基于單片機(jī)的汽車檢測換氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

何燕陽

（泉州輕工職業(yè)學(xué)院，福建 泉州 262201）

汽車不再是每個(gè)家庭的奢侈品，人們在享受汽車便捷的同時(shí)也帶來一定的困擾。汽車內(nèi)部由于空調(diào)老化、不經(jīng)常通風(fēng)、車體裝修等原因都會(huì)造成車內(nèi)空氣質(zhì)量變差，長時(shí)間接觸有致癌風(fēng)險(xiǎn)。如果車子停駛時(shí)，仍開放空調(diào)，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的一氧化碳便有可能逐漸聚集在車內(nèi)，加之車內(nèi)人員呼吸耗氧而排出二氧化碳，會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)缺氧。當(dāng)汽車內(nèi)長時(shí)間處于關(guān)窗狀態(tài)，車內(nèi)氧氣濃度會(huì)下降，當(dāng)車內(nèi)氧氣濃度會(huì)下降到一定值后，車內(nèi)人員會(huì)出現(xiàn)頭暈、頭痛等不適感，這將降低駕駛員的反應(yīng)能力，加大汽車事故的發(fā)生[1]。目前，只有在汽車沒有熄火的情況下，通風(fēng)系統(tǒng)才能工作，為司機(jī)和乘客創(chuàng)造一個(gè)舒適的車內(nèi)空間；在汽車內(nèi)，沒有對(duì)有毒氣體進(jìn)行檢測報(bào)警；汽車熄火后，汽車也沒有主動(dòng)換氣系統(tǒng)。因此研究氣體傳感器和溫度傳感器在汽車換氣系統(tǒng)中的應(yīng)用顯得很有意義，具有較大的實(shí)用價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

1 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包含了STM單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊電路、甲醛等氣體檢測轉(zhuǎn)換電路、溫度傳感器電路、蜂鳴器報(bào)警電路、進(jìn)氣和排氣兩個(gè)風(fēng)機(jī)的換氣電路、指示燈以及液晶顯示電路，硬件結(jié)構(gòu)總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 STM32單片機(jī)

本系統(tǒng)選用STM32系列的單片機(jī)STM32F103R6該型號(hào)的內(nèi)核是32位的ARM Cortex-M3，運(yùn)行速度比傳統(tǒng)的51單片機(jī)快很多且功耗低、功能強(qiáng)。芯片上集成了256KB Flash，48KB SRAM，3個(gè)12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換大通道，2個(gè)12位DAC，2個(gè)IIC，3個(gè)SPI，11個(gè)定時(shí)器，5個(gè)串口及51個(gè)通用IO口。

1.2 氣敏傳感器

氣敏傳感器用于鑒別氣體成分以及濃度，并將濃度轉(zhuǎn)換為電阻值或者電壓值。這次選擇了MQ-138型甲醛，MG811二氧化碳?xì)怏w傳感器以及ZE03-O2-(0-25%)VOL氧氣傳感器。該氧氣傳感器的標(biāo)稱測量氧氣范圍是0-25%，溫度范圍-20℃～50℃，響應(yīng)時(shí)間小于15S，靈敏度高，0.1%VOL的分辨率，功耗低穩(wěn)定性好，分別提供兩種輸出方式：UART、模擬電壓信號(hào)，用戶可自行選擇。該間接加熱氣敏傳感器，該傳感器由敏感組件和轉(zhuǎn)換電路組成。MQ-138型甲醛氣敏傳感器轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 氣敏傳感器轉(zhuǎn)換電路

由圖可知，該氣敏傳感器的針狀引腳和電阻串聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，經(jīng)過電壓比較器后此電壓可以將電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。系統(tǒng)工作中，當(dāng)甲醛濃度大小發(fā)生改變時(shí)，甲醛氣體傳感器的電阻發(fā)生相應(yīng)的變化，轉(zhuǎn)換電路將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，并將此電壓信號(hào)輸送至單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，以便單片機(jī)判別運(yùn)算。

1.3 DS18B20數(shù)字溫度傳感器

常用的數(shù)字溫度傳感器有很多，本系統(tǒng)選用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，例如檢測溫度的范圍大，分辨率高等，而且該傳感器在各種各樣比較小的空間內(nèi)一樣可以實(shí)施，這主要是因?yàn)槠潴w積很小，檢測也比較方便，且僅需采用單向接口就可以實(shí)現(xiàn)雙向通訊。

1.4 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器

A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器是指對(duì)反映數(shù)字信號(hào)中甲醛和其他氣體濃度的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用的單片機(jī)STM32f103自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，因此單片機(jī)外部不需要接A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，可直接讀取模擬量。該設(shè)計(jì)將甲醛、二氧化碳以及氧氣傳感器的模擬量電壓通過PA5、PA6、PA7引腳輸入STM單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。通道的A/D轉(zhuǎn)換可以按時(shí)間、連續(xù)、掃描或間歇方式進(jìn)行。ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊，并存儲(chǔ)在MCU的16位數(shù)據(jù)寄存器中。

1.5 LCD液晶顯示器

為了直觀的實(shí)時(shí)顯示氣體濃度和溫度，需要選用帶用中文字庫的LCD12864液晶顯示器用來顯示氣體濃度和溫度高低，并顯示氣體濃度和溫度的閡值。運(yùn)行過程中第一行顯示報(bào)警溫度；第二行顯示當(dāng)前溫度值；第三行顯示報(bào)警濃度；第四行顯示當(dāng)前氣體濃度。由于有多種氣體要檢測，所以液晶顯示可輪流分時(shí)顯示這些氣體濃度。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 采集氣體濃度和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)

