摘要：設計了一個基于單片機的轎車車內(nèi)一氧化碳濃度測控功能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以16位高性能單片機SPCE061A為控制核心，采用高精度敏感元件MQ-7，集成運算放大器INA128進行信號調(diào)理，并引入了實時操作系統(tǒng)μC／OS-II進行任務管理。實驗表明：系統(tǒng)實現(xiàn)了轎車空調(diào)運行時一氧化碳氣體的實時監(jiān)控，CO濃度不超過300 ppm，同時具有溫度測量功能，便于進行空調(diào)操作，參數(shù)測量準確，為保證轎車內(nèi)人員安全提供了可靠方案。
關鍵詞：轎車；一氧化碳；傳感器；信號調(diào)理；聲光告警

轎車空調(diào)運行在車輛停駛期間產(chǎn)生的一氧化碳進入轎車車廂內(nèi)極易誘發(fā)中毒事故，隨著轎車的普及，由此引發(fā)的一氧化碳安全事故也越來越多。為了減少這類的事故的發(fā)生，本文設計實現(xiàn)了一個能夠檢測轎車一氧化碳濃度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用凌陽公司高性能16位單片機SPCE 061 A作為控制核心，利用CO傳感器MQ-7采集車內(nèi)一氧化碳，引入μC／OS-II實時操作系統(tǒng)。中國《工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準》規(guī)定：車間連續(xù)接觸8小時的最高容許濃度為300 ppm。因此，設定CO報警門限為300 ppm，當車內(nèi)一氧化碳達到設定的該值時，系統(tǒng)可以發(fā)出聲光告警提示通風換氣，延時一分鐘后則自動打開天窗進行通風，以保證車內(nèi)人員安全，另外，為便于觀察車內(nèi)溫度操作空調(diào)，設計了溫度輔助測試單元，采用DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)溫度測量。

1 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。系統(tǒng)控制芯片選用凌陽公司生產(chǎn)的高性價比16 bit雙核微處理器SPCE061A，該芯片的主要特性是：微處理器內(nèi)核工作電壓VDD為3．0-3．6 V，32位通用可編程I／O端口工作電壓VDDH為5．5 V；微處理器工作時鐘范圍可編程實現(xiàn)0．32～49．152MHz；內(nèi)置SRAM容量為2 kB和FLASH ROM容量為32 kB；系統(tǒng)在備用狀態(tài)下功耗為7．2μW(時鐘為關閉狀態(tài))；可以進行觸鍵喚醒設置；7通道10位電壓模／數(shù)轉換器(ADC)和單通道聲音模／數(shù)轉換器；2個16位可編程定時器／計數(shù)器(可自動預置初始計數(shù)值)；2個10位DAC(數(shù)／模轉換)輸出通道，可以方便實現(xiàn)語音提示功能；14個中斷源易于實現(xiàn)系統(tǒng)的實時控制能力，同時具備串行設備接口便于和其他設備通信；低電壓復位(LVR)和低電壓監(jiān)測(LVD)功能，保證系統(tǒng)的運行可靠；另外16位單片機具有高效率RISC指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境，通過內(nèi)置在線仿真ICE(In Circu it Emulation)實現(xiàn)在線調(diào)試。微處理器支持標準C語言，可以實現(xiàn)C語言與凌陽匯編語言的互相調(diào)用。

圖1所示系統(tǒng)包括傳感器采集電路、CO信號調(diào)理電路、聲光報警電路、LCD顯示電路、溫度測量、電源電路等功能模塊，系統(tǒng)通過CO傳感器MQ-7采集電路采集CO信號，輸出與CO濃度成正比的模擬電壓信號，把電壓信號送入SPCE061A內(nèi)進行A／D轉換后，經(jīng)單片機處理后驅動器顯示出CO濃度值，若CO濃度大于報警電路預設數(shù)值，報警電路發(fā)出報警，延時1分鐘會啟動天窗通風，從而防止CO中毒事故的發(fā)生。
1．1 一氧化碳測試電路設計
一氧化碳傳感器MQ-7對一氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性，其工作電壓為5 V，具有信號輸出指示，雙路信號輸出(模擬量輸出及TTL電平輸出)，TTL輸出有效信號為低電平。(當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機)，模擬量輸出0～5 V電壓，濃度越高電壓越高。且使用壽命較長和穩(wěn)定性較高、可靠的優(yōu)點。為了便于測量顯示一氧化碳濃度，采用模擬量輸出方式，SPCE061A內(nèi)部的ADC功能對MQ-7傳輸?shù)?～5 V電壓進行模數(shù)轉換，經(jīng)濾波處理后進行顯示，達到設定門限值時進行聲光告警，延時1分鐘后送出控制信號給天窗電路，天窗驅動電路打開天窗通風以保證車內(nèi)一氧化碳濃度滿足安全指標。信號調(diào)理電路的核心為集成運算放大器INA128，具有較大的放大性能和抗干擾能力。
MQ-7的信號調(diào)理電路如圖2所示。

