汽車內(nèi)部甲醛檢測與控制系統(tǒng)設(shè)計

劉 歡，劉 康

（安康學院 電子與信息工程學院，陜西 安康 725000）

0 引 言

近年來，隨著國民物質(zhì)和生活水平的不斷改善和提高，購買汽車的人越來越多。與此同時，人們對于汽車健康環(huán)保的問題也愈加重視。眾所周知，汽車內(nèi)部由車頂氈、座椅表皮、儀表盤涂層塑料以及其他裝飾物構(gòu)成，經(jīng)高溫暴曬后，車體內(nèi)部會不時地散發(fā)出一股難聞的塑料金屬味，其主要成分為甲醛。甲醛是一種原生的化學毒物，對人體健康具有直接的危害，其具有長期性、隱蔽性和潛伏性等特點。目前，車內(nèi)甲醛檢測主要以手持式檢測裝置為主，需要長期暴露于高溫和甲醛含量未知的車內(nèi)環(huán)境，存在潛在的健康隱患。同時，手持式檢測裝置含量檢測不準確、使用不便捷、難以實時檢測車體內(nèi)甲醛含量，無法及時預警并采取措施降低甲醛濃度。

針對此問題，本系統(tǒng)結(jié)合單片機控制技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計了一款汽車內(nèi)部甲醛檢測與控制系統(tǒng)，具備車內(nèi)甲醛含量和溫濕度實時檢測、濃度超標語音提醒、遠程控制車內(nèi)通風換氣等功能，避免甲醛濃度過高對人體造成危害，保障車輛使用者的身體健康。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用高靈敏度電化學甲醛傳感器和溫濕度傳感器對車內(nèi)甲醛和溫濕度進行檢測，以STM32F103為系統(tǒng)控制核心，對傳感器數(shù)據(jù)進行處理，輸出至OLED顯示當前車內(nèi)甲醛濃度和溫濕度等信息?？墒褂冒存I設(shè)置甲醛濃度閾值，進行語音提醒，同時通過WiFi模塊將預警數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺，遠程控制車內(nèi)通風換氣模塊開啟/關(guān)閉，降低車內(nèi)甲醛濃度。

系統(tǒng)分為STM32F103主控模塊、甲醛濃度傳感器和溫濕度傳感器、電源模塊、按鍵控制模塊、OLED顯示模塊、WT588D語音模塊和通風換氣共7個模塊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

2.1 STM32核心板

STM32是一種基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位應用程序集微控制器。其具有可靠的高性能、低功耗電源，創(chuàng)新的內(nèi)核以及外設(shè)等超前的產(chǎn)品設(shè)計體系和技術(shù)核心結(jié)構(gòu)，廣泛應用于小型設(shè)備。系統(tǒng)采用STM32F103作為主控模塊，對數(shù)據(jù)進行分析處理并發(fā)出控制指令。

2.2 ZE08-CH2O甲醛模組

ZE08-CHO是一種基于小型分子氣體的電化學通用模組，利用電化學反應原理對空氣中廣泛存在的微量氣體—甲醛進行探測。該模組具有高穩(wěn)定性、高靈敏度和高分辨率等特點，主要應用于新風換氣系統(tǒng)和便攜式設(shè)備。甲醛模組主要技術(shù)指標見表1所列。

表1 甲醛模組技術(shù)指標

2.3 DHT11溫濕度模塊

DHT11是用于數(shù)字數(shù)據(jù)采集和自動化溫濕度檢測的自動測量傳感器，其由一個數(shù)字電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件組成，具有很好的測量可靠性和卓越的長期運行穩(wěn)定性。采用多種單線制串行接口，系統(tǒng)集成簡單快捷，連接方便。DHT11主要技術(shù)指標見表2所列。

表2 DHT11技術(shù)指標

2.4 按鍵模塊

按鍵分為返回鍵及增、減、確認鍵，通過按鍵的增、減來設(shè)置甲醛濃度和溫濕度的閾值，設(shè)置完成后按下“確認”鍵表示設(shè)置成功，按下“返回”鍵將會返回到濃度顯示界面。