依據(jù)主程序流程圖在Keil編程，選用Proteus軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換氣扇系統(tǒng)的軟件調(diào)試，搭建電路模型，如圖模型搭建完畢，點(diǎn)擊單片機(jī)添加程序，打開開關(guān)開始調(diào)試。

系統(tǒng)上電后，將溫度以及濕度的設(shè)定值進(jìn)行采集，如果綠色的指示燈亮，則表示環(huán)境情況正常。此時(shí)繼電器不工作，電機(jī)不轉(zhuǎn)，換氣扇不工作。電路處于正常工作狀態(tài)。系統(tǒng)上電后，調(diào)節(jié)電位器阻值。如果所測試的環(huán)境中的氣體濃度超標(biāo)，相應(yīng)的紅色指示燈會(huì)閃爍，表示車內(nèi)空氣情況異常，同時(shí)指示燈閃爍報(bào)警，繼電器得電工作，電機(jī)得電旋轉(zhuǎn)，換氣扇工作，改善車內(nèi)空氣質(zhì)量。再次回調(diào)電位器[6]，此時(shí)的甲醛和二氧化碳?xì)怏w濃度都處于偏低的狀態(tài)，即換氣扇停止工作。

同樣當(dāng)系統(tǒng)上電后，將DS溫度傳感器的溫度進(jìn)行設(shè)定，一旦出現(xiàn)紅色指示燈閃爍的情況，即表示車內(nèi)溫度情況異常，同時(shí)指示燈閃爍報(bào)警，繼電器得電工作，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，換氣扇工作，改善居室空氣質(zhì)量。再次回調(diào)DS溫度傳感器，一旦檢測到溫度過低，換氣扇也隨即停止工作。

調(diào)試過程中可根據(jù)個(gè)人對(duì)氣體濃度和溫度的敏感度和需求，修改氣體濃度和溫度報(bào)警值。按下設(shè)置鍵，再按增大減小鍵，可修改報(bào)警閡值。

2.2 將單片機(jī)主程序初始化

在進(jìn)入主程序之前，首先要做的就是將系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)的初始化必須遵循按照需求而配置的要求。在初始化時(shí)[7]，需要通過調(diào)控相應(yīng)儲(chǔ)存程序的狀態(tài)來進(jìn)行調(diào)控，以此來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

在即將進(jìn)行初始化工作之前，需要將系統(tǒng)首先調(diào)控在初始化狀態(tài)，即程序利用主循環(huán)將時(shí)間與檢測的過程進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃，包含采集，調(diào)控相關(guān)的顯示設(shè)備，數(shù)據(jù)處理設(shè)備等。將準(zhǔn)備工作做好后，在進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，即通過主程序，將后續(xù)進(jìn)行查找并中斷。主程序模塊包含的定義和功能如圖3所示。

圖3 主程序模塊定義及功能

由圖可知，首先需要采用函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)中斷處理，然后利用interrupt賦予初值，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后來進(jìn)行模擬信號(hào)的處理，最后再將數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，編程時(shí)也需要采用AD變換法，將數(shù)字信號(hào)不間斷的讀取出來。

3 實(shí)驗(yàn)

為了測試所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否能實(shí)現(xiàn)車內(nèi)氣體濃度大小和溫度高低的檢測識(shí)別，以及該系統(tǒng)在進(jìn)行換氣系統(tǒng)測試時(shí)處理數(shù)據(jù)的速度是否優(yōu)于傳統(tǒng)的換氣系統(tǒng)，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將傳統(tǒng)的換氣檢測系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間與所設(shè)計(jì)的換氣檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖以及硬件電路原理圖制作硬件電路并進(jìn)行電路的測試，保證硬件電路正確沒問題；接著，根據(jù)程序流程圖分模塊編寫程序，再進(jìn)行主程序調(diào)用以及程序的調(diào)試；硬軟件調(diào)試完成后，才開始進(jìn)行測試。測試條件的準(zhǔn)備，在實(shí)驗(yàn)室中，我們采用自主設(shè)計(jì)的一個(gè)密閉的透明空間，將系統(tǒng)置于該空間，通過吹入二氧化碳，加熱等方式來模擬實(shí)際情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

采用傳統(tǒng)的換氣檢測系統(tǒng)與所設(shè)計(jì)的換氣檢測系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，選取五處隨機(jī)的換氣處理地點(diǎn)，分別檢測二者處理溫度等數(shù)據(jù)的時(shí)間以及數(shù)值，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得知所設(shè)計(jì)的換氣檢測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)中氣體濃度大小和溫度的識(shí)別，具有可行性，同時(shí)，五組隨機(jī)換氣處理地點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理速度均高于傳統(tǒng)的換氣檢測系統(tǒng)，因此，具有高效性，有一定的推廣價(jià)值。

結(jié)束語

綜上所述，所設(shè)計(jì)的換氣檢測系統(tǒng)符合要求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于車內(nèi)的溫度以及其他指標(biāo)的檢測，且在處理數(shù)據(jù)的時(shí)間上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)，因此具有一定的推廣意義，在后續(xù)的使用中還將不斷完善和更新。