基于μC/OS-II的粮食水分在线检测系统设计

郭华杰，吴才章

（河南工业大学 电气工程学院，河南 郑州　450001）

基于μC/OS-II的粮食水分在线检测系统设计

郭华杰，吴才章

（河南工业大学 电气工程学院，河南 郑州450001）

针对当前粮食水分检测精度低以及在线实时检测困难的情况，使用经过实验标定的MS-S-2001微波水分传感器，采用将μC/OS-II嵌入式系统移植到STM32单片机的方法；利用μC/OS-II的邮箱通信机制实现对MS-S-2001的数据采集，由μC/OS-II的可抢占式原则进行系统多任务调度，结合STM32的FSMC总线，实现对人机界面的绘制、实时数据显示及水分动态曲线绘制。经过小麦水分实验的验证研究表明，该检测系统具有实时性好、稳定性强、可靠性高等优点，其水分测量误差控制在 以内，完全能够满足在线水分检测的要求。

水分检测；μC/OS-II；STM32单片机；微波水分传感器

粮食水分含量直接影响着粮食的工艺过程、储藏过程和流通过程。在粮食进出仓、面粉加工等多数情况下，要求能够即时动态的预报粮食水分或在线实时检测粮食水分，即要求水分检测在被测物的变化过程中在线式进行，这是许多传统的水分测量方法如电阻法、电容法等难以达到的［1］。

针对当前粮食水分难以实时在线检测［2］，应用现代检测技术，采用灵敏度高、速度快、对环境敏感度小［3-6］的微波检测方法对粮食水分进行在线无损检测。在此基础上，结合嵌入式实时操作系统μC/OS-II技术，实现快速、实时在线粮食水分检测，开发设计面向粮食收储、加工等场合的粮食水分实时在线检测系统。

1　系统总体设计

上位机采用VB6.0和Access数据库实现对数据的显示、存储等后续处理；当水分含量过低或过高时（由按键电路设置）驱动报警电路自动报警。系统总体结构图如图1所示。

图1　系统总体结构图Fig.1　Structure diagram of the system

该系统采用经过标定之后的高精度MS-S-2001微波水分传感器完成对粮食水分的实时采集。微处理器将采集得到的粮食温度、水分等信息通过TFT模块进行实时显示，同时动态绘制水分曲线；通过串口将采集到的数据送给上位机，

2　硬件电路设计

系统硬件电路设计包括：数据采集电路、人机接口电路、按键电路、报警电路、数据通信电路。该系统采用STM32单片机作为控制器。STM32单片机具有FSMC接口，灵活性高，降低了系统设计的复杂性，提高了运行系统的稳定性与可靠性［7］。

2.1微波水分传感器

MS-S-2001微波水分传感器是专门为测量工业生产中使用的固体物料的水分含量而设计，它可以分别通过模拟量（1-5 V）信号和数字量信号与PC或者远程控制器进行连接和通信，实现对粮食水分等数据的实时在线采集。

2.1.1工作原理

多数微波水分传感器检测水分原理［1，3，8］是水对微波能量的吸收和反射等作用，导致微波信号的相位、幅值或频率等参数变化的原理进行水分含量检测的。而MS-S-2001微波水分传感器工作原理是通过发射微波（1 GHZ），微波在被测物质的探头上不断的进行发射和被反射形成传播回路，经由被测物质传播计算出传播时间来确定传感器周围被测物质的介电常数，然后通过被测物质介电常数与土壤含水率的经验公式推算出物料的含水率。同时，通过内嵌的温度传感器信号进行温度补偿，可以获得粮食水分含量与微波检测信号接近理想的线性关系，进而提高水分的检测精度。总之，MS-S-2001可以有效的克服物料和水分快速变化所引起的干扰，使测量结果稳定可靠，测量精度可高达0.1%。其水分检测原理示意图如图2所示。

图2　MS-S-2001水分检测示意图Fig.2　MS-S-2001 moisture detection schematic diagram

2.1.2曲线标定

MS-S-2001传感器具有物料标定功能，用户可以根据工业现场的实际需求，对该传感器进行物料水分的实验值确定，然后将其标定入微波传感器及进行水分曲线标定，使传感器的微波原始值与真实的物料水分相对应，做出的曲线才既能够用于测量物料水分，又能进一步提高水分检测精度。

