屏，可顯示中英文字符、彩色、數(shù)字、圖案等；具有并行接口分8位和16位。STM32的FSMC支持8/16/32位的數(shù)據(jù)寬度，由于在線水分檢測(cè)的快速、實(shí)時(shí)檢測(cè)需求，硬件設(shè)計(jì)使用接口為16位并口，通過(guò)FSMC模擬8080接口進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸，硬件設(shè)計(jì)的FSMC_NE1作為8080_CS片選信號(hào)，軟件需要選取連接的外部存儲(chǔ)器為 NOR FLASH；FSMC_A16作為8080_D/CX數(shù)據(jù)/命令信號(hào)，軟件需要定義的RAM基地址為0X60020000。這里需要注意的是當(dāng)FSMC使用不同的區(qū)作為片選信號(hào)時(shí)，需要選擇使用不同的外部存儲(chǔ)設(shè)備（NOR/PSRAM、NAND、PC卡設(shè)備）；選擇不同的地址線時(shí)，RAM的基地址需要重新計(jì)算。

圖3　水分曲線標(biāo)定圖Fig.3　Moisture curve calibration diagram

3　μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

μC/OS-II是一個(gè)可移植、可固化的、可裁剪的、占先式的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核，主要是面向中小型的嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性等特點(diǎn)［10］。軟件設(shè)計(jì)主要包括μC/OS-II的移植，系統(tǒng)任務(wù)建立，STM32單片機(jī)與MS-S-2001的通訊和人機(jī)界面。

3.1μC/OS-II在STM32單片機(jī)上的移植

移植 μC/OS-II需要修改與處理器相關(guān)的 3個(gè)文件：OS_CPU.H （C語(yǔ)言頭文件）、OS_CPU_C.C（C語(yǔ)言源文件）、OS_CPU_ASM.ASM（匯編源程序文件）［10-11］。μC/OS-II中移植部分如表2所示。

3.2系統(tǒng)任務(wù)建立

在μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中建立并行存在的 6個(gè)任務(wù)，按照優(yōu)先級(jí)從高到低分別是系統(tǒng)主任務(wù)、串口發(fā)送任務(wù)、串口接收處理任務(wù)、LED閃爍任務(wù)、觸摸屏任務(wù)、用戶界面任務(wù)。

表2　μC/OS-II移植修改部分Tab.2　μC/OS-II transplant modified part

main（）主函數(shù)流程圖如圖4所示。其主要功能是用來(lái)完成系統(tǒng)主任務(wù)的建立、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的啟動(dòng)。系統(tǒng)主任務(wù)優(yōu)先級(jí)別最高，在μC/OS-II系統(tǒng)啟動(dòng)后建立其余5個(gè)任務(wù)，并根據(jù)其各自的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度、運(yùn)行。其中硬件平臺(tái)初始化程序：包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、串口中斷源配置、串口初始化及參數(shù)配置、TFT接口及FSMC初始化等。

3.3STM32單片機(jī)與MS-S-2001通信

根據(jù)MS-S-2001所特有的modubus協(xié)議設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收處理任務(wù)，這兩個(gè)任務(wù)函數(shù)的設(shè)計(jì)也是整個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。當(dāng)成功接收到微波傳感器響應(yīng)后，通過(guò)郵箱發(fā)送函數(shù)OSMboxPost（）通知接收處理任務(wù)進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的處理，否則接收處理函數(shù)中的OSMboxPend（）函數(shù)會(huì)一直等待串口接收成功的信號(hào)量；然后根據(jù)MS-S-2001所特有的CRC錯(cuò)誤校驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)接收是否正確，正確且水分值在合理范圍內(nèi)則進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、顯示，否則驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路報(bào)警，重新等待串口接收成功的信號(hào)量。接收處理任務(wù)流程圖如圖5所示。

3.4人機(jī)界面

人機(jī)界面包括兩個(gè)部分：靜態(tài)部分和動(dòng)態(tài)部分。靜態(tài)部分用來(lái)顯示固定不變的橫縱坐標(biāo)的刻度值及必要的中英文字符顯示；動(dòng)態(tài)部分用來(lái)顯示運(yùn)行時(shí)間 （0-200S），在達(dá)到200S后進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線部分的刷新；顯示采集的溫度、水分值等信息。動(dòng)態(tài)曲線繪制的流程圖如圖6所示。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了在線水分檢測(cè)試驗(yàn)，并與實(shí)際理論值（加水量（l）=（kg）進(jìn)行比較。測(cè)量結(jié)果如表3所示。

