基于嵌入式的車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)*

高麗娜，王曉陽，李昊霖，劉偉麗

（山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟南 250100）

隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，車內(nèi)環(huán)境污染日益引起人們的重視。車內(nèi)環(huán)境污染主要是汽車內(nèi)不通風(fēng)、裝修材料釋放有害氣體等導(dǎo)致。包括塑料腳墊、地毯、座套等，這些裝修材料容易污染車內(nèi)空氣，導(dǎo)致車內(nèi)空氣質(zhì)量降低。據(jù)相關(guān)調(diào)查，一些汽車存在甲醛超標(biāo)、苯含量超標(biāo)、二氧化碳超標(biāo)、二甲苯超標(biāo)的情況。近年來，PM2.5逐漸進(jìn)入了人們的視線，PM2.5是指大氣中直徑≤2.5 μm 的顆粒物，人體無法隔離PM2.5。因此，實時檢測車內(nèi)空氣中PM2.5濃度至關(guān)重要。基于此，課題小組設(shè)計了一款檢測汽車內(nèi)空氣質(zhì)量的便攜式檢測儀。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計

目前，市場上的嵌入式單片機種類較多，單片機的功能、內(nèi)存、速度也都存在一定差異，較為常用的有STM32、51、STC、AVR、PIC、TMS、MSP430 等。在本設(shè)計中，結(jié)合車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀消耗低、便攜性的特點，選用STM32 單片機，該單片機具有功能強大、功耗成本低、執(zhí)行指令速度快和性價比高的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車系統(tǒng)與無線技術(shù)等領(lǐng)域[1-3]。本設(shè)計的車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀系統(tǒng)主要包括溫濕度檢測模塊、甲醛檢測模塊、PM2.5檢測模塊、STM32 最小系統(tǒng)、液晶顯示屏、GSM 模塊、語音播報模塊、風(fēng)扇電機模塊與太陽能供電模塊，能夠?qū)崟r檢測車內(nèi)空氣質(zhì)量，并將檢測結(jié)果實時顯示到液晶屏上，通過短信的方式及時傳輸?shù)娇蛻舻囊苿佣耍到y(tǒng)總體框架圖如圖1 所示。在車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的設(shè)計中，STM32系統(tǒng)中的芯片完成對整個系統(tǒng)的控制，并提供對外的接口，包括GSM 模塊、凈化模塊、語音播報模塊、液晶顯示屏等。通過甲醛傳感器、溫濕度傳感器、PM2.5傳感器，對車內(nèi)甲醛濃度、溫濕度、PM2.5濃度進(jìn)行檢測，并將采集信號傳送到單片機，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由編程序控制器控制本系統(tǒng)的工作過程。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

1.2 檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊

1.2.1 溫濕度檢測模塊

本設(shè)計采用型號為DHT11 的溫濕度傳感器，該傳感器是數(shù)字信號輸出，有著性價比高、功耗低、體積小等優(yōu)點。測量精度范圍在20%RH～90%RH、0～50℃，測濕精度為±5%RH，測溫精度為±2℃，分辨率為1，是一款集中數(shù)字化傳感器，傳輸信號高達(dá)20 m，能夠滿足設(shè)計要求[4]，溫濕度檢測接口電路圖如圖2所示。

圖2 溫濕度檢測接口電路圖

將DHT11 模塊連接在STM32 的PG2 引腳上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，溫濕度傳感器模塊的供電電壓為3.3 V～5 V，在上電后，為了避免由于不穩(wěn)定造成的測量誤差，需等待1 s 后，再由單片機向傳感器發(fā)送信號指令[5]。

1.2.2 甲醛濃度檢測模塊

本設(shè)計需要采集車內(nèi)甲醛濃度數(shù)據(jù)，使得用戶能夠及時知道車內(nèi)甲醛情況，并針對檢測的甲醛濃度，開啟相應(yīng)的GSM 短信功能、凈化功能。因此，需要選用一款甲醛傳感器，檢測車內(nèi)空氣中的甲醛。本設(shè)計采用ZE08-CH2O 的電化學(xué)甲醛傳感器，這款甲醛傳感器具有體積小、功耗低、精度高的優(yōu)點，是設(shè)計車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的優(yōu)選[6]，甲醛檢測接口電路圖如圖3所示。

