基于STC89C51 單片機的汽車檢測換氣系統(tǒng)設(shè)計

華奕銘，王旭啟

（西京學(xué)院 電子信息學(xué)院，陜西西安，710100）

在如今飛速發(fā)展的年代，各種高技術(shù)的產(chǎn)物不斷涌現(xiàn)，車輛逐漸走向智能，此次針對車輛換氣問題，提出一種新型的車輛換氣檢測裝置，以達到對車輛換氣通風(fēng)的警示。它能根據(jù)空氣中的CO2濃度和溫濕度的改變來引導(dǎo)司機調(diào)節(jié)汽車通風(fēng)，從而營造出一個較好的室內(nèi)空氣質(zhì)量，而且具有較高的經(jīng)濟性和實用性；它具有廣闊的市場前景，是汽車內(nèi)部通風(fēng)的一個很好的手段。

隨著社會和經(jīng)濟的迅速發(fā)展，汽車的生產(chǎn)和銷量不斷地創(chuàng)新高。但是，從汽車尾氣中排放出來的微粒和氣態(tài)污染物將會增多。在國內(nèi)，PM2.5 的濃度經(jīng)常超標，這是導(dǎo)致大面積的霧霾的一個重要原因。為了減少尾氣的排放，減少對環(huán)境的影響，我們需要改進車輛的換氣系統(tǒng)。

時代在發(fā)展，車輛的換氣通風(fēng)設(shè)備也在不斷的變化，越來越符合現(xiàn)代的需求。在最新的車輛換氣裝置的研制中，主要對內(nèi)部的感應(yīng)器進行了改造，通過改變感應(yīng)器可以使換氣裝置發(fā)生質(zhì)變。新的車輛通風(fēng)換氣裝置有許多優(yōu)勢，例如可以自動換氣和散熱器，而且價格也相對于舊式車輛的換氣裝置便宜；因此，新型的汽車換氣系統(tǒng)將會被更多地使用和普及。

1 總體方案

本文介紹了由STC89C51 系統(tǒng)控制模塊，計數(shù)模塊、顯示模塊、測量模塊、報警模塊、AD 轉(zhuǎn)換模塊，和其它一些電路組成的車輛換氣控制電路。本研究旨在實現(xiàn)車輛通風(fēng)系統(tǒng)的提示。在汽車啟動后，汽車內(nèi)部通風(fēng)裝置上的氣體感應(yīng)器會對汽車中的CO2濃度和溫濕度值進行測量。該裝置具有清零健，能夠消除數(shù)據(jù)。利用該功能按鈕，可以設(shè)定車輛對應(yīng)的各項指標，利用氣體傳感器和溫濕度傳感器來偵測車輛目前的CO2濃度及含溫濕度值，并與設(shè)定的參數(shù)值進行比對；若超出標準值，通過報警模塊的蜂鳴器通知使用者，將采集到的傳感器的數(shù)據(jù)通過數(shù)字模擬變換，將其顯示在LCD 屏幕上，方便使用者查看。

本課題所要求的傳感器為氣體傳感器和溫濕度傳感器。本系統(tǒng)以STC89C51 為核心，能及時有效地向各部件發(fā)出命令，并對各部件進行測量。整個電路的結(jié)構(gòu)包括：晶振電路，報警電路，復(fù)位電路；而顯示器則是構(gòu)成完整的體系和滿足設(shè)計需求不可缺少的一環(huán)。該系統(tǒng)可以通過控制器來讀出和顯示CO2濃度和溫濕度的數(shù)據(jù)，在達到要求時，可以正常的進行，不需要警報，如果不符合要求，就會發(fā)出聲音和燈光警告。同時，還可以在液晶顯示屏上實時地看到溫濕度等數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計

2.1 控制模塊

控制模塊采用STC89C51 單片機作為控制模塊的核心，STC89C51 是一種功耗低、性能高的單時鐘的單片機，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。它的高穩(wěn)定性和性價比使得它相比于其他同類產(chǎn)品要更加有優(yōu)勢。STC89C51 單片機內(nèi)部有著不可或缺的三個電路，它們分別是：晶振電路，復(fù)位電路和供電電路。本設(shè)計采用自激蕩方式，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩產(chǎn)生時鐘信號。石英晶振選擇頻率為12MHz，電容選擇30pF。按下開關(guān)鍵實現(xiàn)單片機復(fù)位。其電路原理圖如圖2 所示。

圖2 控制模塊電路

2.2 檢測模塊

2.2.1 氣敏傳感器

該系統(tǒng)采用氣敏傳感器直接測量車內(nèi)部分濃度。所選擇的CO2傳感器為MG811 型CO2氣體傳感器, MG811 型CO2氣體傳感器的特點為CO2有良好的靈敏度和選擇性受溫濕度的變化影響較小，并且有著良好的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性。通常應(yīng)用于空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)和發(fā)酵過程控制以及溫室 CO2濃度檢測。傳感器如圖3 所示。

