康凱

基于ARM7 S3C44B0X處理器的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

康凱

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所 河南洛陽(yáng) 471000）

當(dāng)前人民生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題及健康問(wèn)題日益重視，室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況受到越來(lái)越多的重視。人的一生中有2/3的時(shí)間是在居室內(nèi)度過(guò)的。本文研究的室內(nèi)便攜式智能空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀是以室內(nèi)空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)監(jiān)控為背景，基于三星ARM7 S3C44B0X處理器的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)，三星S3C44B0X 16/32位RISC處理器被設(shè)計(jì)來(lái)為手持設(shè)備等提供一個(gè)低成本高性能的方案。智能空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀體積小，功耗低，操作簡(jiǎn)單，適合應(yīng)用于家庭和社區(qū)的醫(yī)療健康保健，能夠?qū)崟r(shí)知道空氣的質(zhì)量。

空氣質(zhì)量；ARM；S3C44B0X處理器；μC/OS-Ⅱ

1 引言

空氣質(zhì)量的好壞反映了空氣污染程度，其依據(jù)空氣中污染物濃度的高低來(lái)進(jìn)行衡量。來(lái)自固定和流動(dòng)污染源的污染物排放大小是影響空氣質(zhì)量的最主要因素之一?？諝赓|(zhì)量檢測(cè)種類(lèi)包括裝修污染、辦公室內(nèi)空氣檢測(cè)、作業(yè)場(chǎng)所有害物質(zhì)檢測(cè)、食堂油煙檢測(cè)、鍋爐大氣及工業(yè)窯爐檢測(cè)及工廠(chǎng)排放工業(yè)廢氣檢測(cè)。人類(lèi)正面臨煤煙污染、光化學(xué)煙霧污染之后，又出現(xiàn)了室內(nèi)空氣污染為主的第三次環(huán)境污染。在室內(nèi)空氣中存在五百多種揮發(fā)性有機(jī)物，其中致癌物質(zhì)就有二十多種，致病病毒二百多種。危害較大的主要有，氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。大量觸目驚心的事實(shí)證實(shí)，室內(nèi)空氣污染已成為危害人類(lèi)健康的“隱形殺手”，也成為全世界各國(guó)共同關(guān)注的問(wèn)題。全球近一半的人處于室內(nèi)空氣污染中，室內(nèi)環(huán)境污染已經(jīng)引起35.7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺病和15%的氣管炎、支氣管炎和肺癌。本系統(tǒng)采用三星ARM7 S3C44B0X處理器芯片作為硬件核心，選用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)作為嵌入式軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)。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(jì)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。μC/OS-Ⅱ是一個(gè)完整的、源碼公開(kāi)的、可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。其中μC/OS-ⅡV2.52通過(guò)了美國(guó)航天管理局的安全認(rèn)證，可以用于飛機(jī)、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(shí)踐結(jié)果證明，該監(jiān)測(cè)儀操作簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 檢測(cè)儀總體設(shè)計(jì)

嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件層、中間層、軟件層、功能層組成，其中板級(jí)支持包（BSP）或稱(chēng)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。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(kāi)發(fā)的過(guò)程中，通過(guò)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(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以該監(jiān)測(cè)儀選用采用嵌入式操作系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件基本架構(gòu)

該氣體檢測(cè)儀的傳感器陣列電路，其中包括傳感器加熱電路、傳感器信號(hào)采集電路；典型的S3C44B0x的外圍電路，其中包括實(shí)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(chǔ)的Flash存儲(chǔ)器和Sdram存儲(chǔ)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(bào)警電路、鍵盤(pán)操作電路以及用于調(diào)試的JTAG接口電路。