圖3 甲醛檢測接口電路圖

1.2.3 PM2.5濃度檢測模塊

在本設(shè)計中，需要檢測PM2.5濃度，并將檢測到的PM2.5濃度實時顯示到液晶屏上，提醒用戶車內(nèi)空氣質(zhì)量情況。因此，需要選用一款PM2.5傳感器，檢測車內(nèi)空氣中PM2.5情況，經(jīng)過一系列對比分析，本設(shè)計采用GP2Y1014AU 的PM2.5傳感器。這款灰塵傳感器性價比高，能夠檢測車內(nèi)空氣中的PM2.5含量，描述車內(nèi)空氣質(zhì)量等級，常被用于車載空氣凈化系統(tǒng)中，符合本系統(tǒng)設(shè)計要求。GP2Y1014AU 的檢測原理簡單，傳感器中心有洞，讓空氣流過，通過LED 光對折射光線進(jìn)行檢測，從而得到空氣中灰塵情況[7]。GP2Y1014AU 傳感器反應(yīng)速度可達(dá)到10 ms，能夠檢測直徑最小為0.8 μm 的粒子。GP2Y1014AU PM2.5接口電路圖如圖4所示。

圖4 GP2Y1014AU PM2.5接口電路圖

1.3 液晶顯示模塊

在本設(shè)計中，需要將檢測到的溫濕度、甲醛濃度、PM2.5濃度實時顯示出來，方便用戶參考。因此，本設(shè)計需要一款液晶顯示屏，將檢測到的空氣質(zhì)量情況顯示出來。經(jīng)過一系列對比，采用性價比高的OLED 液晶顯示屏，這款液晶顯示屏有顯示圖形、漢字、數(shù)字與字符的功能，對工作環(huán)境要求低。OLED液晶顯示屏的電致發(fā)光是通過多層薄膜產(chǎn)生的，OLED 相比LCD，更加輕薄、發(fā)光效率高、清晰度高、功耗低，符合本設(shè)計要求[8]。OLED液晶顯示屏接口電路圖如圖5所示。本設(shè)計中，OLED液晶顯示屏的時鐘線接口SCL 與單片機的PA5 連接，數(shù)據(jù)線接口SDA 與單片機的PA7連接，GND接地，VCC接3.3 V電源。

圖5 OLED 液晶顯示屏接口電路圖

1.4 GSM模塊

當(dāng)車內(nèi)有害氣體濃度超標(biāo)時，需要向用戶發(fā)送短信，及時提醒用戶。因此，本設(shè)計需要一款GSM 短信通信模塊，實現(xiàn)短信發(fā)送的通信功能。本系統(tǒng)采用的SIM800A GSM（一款工業(yè)級雙頻GSM/GPRS模塊內(nèi)核的短信模塊）進(jìn)行通信，該模塊有著雙向傳輸、性價比高的優(yōu)點，可支持STM32 單片機通信和DTMF、SMS（短信、彩信）、GPRS 數(shù)據(jù)的傳輸，同時具有TTS（本地文本語音播放功能）。當(dāng)卡座插入SIM 時，可向用戶發(fā)送信息。GSM 功能完善、接口豐富、工作穩(wěn)定、抗干擾性強、體積較小，適用于需要短信、語音、GPRS 等多種數(shù)據(jù)服務(wù)的領(lǐng)域，在智能家居、遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域應(yīng)用較多[9-10]。單片機通過向GSM 發(fā)送指令控制模塊，將車內(nèi)空氣質(zhì)量情況發(fā)送到用戶移動端。SIM800A GSM模塊原理圖如圖6所示。

圖6 SIM800A GSM 模塊原理圖

1.5 電機驅(qū)動模塊

在本設(shè)計中，當(dāng)檢測車內(nèi)空氣氣體濃度超過一定值時，會開啟凈化功能，通過電機驅(qū)動模塊控制排風(fēng)扇，根據(jù)車內(nèi)有害氣體的相應(yīng)濃度，開啟不同檔位的排風(fēng)扇，實現(xiàn)對氣體的有效吸收。因此，本設(shè)計需要采用一款電機驅(qū)動模塊，控制排風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計選用型號為L298N 的電機驅(qū)動模塊，其具有工作電壓高、電流大、抗干擾能力強、驅(qū)動能力強的優(yōu)勢，被廣泛用于驅(qū)動直流電機、步進(jìn)電機，電機驅(qū)動模塊原理如圖7所示[11]。

圖7 電機驅(qū)動模塊原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計的車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀能夠?qū)噧?nèi)的甲醛濃度、PM2.5濃度、溫濕度進(jìn)行檢測，將檢測數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上，讓車內(nèi)人員能夠及時了解車內(nèi)空氣情況。單片機處理數(shù)據(jù)，判斷是否需要開啟凈化功能、語音播報功能與短信功能，軟件系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8 軟件系統(tǒng)框圖

3 總結(jié)

基于STM32 單片機設(shè)計的車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀，能夠?qū)崟r測量車內(nèi)的空氣質(zhì)量，包括溫濕度、甲醛濃度與PM2.5濃度，實現(xiàn)檢測儀的基本功能，并且當(dāng)車內(nèi)氣體濃度超標(biāo)時，能夠向用戶發(fā)送短信提醒，并自動開啟凈化功能。