2.5 OLED顯示模塊

OLED顯示屏采用非常薄的有機玻璃材料制成涂層和有機玻璃基板，具有控制屏幕視角大小、功耗低、反應速度快和色彩對比度高等優(yōu)點，適用于各種小型系統(tǒng)。系統(tǒng)采用1.3寸4針I(yè)C接口的OLED顯示屏，用于顯示甲醛濃度和溫濕度數(shù)據(jù)。

2.6 WT588D語音模塊

WT588D是一款具有單片機內(nèi)核的高速可編程語音輸入芯片，支持PWM/DAC兩種語音輸出方式，且同時支持插入靜音模式和多種控制模式。該模塊具有聲音抗干擾能力強、輸出音質(zhì)好、音頻采樣率高等特點，可廣泛應用于提醒器、智能家電等領(lǐng)域。

2.7 ESP8266串口WiFi模塊

ESP8266是一款具有先進技術(shù)和高性能的UART-WiFi模塊，支持STA/AP/STA+AP三種工作模式，采用串口與MCU通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠直接實現(xiàn)串口與WiFi間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，具有數(shù)據(jù)傳輸速率快、能耗低和數(shù)據(jù)集成度高等優(yōu)點，應用廣泛。

2.8 OneNET云平臺

OneNET是一款高效、穩(wěn)定、安全的移動物聯(lián)網(wǎng)應用開放平臺，可輕松實現(xiàn)各種移動傳感器和硬件通信設(shè)備的快速接入，支持移動網(wǎng)絡應用環(huán)境和協(xié)議應用類型。該云平臺具有低時延、高并發(fā)、高可用的特點，主要應用于智能家居、車聯(lián)網(wǎng)等商業(yè)領(lǐng)域。

3 軟件設(shè)計

3.1 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計

軟件設(shè)計主要分為人機交互功能模塊和數(shù)據(jù)處理功能模塊。人機交互模塊主要通過用戶輸入指令信號來自動實現(xiàn)所需功能。數(shù)據(jù)處理模塊主要實現(xiàn)溫濕度、甲醛濃度的檢測與顯示功能。通過傳感器不斷采集數(shù)據(jù)，同時對這些數(shù)據(jù)進行處理、修正和補償，最終在OLED屏幕上進行顯示。程序結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 程序流程設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先對系統(tǒng)的各功能模塊進行初始化，設(shè)置標志位和定時器。其次，讀取溫濕度和甲醛濃度對應的模擬電流電壓等電信號參數(shù)值，將模擬數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集。最后，通過按鍵設(shè)置濃度閾值，若濃度超標，則語音提醒，同時將數(shù)據(jù)上傳至云平臺。程序流程設(shè)計如圖3所示。

圖3 程序流程

4 測試結(jié)果

4.1 顯示測試

在數(shù)據(jù)傳輸測試過程中，將甲醛系統(tǒng)放置到汽車中，可以準確檢測到當前車內(nèi)甲醛的濃度以及溫濕度信息，并將信息在OLED屏幕上顯示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地化展示。OLED顯示結(jié)果如圖4所示。

圖4 OLED顯示結(jié)果

4.2 云平臺測試

在數(shù)據(jù)實時展示中，通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)成功發(fā)送至OneNET云平臺，并在云平臺上實時查看更新的數(shù)據(jù)，借助手機發(fā)送指令遠程控制汽車換氣，及時降低車內(nèi)甲醛濃度。OneNET測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 OneNET測試結(jié)果

5 結(jié) 語

本設(shè)計經(jīng)過電路圖設(shè)計、PCB板制作和實物焊接，最終完成了系統(tǒng)軟件和硬件的測試。系統(tǒng)能以較高的精度實時檢測甲醛濃度，從而遠程控制車內(nèi)通風換氣，滿足汽車內(nèi)部甲醛檢測與系統(tǒng)控制的基本需求。