基于單片機的車內空氣質量監測系統的設計與開發

李千里 汪祖坤

摘要：汽車內部空氣質量是影響健康的重要因素，是最常用的出行工具。因此，研制一種便攜式、可靠、簡單、低成本檢測器真正重要的是反映機器中污染物的種類和含量。本項目研究了苯乙烯和甲醛，確認了有害氣體飛機的空氣質量。這個儀器可以通過打開一個顯示來顯示。有害氣體濃度過高的話，哪些氣體超過了車輛標準。另外，以SD卡為儲存，對不同時期有害氣體濃度進行檢測，為汽車空氣質量分析提供了依據。

Abstract： The air quality inside a car is an important factor affecting health， and it is the most commonly used travel tool. Therefore， it is really important to develop a portable， reliable， simple and low-cost detector to reflect the type and content of contaminants in the machine. This project studied styrene and formaldehyde， and confirmed the air quality of harmful gas aircraft. This instrument can be displayed by opening a display. If the concentration of harmful gases is too high， which gases exceed the vehicle standards. In addition， the SD card is used as storage to detect the concentration of harmful gases in different periods， which provides a basis for automobile air quality analysis.

關鍵詞：單片機;車內空氣質量檢測;系統設計

Key words： single chip microcomputer;air quality detection in the car;system design

中圖分類號：F014.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0196-02

1? 緒論

進入21世紀以來，隨著經濟的快速發展和生活質量的提高，汽車在日常生活中的應用越來越廣泛。國內汽車產業適應了汽車產業全球化的趨勢，其銷售量，從2000年的2091萬人增加到2000年的21680萬人。2013年和2198萬人失業了。2013年。這意味著中國已經成為汽車數量龐大的引擎。同時，由于汽車行業發展迅速，相關行業發展迅速，技術和標準無法配合，這給汽車的環境污染帶來了機遇。

所謂車內環境污染，是指由于車身的保養和通風以及中國家電市場的巨大需求，導致車內空氣質量下降，環境污染的主要來源是裝飾材料、車身等，很多人從馬拉生產線進入市場，結果車上的一些材料和裝飾物含有對人體健康有害的氣體，而且沒有足夠的時間來擺放這些裝飾物，包括舊地毯，如果排放塑料腳墊、座套、車頂板，等不符合環保標準，這將導致汽車的環境污染。同時，大多數消費者在購車后都要對車進行裝飾，有的甚至要經過一段時間的改造，有的商家以購車為宣傳手段，讓含有有毒物質的裝飾材料進入車內，難免污染車內空氣，人們會在不知不覺中中毒。

2? 車內空氣質量檢測儀的總體設計

2.1 系統總體方案可行性分析

通過對不同數據的分析，表明國內外對內部空氣質量控制的不同方法進行了研究，各有優缺點。電子鼻由氣體傳感器陣列和相關識別設備組成，用于識別不同類型的氣味。該方法的成功應用證明，利用氣體傳感器陣列進行空氣質量控制是非常有效的。電子鼻子等儀器的空氣分析結果與化學試劑的結果密切相關。另外，Zampuuri等人還開發了檢測二氧化氮（NO2）和一氧化碳（CO）的人工嗅覺系統。資產階級已經完成了對工業廢水排放的監測?；趩涡酒刂频钠嚳諝赓|量測量儀的開發，以及光柵傳感器作為控制工具的應用，以及后續研究人員的寶貴經驗，為汽車空氣質量的研究奠定了基礎。

2.2 系統總體方案設計

本課題所研究的系統是以C8051 F020主控晶體為核心，以傳感器陣列為氣體探測器，以SD卡為數據存儲模塊，以單片機為核心，在硬件系統中實現對空氣質量的測量，在最后一臺機器的Lab View中開發的軟件用作溫度補償、濃度定義等的輔助模塊。這不需要高級軟件的附加功能。系統總體設計思路：選擇系統中用于氣體濃度測量的傳感器，相關模塊的開發;設計了用于危險氣體分類的天然氣流量調整管道。根據傳感器尺寸和控制電路安裝傳感器，通過觀察氣體室氣體的進出，確定空氣室中傳感器陣列的位置。在SD卡CA上創建FATF文件系統，將數據從最下層傳送到最高層。完成了下級機的軟件開發，實現了相應數據的保存、顯示、警報音照明等硬件。適合溫度補償、濃度校正等功能。

其工作過程是：在實驗過程中，潔凈的空氣進入氣室，傳感器基本校準為潔凈零信號，待氣體（如甲醛）均勻、平滑后完成凈化，氣體達到已知濃度并與傳感器發生反應，相應的電信號丟失，接收到的信號經過處理后進行濾波放大。氣體濃度數據以TXT格式存儲在文檔中。使用按鈕檢測另一種氣體如苯乙烯來切換氣路上的取樣通道，在操作過程中也會發生同樣的情況。

