基于单片机的民用汽车尾气检测系统设计

焦鑫兆，陈健龙，侯文

（1.中北大学信息与通信工程学院，山西太原，030051; 2.中国长峰机电技术研究设计院，北京，100854）

0 引言

随着我国科学技术的发展和生活水平的提高，汽车已成为居民生活的必需品。然而，汽车工业的发展，不仅给人们的生活带来了方便，提高了人们的生活质量，同时也给环境带来了极大的危害。汽车在行驶过程中会排放大量的空气污染物，比如CO，PM2.5等有害物质，对人体也会造成极大的伤害。尤其是洛杉矶1955年和1970年发生的两次光化学烟雾事件，被人们成为“世界八大公害”和“20世纪十大环境威胁之一”，使人们深刻认识到了汽车尾气的危害，从而开始制定了一系列汽车尾气的检测和控制方案。

尾气检测装置大多为专门检测机构和生产厂家所有，但汽车尾气的排放浓度和驾驶人踩油门的大小有着直接的联系，油门越大，尾气污染物浓度越高。普通车主在行驶过程中对汽车尾气的排放缺乏数字概念，不能够针对尾气污染物的排放量来控制踩油门的力度，导致尾气污染物的浓度一直居高不下。针对此问题，本文提出了一中民用的基于单片机的汽车尾气检测系统，根据单片机的控制技术，结合传感器技术与GSM通信技术，设计了一种简单实用的汽车尾气检测系统，方便车主在行驶过程中对汽车尾气的实时监测。

1 系统整体设计

本系统结合了单片机控制技术，传感器检测技术和无线通信技术，设计实时气体检测系统。汽车尾气中主要的有害物质为CO和PM2.5，故该系统主要检测CO和PM2.5的排放量，通过传感器采集CO和PM2.5，测出当前两者的浓度，再与之前设定的阈值进行比较，若两者中有一者超过或者两者都超过设定阈值，启动报警模块，通过报警模块驱动GSM模块和蜂鸣器模块进行短信报警和声音报警。系统整体架构如图1所示。

图1 尾气检测系统整体架构

2 系统硬件设计

2.1 主控电路设计

系统的主控制电路主要包括：STC89C52单片机、时钟电路、复位电路这三个主要部分构成，从而控制整个系统的运行，实现所期望的功能。主控电路设计如图2所示。

图2 主控电路图

主控芯片选取51系列STC89C52单片机，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，虽然选取STM32等单片机也能够完成该系统的设计，但对于该系统所要实现的功能和成本考虑方面来看，STC89C52单片机实现系统功能绰绰有余，且价格相比于STM32系列单片机更加优惠，故最后选取STC89C52单片机做主控芯片。

2.2 CO和PM2.5浓度检测电路设计

CO和PM2.5的采集分别通过MQ-2传感器和GP2Y1010 AU0F粉尘传感器来实现。通过传感器采集CO和PM2.5，然后通过A/D转换，将两者的浓度以数值的形式展现出来。设计的电路如图3所示。

图3 CO和PM2.5浓度检测电路

2.3 报警模块电路设计

通过传感器采集CO和PM2.5，然后主控制芯片控制进行A/D转换，显示出当前两者浓度，再与设定阈值比较，若两者中有一者超过或者两者都超过设定阈值，启动报警模块，通过报警模块驱动GSM模块和蜂鸣器模块进行短信报警和声音报警。报警模块电路如图4所示：

图4 报警模块电路

2.4 显示模块电路

显示模块可以显示当前CO和PM2.5的浓度，并且用来观察调整报警阈值。显示屏选取LCD1602液晶显示屏，通过布线安装到汽车驾驶前方，便于车主进行观察，液晶显示电路如图5所示。

图5 液晶显示电路

2.5 系统整体电路

将以上设计的电路连接起来按照引脚依次连接起来，构成系统整体电路，如图6所示。

图6 系统整体电路

3 系统软件设计

本系统采用keil uvision4 C51高级语言开发平台进行编程，主要由系统初始化、按键扫描、PM2.5和CO数据采集和处理、中断调用、系统报警、通信传讯组成。首先进行系统初始化，然后进入按键扫描，判断是否进行CO和PM2.5阈值设置，之后进行数据的采集与处理，与设置的阈值进行比较，若两者中有一者超过或者两者都超过设定阈值，启动报警模块，通过报警模块驱动GSM模块和蜂鸣器模块进行短信报警和声音报警，如图7所示。

图7 系统软件流程图

4 结果分析

硬件系统和软件系统设计完成之后，在Proteus中进行仿真调试，确定各项参数和各个电器元件的选择，调试完成之后进行样品实物的制作，初次制作实物，将液晶显示屏直接放在了电路板上，将软件程序写入在做好的实物中，由于试验条件限制，不能将实物放在汽车上做实验，只能通过人为改变阈值和空气中的PM2.5和CO浓度来验证系统的精准度和稳定性。未开机的实物图如图8所示。

图8 汽车尾气检测样品机

打开样品实物，可以检测出当前空气中的CO的浓度为16mg/m3，PM2.5的浓度为0.02mg/m3，符合实际，同时通过安检设置CO和PM2.5的阈值，超过该阈值进行报警，如图9所示。

图9 左为当前PM2.5和CO的浓度；右为阈值设置界面，设置阈值

人为改变周围空气中的PM2.5和CO浓度，可以看到显示屏幕CO和PM2.5浓度的变化，此时CO的浓度为30mg/m3，PM2.5的浓度为1mg/m3，如图10所示，且当其浓度值超过阈值时会进行蜂鸣器报警和短信提醒。

图10 人为改变后PM2.5和CO的浓度

从上述调试过程中可以看出，系统实物可以准确的检测出尾气污染物的浓度，十分灵敏，但由于实际条件和实验进度有限，没能在汽车行驶中进行测量，只能通过人为改变空气中的CO和PM2.5的值来进行观察，从而判断出系统是能实现检测污染物和报警的功能，验证系统的可行性。

5 结束语

本文根据国内汽车尾气检测现状，通过理论和试验研究相结合的方法，设计了民用的基于单片机的汽车尾气检测系统。先设计了系统的硬件电路，然后进行软件系统的设计，编写实现各项功能的程序，之后通过仿真调试各项参数，最后还进行了样品实物的制作，验证该系统的可行性。为下一步具体实用检测装备的研发提供了重大的参考依据，通过该检测系统，广大车主可以实时监测当前汽车污染物的排放量，并且通过改变油门大小降低污染物的排放量，一定程度上也能缓解汽车尾气对环境的污染。