基于單片機(jī)的車內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

李千里 汪祖坤

摘要：汽車內(nèi)部空氣質(zhì)量是影響健康的重要因素，是最常用的出行工具。因此，研制一種便攜式、可靠、簡單、低成本檢測器真正重要的是反映機(jī)器中污染物的種類和含量。本項(xiàng)目研究了苯乙烯和甲醛，確認(rèn)了有害氣體飛機(jī)的空氣質(zhì)量。這個(gè)儀器可以通過打開一個(gè)顯示來顯示。有害氣體濃度過高的話，哪些氣體超過了車輛標(biāo)準(zhǔn)。另外，以SD卡為儲(chǔ)存，對(duì)不同時(shí)期有害氣體濃度進(jìn)行檢測，為汽車空氣質(zhì)量分析提供了依據(jù)。

Abstract： The air quality inside a car is an important factor affecting health， and it is the most commonly used travel tool. Therefore， it is really important to develop a portable， reliable， simple and low-cost detector to reflect the type and content of contaminants in the machine. This project studied styrene and formaldehyde， and confirmed the air quality of harmful gas aircraft. This instrument can be displayed by opening a display. If the concentration of harmful gases is too high， which gases exceed the vehicle standards. In addition， the SD card is used as storage to detect the concentration of harmful gases in different periods， which provides a basis for automobile air quality analysis.

關(guān)鍵詞：單片機(jī);車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Key words： single chip microcomputer;air quality detection in the car;system design

中圖分類號(hào)：F014.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0196-02

1? 緒論

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生活質(zhì)量的提高，汽車在日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛。國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)適應(yīng)了汽車產(chǎn)業(yè)全球化的趨勢，其銷售量，從2000年的2091萬人增加到2000年的21680萬人。2013年和2198萬人失業(yè)了。2013年。這意味著中國已經(jīng)成為汽車數(shù)量龐大的引擎。同時(shí)，由于汽車行業(yè)發(fā)展迅速，相關(guān)行業(yè)發(fā)展迅速，技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)無法配合，這給汽車的環(huán)境污染帶來了機(jī)遇。

所謂車內(nèi)環(huán)境污染，是指由于車身的保養(yǎng)和通風(fēng)以及中國家電市場的巨大需求，導(dǎo)致車內(nèi)空氣質(zhì)量下降，環(huán)境污染的主要來源是裝飾材料、車身等，很多人從馬拉生產(chǎn)線進(jìn)入市場，結(jié)果車上的一些材料和裝飾物含有對(duì)人體健康有害的氣體，而且沒有足夠的時(shí)間來擺放這些裝飾物，包括舊地毯，如果排放塑料腳墊、座套、車頂板，等不符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，這將導(dǎo)致汽車的環(huán)境污染。同時(shí)，大多數(shù)消費(fèi)者在購車后都要對(duì)車進(jìn)行裝飾，有的甚至要經(jīng)過一段時(shí)間的改造，有的商家以購車為宣傳手段，讓含有有毒物質(zhì)的裝飾材料進(jìn)入車內(nèi)，難免污染車內(nèi)空氣，人們會(huì)在不知不覺中中毒。

2? 車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案可行性分析

通過對(duì)不同數(shù)據(jù)的分析，表明國內(nèi)外對(duì)內(nèi)部空氣質(zhì)量控制的不同方法進(jìn)行了研究，各有優(yōu)缺點(diǎn)。電子鼻由氣體傳感器陣列和相關(guān)識(shí)別設(shè)備組成，用于識(shí)別不同類型的氣味。該方法的成功應(yīng)用證明，利用氣體傳感器陣列進(jìn)行空氣質(zhì)量控制是非常有效的。電子鼻子等儀器的空氣分析結(jié)果與化學(xué)試劑的結(jié)果密切相關(guān)。另外，Zampuuri等人還開發(fā)了檢測二氧化氮（NO2）和一氧化碳（CO）的人工嗅覺系統(tǒng)。資產(chǎn)階級(jí)已經(jīng)完成了對(duì)工業(yè)廢水排放的監(jiān)測?；趩涡酒刂频钠嚳諝赓|(zhì)量測量儀的開發(fā)，以及光柵傳感器作為控制工具的應(yīng)用，以及后續(xù)研究人員的寶貴經(jīng)驗(yàn)，為汽車空氣質(zhì)量的研究奠定了基礎(chǔ)。

