基于STC89C51 单片机的汽车检测换气系统设计

华奕铭，王旭启

（西京学院 电子信息学院，陕西西安，710100）

在如今飞速发展的年代，各种高技术的产物不断涌现，车辆逐渐走向智能，此次针对车辆换气问题，提出一种新型的车辆换气检测装置，以达到对车辆换气通风的警示。它能根据空气中的CO2浓度和温湿度的改变来引导司机调节汽车通风，从而营造出一个较好的室内空气质量，而且具有较高的经济性和实用性；它具有广阔的市场前景，是汽车内部通风的一个很好的手段。

随着社会和经济的迅速发展，汽车的生产和销量不断地创新高。但是，从汽车尾气中排放出来的微粒和气态污染物将会增多。在国内，PM2.5 的浓度经常超标，这是导致大面积的雾霾的一个重要原因。为了减少尾气的排放，减少对环境的影响，我们需要改进车辆的换气系统。

时代在发展，车辆的换气通风设备也在不断的变化，越来越符合现代的需求。在最新的车辆换气装置的研制中，主要对内部的感应器进行了改造，通过改变感应器可以使换气装置发生质变。新的车辆通风换气装置有许多优势，例如可以自动换气和散热器，而且价格也相对于旧式车辆的换气装置便宜；因此，新型的汽车换气系统将会被更多地使用和普及。

1 总体方案

本文介绍了由STC89C51 系统控制模块，计数模块、显示模块、测量模块、报警模块、AD 转换模块，和其它一些电路组成的车辆换气控制电路。本研究旨在实现车辆通风系统的提示。在汽车启动后，汽车内部通风装置上的气体感应器会对汽车中的CO2浓度和温湿度值进行测量。该装置具有清零健，能够消除数据。利用该功能按钮，可以设定车辆对应的各项指标，利用气体传感器和温湿度传感器来侦测车辆目前的CO2浓度及含温湿度值，并与设定的参数值进行比对；若超出标准值，通过报警模块的蜂鸣器通知使用者，将采集到的传感器的数据通过数字模拟变换，将其显示在LCD 屏幕上，方便使用者查看。

本课题所要求的传感器为气体传感器和温湿度传感器。本系统以STC89C51 为核心，能及时有效地向各部件发出命令，并对各部件进行测量。整个电路的结构包括：晶振电路，报警电路，复位电路；而显示器则是构成完整的体系和满足设计需求不可缺少的一环。该系统可以通过控制器来读出和显示CO2浓度和温湿度的数据，在达到要求时，可以正常的进行，不需要警报，如果不符合要求，就会发出声音和灯光警告。同时，还可以在液晶显示屏上实时地看到温湿度等数据。

2 硬件设计

2.1 控制模块

控制模块采用STC89C51 单片机作为控制模块的核心，STC89C51 是一种功耗低、性能高的单时钟的单片机，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。它的高稳定性和性价比使得它相比于其他同类产品要更加有优势。STC89C51 单片机内部有着不可或缺的三个电路，它们分别是：晶振电路，复位电路和供电电路。本设计采用自激荡方式，使内部振荡器按照石英晶振的频率振荡产生时钟信号。石英晶振选择频率为12MHz，电容选择30pF。按下开关键实现单片机复位。其电路原理图如图2 所示。

图2 控制模块电路

2.2 检测模块

2.2.1 气敏传感器

该系统采用气敏传感器直接测量车内部分浓度。所选择的CO2传感器为MG811 型CO2气体传感器, MG811 型CO2气体传感器的特点为CO2有良好的灵敏度和选择性受温湿度的变化影响较小，并且有着良好的稳定性、再现性。通常应用于空气质量控制系统和发酵过程控制以及温室 CO2浓度检测。传感器如图3 所示。

图3 MG811 型CO2 传感器

2.2.2 温湿度传感器电路

本次设计采用DHT11 温湿度传感器模块，作为一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，DHT11 温湿度传感器采集的数值是非常准确的，其采集范围为：温度0℃～50℃±2℃，湿度：20～90%RH。DHT11 采用单总线双线串行通信协议，采集过程首先是STC89C52 单片机发起开始信号，通过I/O 引脚发送给DHT11，之后DHT11反向单片机发送响应，并将采集到的数据按照40 位数据帧格式输出，最高位在前，数据格式为：8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bit 温度整数数据+8bit 温度小数数据+8bit 校验位，温湿度小数部分默认为0，即单片机采集的数据都是整数，校验位为4 个字节的数据相加取结果的低8 位数据作为校验和，单片机将检测到的数据解析，得出温度和湿度的具体数值，最终显示在液晶屏上。

2.3 A/D 转换模块

A/D 转换就是模拟转数字信号的过程，本程序设计选用延时等待法。该设计的A/D 转换模块采用的是ADC0809 进行数模转换，它主要是将模拟量转换为相应的数字量。抽样、量化和编码是A/D 变过程中的重要环节，在一般转换的情况下，编码和量化都是同时进行并完成的。

2.4 LCD1602 液晶显示电路

LCD1602 称为工业字符LCD，可同时显示32 个字符，即16 列和2 行。LCD 已被用作许多电子产品的设备，人们接受单片机的反馈主要是通过LED 发光管、液晶显示屏和数码管。LCD 的工作原理：利用LCD 的物理特性，显示区域由电压控制，上电后可显示图形。 LCD 体积薄，直接由大型集成电路驱动，易于实现全彩色显示，广泛应用于数码相机，便携式计算机，PDA 移动通信工具等领域。