1．2 溫度測試電路設計
溫度檢測電路選用DALLS公司生產(chǎn)的“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，其測量溫度范圍達-55～125℃，在-10～85℃范圍內(nèi)，精度為±0．5℃。該器件只有3個引腳(即電源VDD、地線GND、數(shù)據(jù)線DQ)，不需要外部元件，一條數(shù)據(jù)線進行通信。設計系統(tǒng)檢測溫度范圍設計為-5～35℃，精度為0．5℃，已經(jīng)能夠滿足絕大多數(shù)工作環(huán)境的要求；用9位數(shù)字量來表示溫度。本系統(tǒng)用1塊DS18B20實現(xiàn)對環(huán)境溫度的檢測，獲得溫度信息時，先由SPCE061 A的IOA8腳發(fā)送復位脈沖，使DS18B20復位并向SPCE061A發(fā)送響應脈沖，SPCE061A就可以發(fā)送讀DS18B20序列號的命令，然后，SPCE061A再發(fā)出定位命令啟動DS18B20進行溫度轉換，當溫度轉換結束后，SPCE061A發(fā)送DS18B20數(shù)據(jù)存儲指令，即完成了溫度信息數(shù)據(jù)的轉換和讀取。

2 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件主要任務有：設置、修改、LCD顯示的參數(shù)；檢測、計算、顯示溫度、CO濃度等參數(shù)；溫度、CO濃度狀態(tài)指示及報警輸出；定時存儲各種檢測及運算參數(shù)。本系統(tǒng)軟件采用C編程語言和匯編編程語言混合編程、模塊化結構和程序調(diào)用的方法。一般的嵌入式軟件系統(tǒng)的設計都是采用前后臺式的設計方法。傳統(tǒng)的前臺、后臺式的單任務程序開發(fā)方法已經(jīng)不能適應多數(shù)工程的需要，因此系統(tǒng)引入了μC／OS—II，采用多任務式的軟件設計方法。將μC／OS—II移植到SPCE061A微處理器之后，然后就可以對操作系統(tǒng)本身進行需要的擴充。
在系統(tǒng)運行時，CO測量、溫度測量、顯示等任務是處于無限循環(huán)狀態(tài)的，分別實現(xiàn)要求的功能，由μC／OS—II內(nèi)核來進行調(diào)度。系統(tǒng)運行開始時，首先由OSInitial()完成操作系統(tǒng)μC／OS—II所有的變量和數(shù)據(jù)結構初始化，再初始化微控制器的定時器等，通過調(diào)用OSTask Cre at()函數(shù)依次創(chuàng)建各個子任務，并且分配各個子任務優(yōu)先權，置所有子任務為就緒狀態(tài)。最后調(diào)用OSStart()函數(shù)啟動系統(tǒng)，開始多任務調(diào)度。
根據(jù)CO濃度測控及溫度測量系統(tǒng)所要求實現(xiàn)的功能，將系統(tǒng)程序劃分為并行存在的任務及中斷程序。系統(tǒng)中并行存在的5個子任務按優(yōu)先級從高到低依次是：系統(tǒng)監(jiān)視任務、數(shù)據(jù)采集任務、數(shù)據(jù)處理任務、數(shù)據(jù)輸出任務、顯示任務。CO濃度及溫度測量系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集A／D轉換主程序和外部中斷O的服務程序。A／D轉換主程序主要實現(xiàn)SPCE061 A硬件初始化、數(shù)據(jù)采集處理、達到設定濃度300 ppm時進行聲光告警。數(shù)據(jù)采集子程序如圖4所示。

3 μC／OS-Ⅱ的植入
μC／OS-II是一種專門為微控制器設計的實時搶占式多任務操作系統(tǒng)，它以源代碼的形式給出。其內(nèi)核主要提供進程管理、時間管理、內(nèi)存管理等服務。系統(tǒng)最多支持56個任務，每個任務均有一個獨有的優(yōu)先級。由于其內(nèi)核為搶先式，所以總是處于運行態(tài)最高優(yōu)先級的任務占用CPU。系統(tǒng)提供了豐富的API函數(shù)，實現(xiàn)進程之間的通信以及進程狀態(tài)的轉化。多任務系統(tǒng)在進行任務切換時需要完成的主要操作步驟如下：首先將當前子任務CPU所有的寄存器數(shù)值壓入堆棧：然后將CPU系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)全部拷貝到當前子任務的堆棧中；獲取下一個處于運行態(tài)且優(yōu)先級最高的子任務的堆棧指針；再恢復下一個子任務的CPU寄存器的值和系統(tǒng)堆棧中的數(shù)據(jù)；最后通過中斷返回指令或函數(shù)返回指令。在對?C／OS-Ⅱ編寫任務切換程序時需注意：?C／OS-II在每個中斷發(fā)生后都會產(chǎn)生任務調(diào)度，但在中斷結束后進行任務切換時，不能調(diào)用普通任務切換函數(shù)，這是因為在中斷過程中通常要將CPU的狀態(tài)寄存器壓棧操作。

4 結束語
文中采用SPCE061A CPU結合嵌入式實時操作系統(tǒng)?C／OS-II，設計并實現(xiàn)了轎車車內(nèi)環(huán)境溫度測量和CO濃度實時測控?？照{(diào)開啟后，可設定CO濃度在300 ppm的安全范圍上，系統(tǒng)實時監(jiān)測車內(nèi)溫度和CO濃度的變化情況，并記錄、存儲相關數(shù)據(jù)。另外，該系統(tǒng)便于功能擴展，測控精度高、可靠性高、系統(tǒng)成本低，可廣泛應用在煤礦、家庭等一氧化碳存在環(huán)境。