圖3 MG811 型CO2 傳感器

2.2.2 溫濕度傳感器電路

本次設(shè)計采用DHT11 溫濕度傳感器模塊，作為一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，DHT11 溫濕度傳感器采集的數(shù)值是非常準確的，其采集范圍為：溫度0℃～50℃±2℃，濕度：20～90%RH。DHT11 采用單總線雙線串行通信協(xié)議，采集過程首先是STC89C52 單片機發(fā)起開始信號，通過I/O 引腳發(fā)送給DHT11，之后DHT11反向單片機發(fā)送響應(yīng)，并將采集到的數(shù)據(jù)按照40 位數(shù)據(jù)幀格式輸出，最高位在前，數(shù)據(jù)格式為：8bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 校驗位，溫濕度小數(shù)部分默認為0，即單片機采集的數(shù)據(jù)都是整數(shù)，校驗位為4 個字節(jié)的數(shù)據(jù)相加取結(jié)果的低8 位數(shù)據(jù)作為校驗和，單片機將檢測到的數(shù)據(jù)解析，得出溫度和濕度的具體數(shù)值，最終顯示在液晶屏上。

2.3 A/D 轉(zhuǎn)換模塊

A/D 轉(zhuǎn)換就是模擬轉(zhuǎn)數(shù)字信號的過程，本程序設(shè)計選用延時等待法。該設(shè)計的A/D 轉(zhuǎn)換模塊采用的是ADC0809 進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，它主要是將模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。抽樣、量化和編碼是A/D 變過程中的重要環(huán)節(jié)，在一般轉(zhuǎn)換的情況下，編碼和量化都是同時進行并完成的。

2.4 LCD1602 液晶顯示電路

LCD1602 稱為工業(yè)字符LCD，可同時顯示32 個字符，即16 列和2 行。LCD 已被用作許多電子產(chǎn)品的設(shè)備，人們接受單片機的反饋主要是通過LED 發(fā)光管、液晶顯示屏和數(shù)碼管。LCD 的工作原理：利用LCD 的物理特性，顯示區(qū)域由電壓控制，上電后可顯示圖形。 LCD 體積薄，直接由大型集成電路驅(qū)動，易于實現(xiàn)全彩色顯示，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機，便攜式計算機，PDA 移動通信工具等領(lǐng)域。

2.5 報警電路

報警電路是整個系統(tǒng)的核心的一個部分，主要起到接收系統(tǒng)對氣體檢測得到的結(jié)果對外界進行一個反饋，然后以數(shù)據(jù)等途徑傳遞給檢測者。蜂鳴器采用直流電壓供電，作為結(jié)構(gòu)一體化的電子通訊器，當(dāng)空氣檢測模塊檢測到污染空氣時紅燈和蜂鳴器分別響亮。報警子程序值設(shè)定后，傳感器輸入AD 轉(zhuǎn)換，調(diào)用比較程序根據(jù)比較標準結(jié)果完成警報。晶體管和集成電路都可以形成一個多諧振蕩器。當(dāng)打開1.5～15V直流工作電壓時，振蕩器開始振動，發(fā)出1.5～2.5kHz 頻率的聲音信號，使阻抗匹配器來推動電壓發(fā)出響動的聲音。

圖5 蜂鳴電路

3 軟件設(shè)計

3.1 編程語言選擇

本系統(tǒng)是基于STC89C51 單片機開發(fā)，選擇C 語言作為開發(fā)語言。Keil μvsion5 是現(xiàn)今嵌入式程序開發(fā)運用最為廣泛的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，可以實現(xiàn)對ARM 以及更高級內(nèi)核的處理。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)每個功能需求都采用模塊化設(shè)計，每個子模塊功能由主控程序調(diào)用。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，進入主控程序，完成IO口，LCD 液晶顯示，串口，中斷等模塊的各個模塊的初始化，并讀取溫度，車內(nèi)污染空氣濃度。檢測氣體濃度是否超過設(shè)定值，進入子程序并顯示在LED 屏幕上。之后系統(tǒng)等待每個模塊做出響應(yīng)。當(dāng)模塊檢測到異常時，蜂鳴器發(fā)出警報。

3.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計

A/D 轉(zhuǎn)換就是模擬轉(zhuǎn)數(shù)字信號的過程，通過編寫延時程序，設(shè)置延時時間讓CPU 處于信號等待狀態(tài)，而這個時間設(shè)置至少要能使AD 模塊轉(zhuǎn)換完成，CPU 在設(shè)定時間內(nèi)不能進行其他工作需要等待結(jié)束后在讀取數(shù)據(jù)。本程序設(shè)計選用AD0809 模塊，采用延時等待法。

3.2.3 液晶顯示程序設(shè)計

數(shù)據(jù)顯示屏幕選用的是LCD 液晶顯示屏，考慮到用戶投入時候后的實際體驗感，選擇了較高級的LED 屏，LCD模塊與單片機采用并口通信，用單片機的I/O 進行控制液晶顯示屏的讀寫數(shù)據(jù)命令功能，單片機引腳口傳輸數(shù)據(jù)到液晶屏進行顯示。LCD 上電初始化，按照時序給定顯示地址，然后傳送數(shù)據(jù)，上電后液晶顯示開始顯示測量結(jié)果。