3.2 信號(hào)拾取原理

該設(shè)計(jì)中選用的MQ-135氣體傳感器適用于測(cè)量甲醛、甲苯、煙霧、二氧化碳等有害氣體；MQ-9傳感器用于測(cè)量一氧化碳、甲烷、液化石油氣這類(lèi)可燃?xì)怏w；選用了DHT21溫濕度傳感模塊進(jìn)行溫濕度的測(cè)量。MQ-135和MQ-9的測(cè)量電路。該測(cè)量電路由測(cè)試回路和加熱回路兩部分組成。在測(cè)試回路中，傳感器表面電阻RS阻值隨待測(cè)氣體濃度的變化而變化，通過(guò)與其串聯(lián)的負(fù)載RL上有效電壓信號(hào)VRL的輸出來(lái)反應(yīng)空氣中待測(cè)氣體的濃度。加熱電壓VH，MQ-135采用5V直流電壓作為加熱電壓；MQ-9采用5V高電壓、1.4V低電壓循環(huán)加熱的方式。對(duì)于MQ-9，當(dāng)VH=5V時(shí)，清洗傳感器；VH=1.4V時(shí)，傳感器工作，可以采集氣體濃度，高電平持續(xù)時(shí)間為60s，低電平持續(xù)時(shí)間為90s。

4 軟件部分設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序時(shí)，可以不使用操作系統(tǒng)，但在設(shè)計(jì)較復(fù)雜的程序時(shí)，可能就需要一個(gè)操作系統(tǒng)來(lái)管理和控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源。以RTOS為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)把設(shè)計(jì)分割為若干獨(dú)立的任務(wù)，應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過(guò)程可以大為簡(jiǎn)化。該設(shè)計(jì)中采用μC/OS-Ⅱ占先式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)完成多任務(wù)之間的調(diào)度和同步。在開(kāi)啟多任務(wù)調(diào)度之前，首先要進(jìn)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(yùn)行建立硬件和軟件環(huán)境；進(jìn)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(jìn)行LCD初始化、裝載字庫(kù)；調(diào)用系統(tǒng)配置文件；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(hù)界面和系統(tǒng)時(shí)鐘。以上所有的工作都完成之后，通過(guò)執(zhí)行OSStart（）；來(lái)啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度。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(shí)間管理和內(nèi)存管理等方面的優(yōu)勢(shì)，首先必須根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能，合理地劃分任務(wù)和分配任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。任務(wù)優(yōu)先級(jí)的確定原則是工作頻率越高，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)越高。系統(tǒng)中并行存在七個(gè)應(yīng)用任務(wù)，按優(yōu)先級(jí)從高到低依次是模擬信號(hào)采集任務(wù)、模擬信號(hào)處理任務(wù)、數(shù)字信號(hào)采集任務(wù)、系統(tǒng)時(shí)間修正任務(wù)、液晶刷新任務(wù)、鍵盤(pán)掃描任務(wù)、液晶自動(dòng)關(guān)閉任務(wù)。任務(wù)之間的通信是通過(guò)發(fā)送或接收消息、信號(hào)量或數(shù)據(jù)隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)上允許同時(shí)運(yùn)行64個(gè)任務(wù)，其中八個(gè)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(gè)新的任務(wù)，必須先為任務(wù)定義自己的?？臻g，選定一個(gè)系統(tǒng)唯一的任務(wù)優(yōu)先級(jí)。下面以鍵盤(pán)掃描任務(wù)為例，具體程序見(jiàn)程序清單。

本文主要介紹了基于S3C44B0x和μC/OS-Ⅱ的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)方案以及系統(tǒng)中氣體傳感器的工作原理。由于室內(nèi)各種環(huán)境因子相互影響，而本系統(tǒng)的控制輸出僅為簡(jiǎn)單的百分比信號(hào)量，引入模糊算法，專(zhuān)家系統(tǒng)等技術(shù)以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的智能決策水平。

[1]何鑫，杜國(guó)慶，梅力，阮晶晶.便攜式空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的研究[J].電子世界，2015（1）.

[2]賀安坤，陳明，郝紅旗.基于S3C44B0X微處理器稅控收款機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006（1）.

TP332

A

1004-7344（2016）31-0225-01

2016-10-18

康凱（1980-），男，河南鄭州人，工程師，大學(xué)本科，研究方向?yàn)榍度胧杰浻布?、自?dòng)化控制系統(tǒng)。