2.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本課題所研究的系統(tǒng)是以C8051 F020主控晶體為核心，以傳感器陣列為氣體探測器，以SD卡為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，以單片機(jī)為核心，在硬件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量的測量，在最后一臺(tái)機(jī)器的Lab View中開發(fā)的軟件用作溫度補(bǔ)償、濃度定義等的輔助模塊。這不需要高級(jí)軟件的附加功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路：選擇系統(tǒng)中用于氣體濃度測量的傳感器，相關(guān)模塊的開發(fā);設(shè)計(jì)了用于危險(xiǎn)氣體分類的天然氣流量調(diào)整管道。根據(jù)傳感器尺寸和控制電路安裝傳感器，通過觀察氣體室氣體的進(jìn)出，確定空氣室中傳感器陣列的位置。在SD卡CA上創(chuàng)建FATF文件系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)從最下層傳送到最高層。完成了下級(jí)機(jī)的軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)數(shù)據(jù)的保存、顯示、警報(bào)音照明等硬件。適合溫度補(bǔ)償、濃度校正等功能。

其工作過程是：在實(shí)驗(yàn)過程中，潔凈的空氣進(jìn)入氣室，傳感器基本校準(zhǔn)為潔凈零信號(hào)，待氣體（如甲醛）均勻、平滑后完成凈化，氣體達(dá)到已知濃度并與傳感器發(fā)生反應(yīng)，相應(yīng)的電信號(hào)丟失，接收到的信號(hào)經(jīng)過處理后進(jìn)行濾波放大。氣體濃度數(shù)據(jù)以TXT格式存儲(chǔ)在文檔中。使用按鈕檢測另一種氣體如苯乙烯來切換氣路上的取樣通道，在操作過程中也會(huì)發(fā)生同樣的情況。

3? 車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì)

3.1.1 單片機(jī)的選型

如果選擇微處理器，則必須考慮微處理器的數(shù)目、端口的數(shù)目、I/O特性、ROM和RAM的空間大小、運(yùn)行速度等。另外，選擇系統(tǒng)微處理器時(shí)，請(qǐng)考慮電源電壓、電力消耗、調(diào)整方法等。該系統(tǒng)不需要單芯片的高速操作，不需要框架和朗姆酒中的空間大小和氣體濃度。C8051F020與標(biāo)準(zhǔn)8051端口相似，但有幾個(gè)改進(jìn)?？梢栽谝韵挛恢眠M(jìn)行。作為開啟或推挽輸出而構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)低功率。與標(biāo)準(zhǔn)51宏處理器系列相比，最顯著的變化應(yīng)該是交叉數(shù)字開關(guān)數(shù)的增加。這是一個(gè)很大的交流網(wǎng)絡(luò)。在軟件開發(fā)中，數(shù)字資源與相關(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù)兼容。與支持不同功能組合的標(biāo)準(zhǔn)多媒體機(jī)相比，該功能允許用戶根據(jù)系統(tǒng)需要執(zhí)行的功能來選擇所需的數(shù)字資源和輸入/輸出。C8051F020內(nèi)置可編程增益放大器，可選擇性增加各種氣體傳感器的輸出，大大簡化了輸出信號(hào)的調(diào)節(jié)電路。從以上分析可以看出，本節(jié)性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)微處理器的選型中，C8051F020有一個(gè)12位ADC0，ADC09通道有直接連接ICU內(nèi)部溫度傳感器的輸入通道。系統(tǒng)不使用Aino-Ain7通道。其余8個(gè)信道使用模擬信號(hào)，每個(gè)信號(hào)可以被配置為差分輸入和兩個(gè)單極輸入。因此，MCU可以通過將ADC設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)來節(jié)省能源;標(biāo)準(zhǔn)ADC VREF電壓有兩個(gè)選擇，一個(gè)是AVCC，另一個(gè)是AVCC。如果將另一源電壓源外推到AREF的五分之一，則穩(wěn)定在2.0V，小于AVCC，選擇2.46V。模數(shù)集模塊的設(shè)計(jì)是將8個(gè)ADC 0輸出至8面面板，在之后的設(shè)計(jì)中，用一臺(tái)機(jī)器收集各種信號(hào)，并進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)。

3.1.2 氣體檢測模塊設(shè)計(jì)