圖6 系統(tǒng)主程序框圖

圖7 A/D 轉(zhuǎn)換流程圖

3.2.4 聲光報警程序設(shè)計

當(dāng)檢測模塊檢測到污染空氣時紅燈和蜂鳴器分別響亮。報警子程序值設(shè)定后，傳感器輸入AD 轉(zhuǎn)換，調(diào)用比較程序根據(jù)比較標準結(jié)果完成警報。

4 調(diào)試與總結(jié)

本次設(shè)計使用軟件Altium Designer 完成原理圖的設(shè)計并通過焊接實現(xiàn)了電路板的制作，通過使用C 語言在Keil μVision5 軟件中來編寫程序。將硬件和軟件組合進行調(diào)試，反復(fù)調(diào)試系統(tǒng)，仔細檢查系統(tǒng)各個模塊能否正常運行，發(fā)現(xiàn)可能會發(fā)生的問題，積極解決這些問題，最終使這次設(shè)計得以完成。

圖8 液晶顯示程序流程圖

圖9 聲光報警程序流程圖

4.1 軟件調(diào)試與設(shè)計

根據(jù)此次課題使用Keil μVision5 進行編程調(diào)試。采用C 語言來編寫。用Keil 編譯時選擇Proteus VSM Monitor-51 Driver 模式，編譯后會產(chǎn)生hex 文件，在這種模式下產(chǎn)生的hex 文件才能使單片機按照指令去仿真工作。

4.2 硬件調(diào)試

硬件調(diào)試是指對系統(tǒng)硬件是否能夠正常工作、是否存在硬件故障進行分析和處理。如出現(xiàn)短路、虛焊、電源中斷等故障，需立即修理和重新設(shè)計硬件電路。要避免發(fā)生短路和極性接反等情況。焊接好的實物圖如圖10 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖10 硬件實物圖

4.3 實物演示

當(dāng)元器件在萬用板上焊好后，對其進行設(shè)計的功能進行了測試，以保證最終成品的正常運轉(zhuǎn)。在實物接電后，通過功能按鍵可以進入?yún)?shù)設(shè)置頁面。實物演示：通電按下設(shè)置鍵進入?yún)?shù)頁面，參數(shù)顯示如圖11 所示。

圖11 參數(shù)顯示圖

第一行左側(cè)是二氧化碳的濃度，右側(cè)是溫度，第二行左側(cè)是二氧化碳的報警值，右側(cè)是濕度。最下面兩個按鍵可以調(diào)節(jié)單片機報警上限，左邊按鍵是增加報警上限，右邊按鍵是減少報警上限。當(dāng)二氧化碳超過報警上限時，蜂鳴器會報警，風(fēng)扇也會隨之轉(zhuǎn)動。當(dāng)把上限值調(diào)低時，蜂鳴器會報警，此時當(dāng)前二氧化碳值超過上限。如圖12 所示。

圖12 蜂鳴器報警

當(dāng)用左邊按鍵調(diào)高二氧化碳報警值時，蜂鳴器將不再報警，風(fēng)扇也停止轉(zhuǎn)動。如同13 所示。

圖13 蜂鳴器不再報警

5 總結(jié)與展望

本文提出了一種比傳統(tǒng)方法更有效、及時、低成本的方法來對車內(nèi)氣體質(zhì)量進行在線實時監(jiān)測，設(shè)計出了基于單片機的汽車換氣檢測系統(tǒng)。對現(xiàn)階段車內(nèi)空氣換氣檢測進行了分析和研究，提供了整體方案和軟硬件設(shè)計構(gòu)想。測量結(jié)果表明，本文設(shè)計的基于單片機的汽車換氣檢測系統(tǒng)能夠很好的響應(yīng)，測量精度準，具有很高的實用性。

基于單片機的汽車換氣檢測系統(tǒng)研究是順應(yīng)時代發(fā)展潮流的產(chǎn)品，隨著人們對生活質(zhì)量、身體健康的重視，車內(nèi)配飾也總是存在污染汽車超標的情況，車內(nèi)有害氣體對人體的危害逐步被人們重視關(guān)注。目前已有的產(chǎn)品不僅價格高而且體積大操作復(fù)雜，本設(shè)計基于無線傳感器處理系統(tǒng)，不僅價格低廉而且操作簡單，體積小。轎車現(xiàn)在與我們的生活息息相關(guān)，人們處在汽車空間內(nèi)的時間也非常多，基于單片機的汽車換氣檢測系統(tǒng)研究對于預(yù)防和警示車內(nèi)污染空氣意義重大，它的出現(xiàn)對于提高人們的生活質(zhì)量有著重要的意義。如今在國內(nèi)大力提倡保護環(huán)境的大背景下，車內(nèi)空氣檢測儀的發(fā)展必定勢不可擋。