曲线标定实验所需器材：小麦、烘箱（型号DHG-9037A）、电子称（型号MELLTER TOLEDO MS-105）、水桶、量杯和搅拌设备。

实验步骤如下：1）取一批小麦，经过筛分去除杂质；2）先取出一小部分样品，用MS-S-2001先测量出微波水分反射值，再由《谷物及谷物制品水分含量测定》基本法（即烘箱法）进行小麦含水率的确定；3）将剩余的小麦分成若干等份，按照比例加水混合，制成不同水分含量的样品，贴好标签，搅拌均匀后放入密封盒内，放置24 h（注意该过程要保证水分没有散失）；4）将不同水分含量的样品按照步骤2进行测定；5）根据标定的曲线测定实际样品，记录得到的水分，然后同烘箱法进行对比，通过多组对比来确定测量的准确性。

在实验验证时，可能会出现所得的水分过小或者放置在水桶不同位置时水分测量结果不同，这可能是由于MS-S-2001测得的是体积含水量，物料的紧实程度出现变化会影响测量结果随之变化，这与微波测量方法容易受到物料的形状、密度、厚度的影响［9］相一致；另一方面，同一批小麦颗粒之间及颗粒内部水分均匀度差异也会造成测量结果的不精确。因而试验标定曲线时，需要注意以下几点：1）加水后为了让小麦尽可能多的吸收水分，在放置期间的固定时间间隔还需要不断地翻动、倾倒；2）静态测量时：小麦充分吸收水分后再进行测量，测量的环境、测量方式要与所做试验的环境、步骤尽可能的保持一致；3）每次测量时最好反复的倾倒，保证微波传感器测量面一致；4）翻动、倾倒小麦时，不能让小麦过多的撒落在桶外；5）微波水分反射值的测量时间最好在5分钟左右，然后取这期间的平均值与小麦实际含水率进行一一对应。

经实验确定的11组数据如表1所示。

表1　实验数据表Tab.1　Experimental data table

将以上试验数据标定入微波水分传感器，所标定的曲线如图3所示。

2.2人机接口电路设计

系统的人机接口电路包括TFT显示电路及上位机软件。显示电路采用的是2.4寸TFT液晶显示模块，显示分辨率为320*240，；使用ILI9325芯片控制液晶屏，通过TSC2046芯片控制触摸屏，可显示中英文字符、彩色、数字、图案等；具有并行接口分8位和16位。STM32的FSMC支持8/16/32位的数据宽度，由于在线水分检测的快速、实时检测需求，硬件设计使用接口为16位并口，通过FSMC模拟8080接口进行指令和数据的传输，硬件设计的FSMC_NE1作为8080_CS片选信号，软件需要选取连接的外部存储器为 NOR FLASH；FSMC_A16作为8080_D/CX数据/命令信号，软件需要定义的RAM基地址为0X60020000。这里需要注意的是当FSMC使用不同的区作为片选信号时，需要选择使用不同的外部存储设备（NOR/PSRAM、NAND、PC卡设备）；选择不同的地址线时，RAM的基地址需要重新计算。

图3　水分曲线标定图Fig.3　Moisture curve calibration diagram

3　μC/OS-II实时操作系统软件设计

μC/OS-II是一个可移植、可固化的、可裁剪的、占先式的多任务实时内核，主要是面向中小型的嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性等特点［10］。软件设计主要包括μC/OS-II的移植，系统任务建立，STM32单片机与MS-S-2001的通讯和人机界面。

3.1μC/OS-II在STM32单片机上的移植

移植 μC/OS-II需要修改与处理器相关的 3个文件：OS_CPU.H （C语言头文件）、OS_CPU_C.C（C语言源文件）、OS_CPU_ASM.ASM（汇编源程序文件）［10-11］。μC/OS-II中移植部分如表2所示。

3.2系统任务建立

在μC/OS-II实时操作系统中建立并行存在的 6个任务，按照优先级从高到低分别是系统主任务、串口发送任务、串口接收处理任务、LED闪烁任务、触摸屏任务、用户界面任务。

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

main（）主函数流程图如图4所示。其主要功能是用来完成系统主任务的建立、实时操作系统的启动。系统主任务优先级别最高，在μC/OS-II系统启动后建立其余5个任务，并根据其各自的优先级进行任务调度、运行。其中硬件平台初始化程序：包括系统时钟初始化、串口中断源配置、串口初始化及参数配置、TFT接口及FSMC初始化等。