3? 車內空氣質量檢測儀的硬件設計

3.1 單片機及其外圍電路設計

3.1.1 單片機的選型

如果選擇微處理器，則必須考慮微處理器的數目、端口的數目、I/O特性、ROM和RAM的空間大小、運行速度等。另外，選擇系統微處理器時，請考慮電源電壓、電力消耗、調整方法等。該系統不需要單芯片的高速操作，不需要框架和朗姆酒中的空間大小和氣體濃度。C8051F020與標準8051端口相似，但有幾個改進?？梢栽谝韵挛恢眠M行。作為開啟或推挽輸出而構成，可實現低功率。與標準51宏處理器系列相比，最顯著的變化應該是交叉數字開關數的增加。這是一個很大的交流網絡。在軟件開發中，數字資源與相關的輸入輸出數據兼容。與支持不同功能組合的標準多媒體機相比，該功能允許用戶根據系統需要執行的功能來選擇所需的數字資源和輸入/輸出。C8051F020內置可編程增益放大器，可選擇性增加各種氣體傳感器的輸出，大大簡化了輸出信號的調節電路。從以上分析可以看出，本節性能優異，廣泛應用于系統微處理器的選型中，C8051F020有一個12位ADC0，ADC09通道有直接連接ICU內部溫度傳感器的輸入通道。系統不使用Aino-Ain7通道。其余8個信道使用模擬信號，每個信號可以被配置為差分輸入和兩個單極輸入。因此，MCU可以通過將ADC設置為關閉狀態來節省能源;標準ADC VREF電壓有兩個選擇，一個是AVCC，另一個是AVCC。如果將另一源電壓源外推到AREF的五分之一，則穩定在2.0V，小于AVCC，選擇2.46V。模數集模塊的設計是將8個ADC 0輸出至8面面板，在之后的設計中，用一臺機器收集各種信號，并進一步處理數據。

3.1.2 氣體檢測模塊設計

氣體傳感器是一種將有害氣體濃度信息轉換為等效電信號的裝置，根據接收信號的大小，得到空氣中有害氣體濃度的信息。目前應用最廣泛。然而，由于未來可以檢測各種氣體的儀器，該系統的設計主要是通過傳感器陣列來檢測空氣中的有害成分，特別是傳感器的選擇和光柵的設計。該系統是為測量汽車在氣體環境中的空氣質量而設計的，因此所選用的傳感器必須對目標氣體有足夠的靈敏度和較高的檢測精度。在我國《汽車空氣質量評價導則》中，對8種有害氣體的濃度進行了測定，甲醛和苯乙烯被用來檢查甲醛和苯乙烯以確認是兩種氣體。甲醛氣體傳感器具有半導體、光學、電化學、光化學等各種各樣的原理。比較了不同類型傳感器的優點和缺點。電化傳感器結構簡單，性能穩定。系統選擇甲醛氣體傳感器。確定模型后，收集各種甲醛氣體傳感器的數據手冊，確定傳感器的分辨和測量范圍。

在苯乙烯氣體傳感器的研究中，發現了以下用于苯乙烯氣體測試的傳感器。TGS系列的半導體氣體傳感器由日本的菲加羅公司生產。根據TGS2602和MQ-138的性能測試，例如電化苯氣體傳感器有毒氣體傳感器MQ-138，MQ-138對其他氣體過敏，少量其他氣體對輸出信號有重要影響，TGS2602最終由于靈敏度高而被淘汰，使用壽命長價格合理等優點，選擇并使用苯乙烯氣體檢測系統的部件。

TGS2602的工作原理是傳感器的感應元件由一層mop晶體管組成的傳感器晶體構成，集成在一個加熱單元中。

3.2 SD卡數據存儲模塊設計

在實驗中，為了避免低位機和上位機之間傳輸線路的繁雜，系統采用了更多可移植的SD卡。將數據存儲在上位機中進行進一步處理。系統正常運行后，有害氣體濃度不會隨時間變化。SD卡是基于半導體的存儲設備，有非常大的存儲設備。因為可以快速傳輸數據，所以廣泛應用于電子設備領域。實際SD卡消息支持兩種數據傳輸模式：SPI模式和SD卡模式。但只能執行其中一種，那么這兩種操作模式將分別描述。目前，大多數單片機都有SPI硬件接口，使用非常方便。首次啟動SD卡系統時，根據命令選擇信息類型。在SPI模式下，您可以通過選擇頂部或底部來訪問SD卡拓撲。SD卡選擇SPI命令的末尾來處理數據，否則在數據有效期內級別應該非常低。如果單片機在開發SD卡程序時能設置高電平的選擇信號，則不影響SD卡程序的開發。SD卡模型的優點是傳輸速度快，四條數據線并行傳輸。由于傳輸協議非常復雜，在單片機的某一部分中沒有這樣的接口。當然可以使用SD卡總線仿真軟件，但是它需要更多的I/O端口，這降低了數據傳輸的速度。在SD卡模式下，MCU可以通過SD卡總線訪問并用于拓撲結構，在SD卡存儲系統的總線拓撲結構中，所有常用的卡電源線和SCK時鐘總線，但數據線和命令線都是SD卡獨有的。

4? 結束語

綜上所述，本課題是以C8051F020為主要處理器，安裝空氣質量檢測儀，主要用于甲醛和苯乙烯的濃度檢測。當有害氣體濃度過高時，報警聲音無法達到，通過提醒車內人員采取相應措施改善車內空氣質量，系統還可實時顯示環境溫度。論文的主要工作如下：①制定了系統總體方案，并分別介紹了系統的功能和概念，軟硬件組成部分，為后續工作打下了基礎。②開發了單片機的模塊化硬件，并對其外圍電路、SD卡CA數據存儲、天然氣管道等進行了設計，完成了系統板的設計，為系統功能實現和軟件編程提供了硬件基礎。③完成系統軟件開發，實現氣體濃度檢測、顯示、音響照明功能，根據硬件電路存儲SD卡CA數據。

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