基于ARM7 S3C44B0X处理器的空气质量监测仪设计

康凯

基于ARM7 S3C44B0X处理器的空气质量监测仪设计

康凯

（中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 河南洛阳 471000）

当前人民生活水平的提高，人们对环境问题及健康问题日益重视，室内空气品质状况受到越来越多的重视。人的一生中有2/3的时间是在居室内度过的。本文研究的室内便携式智能空气品质监测仪是以室内空气中有毒有害气体的监测监控为背景，基于三星ARM7 S3C44B0X处理器的室内空气质量监测仪设计，三星S3C44B0X 16/32位RISC处理器被设计来为手持设备等提供一个低成本高性能的方案。智能空气品质监测仪体积小，功耗低，操作简单，适合应用于家庭和社区的医疗健康保健，能够实时知道空气的质量。

空气质量；ARM；S3C44B0X处理器；μC/OS-Ⅱ

1 引言

空气质量的好坏反映了空气污染程度，其依据空气中污染物浓度的高低来进行衡量。来自固定和流动污染源的污染物排放大小是影响空气质量的最主要因素之一。空气质量检测种类包括装修污染、办公室内空气检测、作业场所有害物质检测、食堂油烟检测、锅炉大气及工业窑炉检测及工厂排放工业废气检测。人类正面临煤烟污染、光化学烟雾污染之后，又出现了室内空气污染为主的第三次环境污染。在室内空气中存在五百多种挥发性有机物，其中致癌物质就有二十多种，致病病毒二百多种。危害较大的主要有，氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。大量触目惊心的事实证实，室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”，也成为全世界各国共同关注的问题。全球近一半的人处于室内空气污染中，室内环境污染已经引起35.7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺病和15%的气管炎、支气管炎和肺癌。本系统采用三星ARM7 S3C44B0X处理器芯片作为硬件核心，选用μC/OS-Ⅱ实时操作系统作为嵌入式软件的基础和开发平台。芯片内集成了ARM7TDMI核，并在ARM7TDMI核基本功能的基础上集成了丰富的外围功能模块，便于低成本设计嵌入式应用系统。μC/OS-Ⅱ是一个完整的、源码公开的、可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核。其中μC/OS-ⅡV2.52通过了美国航天管理局的安全认证，可以用于飞机、航天器等与人生命攸关的控制系统中，是值得放心使用的操作系统。实践结果证明，该监测仪操作简单，工作稳定可靠，成本低，具有广阔的应用前景。

2 检测仪总体设计

嵌入式监测系统由硬件层、中间层、软件层、功能层组成，其中板级支持包（BSP）或称硬件抽象层（HAL）的功能在于将系统软件和底层硬件部分隔离，一般具有相关硬件的初始化、数据的输入/输出操作、硬件设备的配置等功能。由于嵌入式操作系统屏蔽掉了很多底层硬件的复杂信息，在开发的过程中，通过操作系统提供的API函数便可以完成大部分工作，可以简化开发过程，提高系统的稳定性，所以该监测仪选用采用嵌入式操作系统。

3 系统硬件部分设计

3.1 系统硬件基本架构

该气体检测仪的传感器阵列电路，其中包括传感器加热电路、传感器信号采集电路；典型的S3C44B0x的外围电路，其中包括实现该系统所需要的5V、3.3V、2.5V、1.4V的电压转换电路、用于程序和数据存储的Flash存储器和Sdram存储器电路、用于显示各种气体当前浓度的液晶显示电路、声光报警电路、键盘操作电路以及用于调试的JTAG接口电路。

3.2 信号拾取原理

该设计中选用的MQ-135气体传感器适用于测量甲醛、甲苯、烟雾、二氧化碳等有害气体；MQ-9传感器用于测量一氧化碳、甲烷、液化石油气这类可燃气体；选用了DHT21温湿度传感模块进行温湿度的测量。MQ-135和MQ-9的测量电路。该测量电路由测试回路和加热回路两部分组成。在测试回路中，传感器表面电阻RS阻值随待测气体浓度的变化而变化，通过与其串联的负载RL上有效电压信号VRL的输出来反应空气中待测气体的浓度。加热电压VH，MQ-135采用5V直流电压作为加热电压；MQ-9采用5V高电压、1.4V低电压循环加热的方式。对于MQ-9，当VH=5V时，清洗传感器；VH=1.4V时，传感器工作，可以采集气体浓度，高电平持续时间为60s，低电平持续时间为90s。

4 软件部分设计

在设计一个简单的应用程序时，可以不使用操作系统，但在设计较复杂的程序时，可能就需要一个操作系统来管理和控制内存、多任务、周边资源。以RTOS为软件开发平台把设计分割为若干独立的任务，应用程序的设计过程可以大为简化。该设计中采用μC/OS-Ⅱ占先式实时操作系统来完成多任务之间的调度和同步。在开启多任务调度之前，首先要进行系统硬件初始化，为随后的操作系统初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境；进行操作系统初始化，创建应用程序环境；根据系统需要，要进行LCD初始化、装载字库；调用系统配置文件；创建任务，包括主任务和应用任务；然后初始化用户界面和系统时钟。以上所有的工作都完成之后，通过执行OSStart（）；来启动多任务调度。为了充分发挥操作系统在任务调度、任务管理、任务通信、时间管理和内存管理等方面的优势，首先必须根据需要实现的功能，合理地划分任务和分配任务的优先级。任务优先级的确定原则是工作频率越高，任务的优先级越高。系统中并行存在七个应用任务，按优先级从高到低依次是模拟信号采集任务、模拟信号处理任务、数字信号采集任务、系统时间修正任务、液晶刷新任务、键盘扫描任务、液晶自动关闭任务。任务之间的通信是通过发送或接收消息、信号量或数据队列来实现的。μC/OS-Ⅱ操作系统上允许同时运行64个任务，其中八个任务被系统的内核使用。要想在应用程序中建立一个新的任务，必须先为任务定义自己的栈空间，选定一个系统唯一的任务优先级。下面以键盘扫描任务为例，具体程序见程序清单。

本文主要介绍了基于S3C44B0x和μC/OS-Ⅱ的室内空气质量监测系统的软、硬件设计方案以及系统中气体传感器的工作原理。由于室内各种环境因子相互影响，而本系统的控制输出仅为简单的百分比信号量，引入模糊算法，专家系统等技术以进一步提高系统的智能决策水平。

[1]何鑫，杜国庆，梅力，阮晶晶.便携式空气质量监测仪的研究[J].电子世界，2015（1）.

[2]贺安坤，陈明，郝红旗.基于S3C44B0X微处理器税控收款机系统的设计[J].微计算机信息，2006（1）.

TP332

A

1004-7344（2016）31-0225-01

2016-10-18

康凯（1980-），男，河南郑州人，工程师，大学本科，研究方向为嵌入式软硬件、自动化控制系统。