3.3STM32单片机与MS-S-2001通信

根据MS-S-2001所特有的modubus协议设计数据发送和接收处理任务，这两个任务函数的设计也是整个实时系统实现的关键。当成功接收到微波传感器响应后，通过邮箱发送函数OSMboxPost（）通知接收处理任务进行接收数据的处理，否则接收处理函数中的OSMboxPend（）函数会一直等待串口接收成功的信号量；然后根据MS-S-2001所特有的CRC错误校验，判断数据接收是否正确，正确且水分值在合理范围内则进行数据的处理、显示，否则驱动报警电路报警，重新等待串口接收成功的信号量。接收处理任务流程图如图5所示。

3.4人机界面

人机界面包括两个部分：静态部分和动态部分。静态部分用来显示固定不变的横纵坐标的刻度值及必要的中英文字符显示；动态部分用来显示运行时间 （0-200S），在达到200S后进行实时曲线部分的刷新；显示采集的温度、水分值等信息。动态曲线绘制的流程图如图6所示。

4　实验结果

为了验证系统的测量精度，在实验室进行了在线水分检测试验，并与实际理论值（加水量（l）=（kg）进行比较。测量结果如表3所示。

图4　系统流程图Fig.4　System flow chart

图5　接收处理任务流程图Fig.5　Receive processing task flow chart

图6　曲线绘制流程图Fig.6　Curve drawing flow chart

由表3数据可知：由于实验标定微波传感器数据及μC/ OS-II的移植，使得实时在线水分检测的误差范围在以内，解决了在线水分检测的难点与提高检测精度的问题。

5　结束语

系统采用高速单片机STM32作微处理器和移植μC/OS-II，大幅度提升设计系统的实时性；同时具有数据处理速度快、较高的稳定性和可靠性等优点，使得该系统完全能够满足在线实时检测水分的场合。而且μC/OS-II作为源代码公开的实时内核及系统可裁剪性、可扩展性的特征，极大的增加了设计系统的灵活性，使得系统更容易管理、维护和系统升级。

表3　水分检测数据及误差Tab.3　Data and error of the system

实验和测试结果再次表明所设计的系统运行稳定可靠，具有良好的实时性；该检测系统的设计解决了粮食水分在线检测的难题，且检测结果在误差允许的范围内满足国际要求，完全能够为粮食的收购、运输和储藏提供强有力的技术保障。参考文献：

［1］杜先锋，张胜全，张永林.基于微波的粮食水分检测技术与系统［J］.武汉工业学报，2004，23（2）：32-34.

［2］曹云东，林国栋，张阳，等.粮食水分在线检测控制系统［J］.仪表技术与传感器，2003（4）：17-19.

［3］伟利国，张小超，胡小安，等.微波在线式粮食水分检测系统［J］.农机化研究，2009（6）：145-147.

［4］刘文生，张永林，肖慧.小麦着水中微波水分测控系统设计研究［J］.粮油加工与食品机械，2003（12）：52-54.

［5］殷晓慧.采用微波测水与自适应控制的小麦着水系统［J］.面粉通讯，2007（5）：32-33.

［6］孙健，周展明，唐怀建.国内外粮食水分快速检测方法的研究［J］.粮食储藏，2007（3）：46-49.

［7］黄智伟，王兵，朱卫华.ARM微控制器应用设计与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2012.

［8］王永安，殷海双，段志伟，等.基于单片机AT89C51的粮食水分检测系统［J］.化工自动化与仪表，2013，40（4）：444-446，493.

［9］翟宝峰，郭宏林，许会.粮食水分检测技术的综合分析及发展状况［J］.武汉工业学院学报，2001，5（23）：413-416.

［10］LABROSSE J Jean.嵌入式实时操作系统［M］.2版.邵贝贝等译，北京：北京航空航天大学出版社，2003.

［11］赵刘强，林永君，马良玉，等.基于μC/OS-II嵌入式系统的数据采集系统［J］.嵌入式系统应用，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稿件编号：201510189

2015年粮食公益性行业科研专项（201513003-3）

郭华杰（1991—），男，河南商丘人，硕士研究生。研究方向：检测技术和智能仪表。