摘要：以ARM Cortex—M3處理器STM32F103VBT6為核心，應用AM2301溫濕度傳感模塊實現對太陽能干燥室內溫濕度參數的實時監測，采用數字PID控制技術控制鼓風機的轉速，保持干燥室內的溫度穩定，并通過繼電器控制排氣扇的啟停使干燥室內濕度保持在設定上限之下。干燥室通過RS 485總線和上位機通信，上位機設定干燥室內的目標溫度和濕度上限，并實時顯示干燥室內溫度、濕度、鼓風機轉速、排氣扇開關狀態等參數。嵌入式系統軟件采用FreeRTOS實時操作系統，保證了系統的實時性和可靠性，實現對太陽能干燥室內溫濕度的實時監測與控制。經現場應用驗證了系統運行穩定，控制精度高，響應速度快。

0 引言

太陽能是一種清潔可再生能源，應用前景十分廣闊。近年來，利用太陽能進行農產品、藥品的加工也因其節能、干燥時間短、干燥品質高等特點而發展十分迅速。為保證干燥物料的品質與干燥效率，太陽能干燥設備在進行干燥作業時需要對干燥室內的溫濕度進行實時監控。沈陽農業大學王勝利、付立思等人研制的基于AT89C51的智能太陽能干燥控制系統沒有進行實時操作系統的移植，監測與控制的實時性要求無法得到妥善滿足，設備的干燥效果也因此受到影響。內蒙古農業大學徐明娜研制的基于PLC的苜蓿太陽能干燥控制系統雖然運行也較穩定，但整體造價較為昂貴，并不適宜大規模推廣應用。針對太陽能干燥監控系統實時性、穩定性、宜推廣性的設計需求，本文開發研制了一套基于STM32和FreeRTOS的實時嵌入式太陽能干燥監測和控制系統，采用溫濕度傳感器AM2301對溫濕度進行測量，并經RS 485通信線路傳輸至PC上位機，實現了對太陽能干燥室內溫濕度的實時監測;采用數字PID控制鼓風機轉速與繼電器控制排氣扇啟停相配合完成對太陽能干燥室內溫濕度的實時控制。上位機采用組態軟件編寫，具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點，監測與控制界面簡潔明了易操作。經測試表明整個系統具有運行穩定、反應迅速、操作簡便等特點，能夠實現干燥作業中對干燥室內溫濕度的實時監測與控制。

1 嵌入式太陽能干燥監測和控制系統設計

嵌入式太陽能干燥實時監測和控制系統由PC上位機、嵌入式ARM處理器、AM2301溫濕度傳感器、RS 485通信電路、繼電器控制電路等組成。

AM2301采集到干燥室內的實時溫濕度參數，由嵌入式ARM處理器經RS 485通信線路傳輸至PC上位機進行顯示與保存。上位機人工設定的干燥溫度經RS 485通信線路傳至嵌入式處理器作為系統控制目標量，以干燥室內實際溫度作為輸入量調用PID控制算法。PID控制算法輸出量作為變頻器工作頻率對鼓風機的轉速進行實時調節，從而實時增減送入熱風量以實現對干燥室的恒溫控制。當監測到太陽能干燥室內的濕度高于上位機設定的上限值時，繼電器觸點吸合控制排氣扇開啟將干燥室內的過濕廢氣排空，達到濕度控制的目的。系統結構框圖如圖1所示。

2 嵌入式太陽能干燥監測和控制系統硬件設計

2.1 嵌入式處理器選擇與應用

嵌入式太陽能干燥實時監測和控制系統的主控處理器采用低功耗高速工業級芯片STM32F103VBT6(意法半導體)。STM32系列具有專為高性能、低成本、低功耗嵌入式應用設計的ARM Cortex-M3內核，內部集成了優異的安全時鐘模式、帶喚醒功能的低功耗模式、內部RC振蕩器、內嵌復位電路等，大大簡化了外圍電路設計，性能也有較大提高。STM32系列單片機還可便捷的實現實時操作系統的移植，能夠滿足本嵌入式太陽能干燥實時監測和控制系統的設計需求。

2.2 AM2301溫濕度采集電路設計

嵌入式太陽能干燥實時監測和控制系統采用AM2301濕敏電容數字溫濕度模塊來獲取干燥室內的實時溫濕度參數。AM2301包含有一個電容式感濕元件和一個高精度測溫元件，與一個高性能8位單片機相連接，具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優點，并且每個傳感器都已在極為精確的濕度校驗室中進行校準。AM2301采用標準總線接口使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20 m以上。溫濕度采集電路如圖2所示。

AM2301傳感器的溫度測量范圍為-40～80℃，精度可達0.1 ℃;濕度測量范圍為0.1～99.9%RH，精度可達0.1%RH，完全能夠滿足本系統的設計需要。AM2301溫濕度傳感器測量分辨率為8位，單總線傳輸數據分為整數部分和小數部分，完整的一次數據傳輸為40位，具體數據格式如下所述：

32位數據位，其中8位濕度整數數據、8位濕度小數數據、8位溫度整數數據、8位溫度小數數據;8位校驗位，為8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據結果后8位。

AM2301溫濕度部分讀取程序如下：

2.3 繼電器控制電路設計

當監測到干燥室內濕度超過上位機設定的上限值時，STM32單片機將繼電器控制引腳電平拉高，繼電器觸點吸合控制排氣扇開啟;當監測到干燥室內濕度降低至上限值以下時，STM32單片機將繼電器控制引腳電平拉低，繼電器觸點分離控制排氣扇關閉，完成過濕廢氣的排空工作。繼電器控制電路如圖3所示。

2.4 RS 485通信電路設計

太陽能干燥設備需要長時間工作在露天環境下，對通信電路的距離和抗干擾要求較高。針對此項要求，實時嵌入式太陽能干燥監測和控制系統采用SP485R芯片組建RS 485通信控制電路實現與PC上位機的通信。SP485R應用電路如圖4所示。