圖4　系統(tǒng)流程圖Fig.4　System flow chart

圖5　接收處理任務(wù)流程圖Fig.5　Receive processing task flow chart

圖6　曲線繪制流程圖Fig.6　Curve drawing flow chart

由表3數(shù)據(jù)可知：由于實(shí)驗(yàn)標(biāo)定微波傳感器數(shù)據(jù)及μC/ OS-II的移植，使得實(shí)時(shí)在線水分檢測(cè)的誤差范圍在以內(nèi)，解決了在線水分檢測(cè)的難點(diǎn)與提高檢測(cè)精度的問(wèn)題。

5　結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用高速單片機(jī)STM32作微處理器和移植μC/OS-II，大幅度提升設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；同時(shí)具有數(shù)據(jù)處理速度快、較高的穩(wěn)定性和可靠性等優(yōu)點(diǎn)，使得該系統(tǒng)完全能夠滿足在線實(shí)時(shí)檢測(cè)水分的場(chǎng)合。而且μC/OS-II作為源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)內(nèi)核及系統(tǒng)可裁剪性、可擴(kuò)展性的特征，極大的增加了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的靈活性，使得系統(tǒng)更容易管理、維護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)。

表3　水分檢測(cè)數(shù)據(jù)及誤差Tab.3　Data and error of the system

實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果再次表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有良好的實(shí)時(shí)性；該檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了糧食水分在線檢測(cè)的難題，且檢測(cè)結(jié)果在誤差允許的范圍內(nèi)滿足國(guó)際要求，完全能夠?yàn)榧Z食的收購(gòu)、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。參考文獻(xiàn)：

［1］杜先鋒，張勝全，張永林.基于微波的糧食水分檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)［J］.武漢工業(yè)學(xué)報(bào)，2004，23（2）：32-34.

［2］曹云東，林國(guó)棟，張陽(yáng)，等.糧食水分在線檢測(cè)控制系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2003（4）：17-19.

［3］偉利國(guó)，張小超，胡小安，等.微波在線式糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009（6）：145-147.

［4］劉文生，張永林，肖慧.小麥著水中微波水分測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.糧油加工與食品機(jī)械，2003（12）：52-54.

［5］殷曉慧.采用微波測(cè)水與自適應(yīng)控制的小麥著水系統(tǒng)［J］.面粉通訊，2007（5）：32-33.

［6］孫健，周展明，唐懷建.國(guó)內(nèi)外糧食水分快速檢測(cè)方法的研究［J］.糧食儲(chǔ)藏，2007（3）：46-49.

［7］黃智偉，王兵，朱衛(wèi)華.ARM微控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

［8］王永安，殷海雙，段志偉，等.基于單片機(jī)AT89C51的糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)［J］.化工自動(dòng)化與儀表，2013，40（4）：444-446，493.

［9］翟寶峰，郭宏林，許會(huì).糧食水分檢測(cè)技術(shù)的綜合分析及發(fā)展?fàn)顩r［J］.武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，5（23）：413-416.

［10］LABROSSE J Jean.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)［M］.2版.邵貝貝等譯，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［11］趙劉強(qiáng)，林永君，馬良玉，等.基于μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010，26（2-2）：62，65-66.

Design of grain moisture online detection based on μC/OS-II

GUO Hua-jie，WU Cai-zhang
（College of Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

Using experimentally calibrated MS-S-2001 microwave moisture sensor，and the μC/OS-II embedded system transplanted to the STM32 microprocessor method to resolve the current low grain moisture detection precision as well as online real-time detection difficult circumstance；using μC/OS-II's mailbox communication mechanism to realize MS-S-2001 data acquisition；using the principle of μC/OS-II preemptive multi-task scheduling system，combined with the STM32 FSMC bus to achieve the user graphical interface drawing，real-time data display and dynamic curves draw.Proven wheat moisture experiments show that the detection system has the advantages of good real-time，high stability，high reliability，and its moisture measurement error control in less than，which can meet the requirements of the online moisture measurement.

moisture detection；μC/OS-II；STM32 microprocessor；microwave moisture sensor

TP609

A

1674－6236（2016）03-0061-04

2015-10-26稿件編號(hào)：201510189

2015年糧食公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201513003-3）

郭華杰（1991—），男，河南商丘人，碩士研究生。研究方向：檢測(cè)技術(shù)和智能儀表。