氣體傳感器是一種將有害氣體濃度信息轉(zhuǎn)換為等效電信號(hào)的裝置，根據(jù)接收信號(hào)的大小，得到空氣中有害氣體濃度的信息。目前應(yīng)用最廣泛。然而，由于未來可以檢測各種氣體的儀器，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是通過傳感器陣列來檢測空氣中的有害成分，特別是傳感器的選擇和光柵的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)是為測量汽車在氣體環(huán)境中的空氣質(zhì)量而設(shè)計(jì)的，因此所選用的傳感器必須對(duì)目標(biāo)氣體有足夠的靈敏度和較高的檢測精度。在我國《汽車空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中，對(duì)8種有害氣體的濃度進(jìn)行了測定，甲醛和苯乙烯被用來檢查甲醛和苯乙烯以確認(rèn)是兩種氣體。甲醛氣體傳感器具有半導(dǎo)體、光學(xué)、電化學(xué)、光化學(xué)等各種各樣的原理。比較了不同類型傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。電化傳感器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定。系統(tǒng)選擇甲醛氣體傳感器。確定模型后，收集各種甲醛氣體傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)，確定傳感器的分辨和測量范圍。

在苯乙烯氣體傳感器的研究中，發(fā)現(xiàn)了以下用于苯乙烯氣體測試的傳感器。TGS系列的半導(dǎo)體氣體傳感器由日本的菲加羅公司生產(chǎn)。根據(jù)TGS2602和MQ-138的性能測試，例如電化苯氣體傳感器有毒氣體傳感器MQ-138，MQ-138對(duì)其他氣體過敏，少量其他氣體對(duì)輸出信號(hào)有重要影響，TGS2602最終由于靈敏度高而被淘汰，使用壽命長價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)，選擇并使用苯乙烯氣體檢測系統(tǒng)的部件。

TGS2602的工作原理是傳感器的感應(yīng)元件由一層mop晶體管組成的傳感器晶體構(gòu)成，集成在一個(gè)加熱單元中。

3.2 SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)中，為了避免低位機(jī)和上位機(jī)之間傳輸線路的繁雜，系統(tǒng)采用了更多可移植的SD卡。將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在上位機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步處理。系統(tǒng)正常運(yùn)行后，有害氣體濃度不會(huì)隨時(shí)間變化。SD卡是基于半導(dǎo)體的存儲(chǔ)設(shè)備，有非常大的存儲(chǔ)設(shè)備。因?yàn)榭梢钥焖賯鬏敂?shù)據(jù)，所以廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備領(lǐng)域。實(shí)際SD卡消息支持兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：SPI模式和SD卡模式。但只能執(zhí)行其中一種，那么這兩種操作模式將分別描述。目前，大多數(shù)單片機(jī)都有SPI硬件接口，使用非常方便。首次啟動(dòng)SD卡系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)命令選擇信息類型。在SPI模式下，您可以通過選擇頂部或底部來訪問SD卡拓?fù)洹D卡選擇SPI命令的末尾來處理數(shù)據(jù)，否則在數(shù)據(jù)有效期內(nèi)級(jí)別應(yīng)該非常低。如果單片機(jī)在開發(fā)SD卡程序時(shí)能設(shè)置高電平的選擇信號(hào)，則不影響SD卡程序的開發(fā)。SD卡模型的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，四條數(shù)據(jù)線并行傳輸。由于傳輸協(xié)議非常復(fù)雜，在單片機(jī)的某一部分中沒有這樣的接口。當(dāng)然可以使用SD卡總線仿真軟件，但是它需要更多的I/O端口，這降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。在SD卡模式下，MCU可以通過SD卡總線訪問并用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在SD卡存儲(chǔ)系統(tǒng)的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有常用的卡電源線和SCK時(shí)鐘總線，但數(shù)據(jù)線和命令線都是SD卡獨(dú)有的。

4? 結(jié)束語

綜上所述，本課題是以C8051F020為主要處理器，安裝空氣質(zhì)量檢測儀，主要用于甲醛和苯乙烯的濃度檢測。當(dāng)有害氣體濃度過高時(shí)，報(bào)警聲音無法達(dá)到，通過提醒車內(nèi)人員采取相應(yīng)措施改善車內(nèi)空氣質(zhì)量，系統(tǒng)還可實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度。論文的主要工作如下：①制定了系統(tǒng)總體方案，并分別介紹了系統(tǒng)的功能和概念，軟硬件組成部分，為后續(xù)工作打下了基礎(chǔ)。②開發(fā)了單片機(jī)的模塊化硬件，并對(duì)其外圍電路、SD卡CA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、天然氣管道等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)板的設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和軟件編程提供了硬件基礎(chǔ)。③完成系統(tǒng)軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)氣體濃度檢測、顯示、音響照明功能，根據(jù)硬件電路存儲(chǔ)SD卡CA數(shù)據(jù)。

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