2.5 报警电路

报警电路是整个系统的核心的一个部分，主要起到接收系统对气体检测得到的结果对外界进行一个反馈，然后以数据等途径传递给检测者。蜂鸣器采用直流电压供电，作为结构一体化的电子通讯器，当空气检测模块检测到污染空气时红灯和蜂鸣器分别响亮。报警子程序值设定后，传感器输入AD 转换，调用比较程序根据比较标准结果完成警报。晶体管和集成电路都可以形成一个多谐振荡器。当打开1.5～15V直流工作电压时，振荡器开始振动，发出1.5～2.5kHz 频率的声音信号，使阻抗匹配器来推动电压发出响动的声音。

图5 蜂鸣电路

3 软件设计

3.1 编程语言选择

本系统是基于STC89C51 单片机开发，选择C 语言作为开发语言。Keil μvsion5 是现今嵌入式程序开发运用最为广泛的系统开发环境，可以实现对ARM 以及更高级内核的处理。

3.2 软件设计

3.2.1 主程序设计

系统每个功能需求都采用模块化设计，每个子模块功能由主控程序调用。当系统启动时，进入主控程序，完成IO口，LCD 液晶显示，串口，中断等模块的各个模块的初始化，并读取温度，车内污染空气浓度。检测气体浓度是否超过设定值，进入子程序并显示在LED 屏幕上。之后系统等待每个模块做出响应。当模块检测到异常时，蜂鸣器发出警报。

3.2.2 A/D 转换程序设计

A/D 转换就是模拟转数字信号的过程，通过编写延时程序，设置延时时间让CPU 处于信号等待状态，而这个时间设置至少要能使AD 模块转换完成，CPU 在设定时间内不能进行其他工作需要等待结束后在读取数据。本程序设计选用AD0809 模块，采用延时等待法。

3.2.3 液晶显示程序设计

数据显示屏幕选用的是LCD 液晶显示屏，考虑到用户投入时候后的实际体验感，选择了较高级的LED 屏，LCD模块与单片机采用并口通信，用单片机的I/O 进行控制液晶显示屏的读写数据命令功能，单片机引脚口传输数据到液晶屏进行显示。LCD 上电初始化，按照时序给定显示地址，然后传送数据，上电后液晶显示开始显示测量结果。

图6 系统主程序框图

图7 A/D 转换流程图

3.2.4 声光报警程序设计

当检测模块检测到污染空气时红灯和蜂鸣器分别响亮。报警子程序值设定后，传感器输入AD 转换，调用比较程序根据比较标准结果完成警报。

4 调试与总结

本次设计使用软件Altium Designer 完成原理图的设计并通过焊接实现了电路板的制作，通过使用C 语言在Keil μVision5 软件中来编写程序。将硬件和软件组合进行调试，反复调试系统，仔细检查系统各个模块能否正常运行，发现可能会发生的问题，积极解决这些问题，最终使这次设计得以完成。

图8 液晶显示程序流程图

图9 声光报警程序流程图

4.1 软件调试与设计

根据此次课题使用Keil μVision5 进行编程调试。采用C 语言来编写。用Keil 编译时选择Proteus VSM Monitor-51 Driver 模式，编译后会产生hex 文件，在这种模式下产生的hex 文件才能使单片机按照指令去仿真工作。

4.2 硬件调试

硬件调试是指对系统硬件是否能够正常工作、是否存在硬件故障进行分析和处理。如出现短路、虚焊、电源中断等故障，需立即修理和重新设计硬件电路。要避免发生短路和极性接反等情况。焊接好的实物图如图10 所示。

图1 系统结构框图

图10 硬件实物图

4.3 实物演示

当元器件在万用板上焊好后，对其进行设计的功能进行了测试，以保证最终成品的正常运转。在实物接电后，通过功能按键可以进入参数设置页面。实物演示：通电按下设置键进入参数页面，参数显示如图11 所示。

图11 参数显示图

第一行左侧是二氧化碳的浓度，右侧是温度，第二行左侧是二氧化碳的报警值，右侧是湿度。最下面两个按键可以调节单片机报警上限，左边按键是增加报警上限，右边按键是减少报警上限。当二氧化碳超过报警上限时，蜂鸣器会报警，风扇也会随之转动。当把上限值调低时，蜂鸣器会报警，此时当前二氧化碳值超过上限。如图12 所示。

图12 蜂鸣器报警

当用左边按键调高二氧化碳报警值时，蜂鸣器将不再报警，风扇也停止转动。如同13 所示。

图13 蜂鸣器不再报警

5 总结与展望

本文提出了一种比传统方法更有效、及时、低成本的方法来对车内气体质量进行在线实时监测，设计出了基于单片机的汽车换气检测系统。对现阶段车内空气换气检测进行了分析和研究，提供了整体方案和软硬件设计构想。测量结果表明，本文设计的基于单片机的汽车换气检测系统能够很好的响应，测量精度准，具有很高的实用性。

基于单片机的汽车换气检测系统研究是顺应时代发展潮流的产品，随着人们对生活质量、身体健康的重视，车内配饰也总是存在污染汽车超标的情况，车内有害气体对人体的危害逐步被人们重视关注。目前已有的产品不仅价格高而且体积大操作复杂，本设计基于无线传感器处理系统，不仅价格低廉而且操作简单，体积小。轿车现在与我们的生活息息相关，人们处在汽车空间内的时间也非常多，基于单片机的汽车换气检测系统研究对于预防和警示车内污染空气意义重大，它的出现对于提高人们的生活质量有着重要的意义。如今在国内大力提倡保护环境的大背景下，车内空气检测仪的发展必定势不可挡。