车内空气质量监测系统的设计与开发

2019-06-12河南工程学院土木工程学院郑州市451191

石河子科技 2019年6期

（河南工程学院土木工程学院，郑州市，451191）徐平

（河南工程学院机械工程学院，郑州市，451191）陶云亮王士龙赵亚兵马登军

据统计，截止至2018 年，我国汽车人均保有量达到0.15 辆/人，而且可以预见的是，这个数值还将不断上升。而汽车内部的环境质量却不是那么优良，其主要原因是汽车内饰、车辆外表面镀漆以及其他修饰品等所用的材质大部分都包含有对人体有害的气体成分，因此车内环境问题也日益严重。一般来说，车内空气环境污染主要来源于汽车内饰材料释放的有害气体和车厢外污染物的渗入[1]，汽车行驶过程中挥发性有机物与汽油的燃油蒸发有一定的关系[2]，同时使用年限、通风率也会对挥发性有机物的挥发过程产生影响[3]，这可以通过车内外空气污染物浓度的关系来进行研究[4]，研究过程中一般把苯、甲苯和二甲苯作为车内空气中挥发性有机物的标识物来研究[5]，而对于新车来说，车内空气质量更不容乐观，有研究表明新车车内空气中可以检测到100多种挥发性有机物[6]，汽车污染化合物品种过多，应当优先考虑28种化合物为监测指标[7]，可以首先考虑甲醛。

除甲醛以外，在汽车内部的物理环境指标对司机和驾驶员影响较大的有：二氧化碳浓度、车厢内温度和车内空气相对湿度[9-11]。车内温度与相对湿度指标如果能够控制在一个与人体相匹配的范围之内，对于乘客能够获得心理上愉悦和身体上的放松，对于驾驶员来说能够提高精神注意力，增加行车安全性，相对湿度与温度指标过低或者过高会让人的身体状况变差，精神上感到疲劳和不舒适，严重的会让人感到头晕目眩，降低行车过程中的安全系数。同时，汽车在工作的过程中大多都是以中高速行驶，可能会造成车内空气与外界空气不能及时对流是车内的氧气含量降低，二氧化碳的含量增高，进而导致驾驶员和乘客身体疲惫、产生困感和注意力不集中等状态发生，这些状态最容易造成交通事故的发生。据相关数据统计发现：仅仅在2016年发生的5.06万左右汽车交通事故当中，因驾驶员注意力造成的事故占据着近一半的比率，高达48.23%，故而改善和检测车内的空气质量对行车安全性十分重要。

可见，车内温度、湿度、甲醛以及二氧化碳浓度都会对驾乘人员有着影响，为此设计开发了一款能够同时监测温度、湿度、二氧化碳浓度及甲醛浓度的车内环境检测系统。

1 总体方案设计

为了达到以上几个功能要求的目的，开发了一套用于汽车车内环境监测的系统。该系统包含有信息采集模块、ECU控制模块A/D转换模块、LED显示模块以及报警模块，其中数据采集主要是利用不同传感器来获取不同的信号源。具体结构原理图如图1所示。

通过利用传感器获取上述提到汽车内部环境质量评价的物理指标的状况，传感器内部的内部气敏元件利用化学变化将物理量转化为电化学量，进而输出一个电信号，然后ADC0832芯片会将此电信号转变成数字信号传输给单片机进行运算处理，并且将处理结果传输至LED 显示屏上，同时，若单片机处理出的结果如果大于系统设定的阈值，那么蜂鸣器会发出响声，提醒车内空气质量不达标。

图1 环境监测系统结构原理图

2 硬件系统设计

2.1 二氧化碳传感器的选择

车内的CO2浓度是通过MG811 传感器测量，其原理是利于传感器内部特殊的电解质与CO2会发生化学反应，通过反应的剧烈程度来体现车内CO2浓度。选择使用MG811 传感器来测量车内的二氧化碳是因为受其他环境因素影响较小，尤其是温度和空气湿度，除此之外该传感器的灵敏度高。

单片机若想获得MG811传感器的输出信号，必须在两者的连接电路接上一个电阻，因为该传感器输出信号存在较大的阻抗，单片机无法直接接受到。所以焊接时，需要在传感器信号输出的后端接一个阻抗从而起到降低阻抗的作用，从而将传感器输出阻抗减至可以测量的程度。

MG811 传感器正常工作时内核温度可以达到500℃以上，而内核和周围空气是直接接触的，因此环境温度变化会影响到传感器的灵敏度，所以设计中采用温度补偿电路，补偿电路由RT构成[10]，如图2所示。

图2 MG811传感器电路图

2.2 甲醛浓度传感器的选择

选择MQ138 传感器测量车内环境中的甲醛浓度的变化一方面是因为车内甲醛浓度相对较低，该传感器对其识别的灵敏度较高且稳定，另一方面是经济性好，使用时间长且价格便宜。MQ138传感器的工作原理是利用其内部填充的SnO2的在不同环境下的导电率来判断车内空气中甲醛的浓度，正常情况下，SnO2如果处在大气中导电率不高，但在狭小的汽车内部空间内，如果环境中存在有甲醛等有机物时，MQ138内部的SnO2的电导率就会根据车内甲醛等气体浓度的改变而改变。MQ138 传感器引脚连接如图3所示。

图3 MQ138传感器基本电路图

2.3 温湿度传感器的选择

选择DHT11 温湿度传感器来测量车内环境的相对湿度和温度指标，该传感器的特点是稳定性好、数据测量准确、品质好、响应快、性价比高等，它是一种复合类型的传感器[12]。

图4是DHT11温湿度传感器具体实物图，其中4 针引脚分别起不同的作用，供电引脚 VCC 是为传感器提供5V 的电压；DATA 表示串行数据，单总线；GND表示电源；N/A是空脚，悬空处理负极。

图4 DHT11数字温湿度传感器

2.4 单片机的选择

本设计选择T89C52 单片机作为核心的控制元件，AT89C52单片机是一款比较常用的8位单片机，在一些较为简单的系统中广泛应用，具以下特点：供电电压低、256B 的RAM、I/O 口数32 个、中断源5个、16 位的定时器2 个等，采用11.0 592MHz 的晶振。该单片机的最小系统包含有时钟电路、复位电路和单片机，如图5所示。

图5 单片机最小系统

2.5 A/D转换器的选择

根据本次的设计目的，选择ADC0832 型号的转换器能够较好的实现系统功能，它是一种逐次比较型的转换芯片，十分适合本次的信号转换的要求。它的优点是信号转换耗时短、分辨率高、误差小，同时能够很好的将单片机处理器的操控与多器件衔接在一起。表1 将其各个引脚的功能作了说明。

表1 ADC0832引脚说明

2.6 显示模块电路

车内的空气质量的相关指标的显示是通过LCD1602液晶显示，该款显示屏是利用可调电阻来调节对比度[7]，图6为显示器与单片机引脚的连接线路图。

图6 显示模块电路图

2.7 电源模块电路

该系统所需的电压较小，选用普通的蓄电池即可满足系统供电需求，但需要对电路进行设计，电池与系统的连接方式如图7所示。

图7 电源接口电路

2.8 报警电路

当车内的空气质量的指标不达标时，该系统是通过蜂鸣器来进行提醒，其电路图的设计如图8 所示，三极管的基极串联一个电阻后与单片机的P3.6引脚相连，然后三极管驱动蜂鸣器工作。

图8 报警电路

3 系统软件设计

3.1 软件流程图

本系统基于Kile编译环境开发，利用C语言进行代码编写，主程序流程图如图9 所示。基本思路为：汽车车内环境监测系统要实现的功能是能够将汽车车厢内部环境中的CO2和甲醛的浓度、温度、空气相对湿度等物理指标通过显示屏显示出来，并且如果这些参数超过设定的阈值后蜂鸣器报警。基本流程为：接通电源后，蜂鸣器自行检查，之后系统内使用的不同芯片初始化，这时显示屏上会显示设定的物理指标；系统运行之后，单片机通过将各个不同传感器收集到的信号进行处理，将车厢内部的物理指标的具体参数传输至显示屏，如果某个指标超过系统设定的阈值，蜂鸣器在三极管的驱动下报警，否则系统循环往复的工作。

3.2 系统初始化

系统初始化程序针对的主要是系统芯片中的定时器和中断系统，其初始化程序如下：

void init（）

{

TMOD=0x01; //定时器0方式1

TL0=0xb0; //赋初值

TH0=0x3c; //赋初值

EA=1; //开总中断

ET0=1; //允许定时器0中断

TR0=1; //定时器0开

}

图9 总流程图

3.3 浓度数据的读取

在读取浓度数据时，利用A/D自行采集，然后通过数模转换将模拟信号转换为数字信号，传递给单片机，二氧化碳、甲醛浓度的采集过程基本一致，为此只给出了数模转换的部分流程图，如图10所示。

图10 A/D转换模块程序流程图

4 模拟系统及测试对比

图11 是车内空气质量检测系统的实物图，为了验证该系统的可行性与测量结果的精确性，将软件和硬件系统调试无误后放置在实验室的汽车内进行验证。实验条件为：将汽车车门与车窗全部关闭，汽车内只留司机一人。采用干电池给系统提供电源，每隔10min 记录一次测量结果，试验时间为1h，测量结果如表2 所示。该结果表明系统能够稳定运行，由于汽车是处于静止状态，除碳含量之外各组结果相差不大，这是由于人呼吸出的CO2来不及与外面的空气进行交换，导致碳含量增加，这说明系统的精确性相对良好。