基于單片機的民用汽車尾氣檢測系統(tǒng)設(shè)計

焦鑫兆，陳健龍，侯文

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原，030051; 2.中國長峰機電技術(shù)研究設(shè)計院，北京，100854）

0 引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，汽車已成為居民生活的必需品。然而，汽車工業(yè)的發(fā)展，不僅給人們的生活帶來了方便，提高了人們的生活質(zhì)量，同時也給環(huán)境帶來了極大的危害。汽車在行駛過程中會排放大量的空氣污染物，比如CO，PM2.5等有害物質(zhì)，對人體也會造成極大的傷害。尤其是洛杉磯1955年和1970年發(fā)生的兩次光化學(xué)煙霧事件，被人們成為“世界八大公害”和“20世紀(jì)十大環(huán)境威脅之一”，使人們深刻認(rèn)識到了汽車尾氣的危害，從而開始制定了一系列汽車尾氣的檢測和控制方案。

尾氣檢測裝置大多為專門檢測機構(gòu)和生產(chǎn)廠家所有，但汽車尾氣的排放濃度和駕駛?cè)瞬扔烷T的大小有著直接的聯(lián)系，油門越大，尾氣污染物濃度越高。普通車主在行駛過程中對汽車尾氣的排放缺乏數(shù)字概念，不能夠針對尾氣污染物的排放量來控制踩油門的力度，導(dǎo)致尾氣污染物的濃度一直居高不下。針對此問題，本文提出了一中民用的基于單片機的汽車尾氣檢測系統(tǒng)，根據(jù)單片機的控制技術(shù)，結(jié)合傳感器技術(shù)與GSM通信技術(shù)，設(shè)計了一種簡單實用的汽車尾氣檢測系統(tǒng)，方便車主在行駛過程中對汽車尾氣的實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)結(jié)合了單片機控制技術(shù)，傳感器檢測技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計實時氣體檢測系統(tǒng)。汽車尾氣中主要的有害物質(zhì)為CO和PM2.5，故該系統(tǒng)主要檢測CO和PM2.5的排放量，通過傳感器采集CO和PM2.5，測出當(dāng)前兩者的濃度，再與之前設(shè)定的閾值進行比較，若兩者中有一者超過或者兩者都超過設(shè)定閾值，啟動報警模塊，通過報警模塊驅(qū)動GSM模塊和蜂鳴器模塊進行短信報警和聲音報警。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 尾氣檢測系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控電路設(shè)計

系統(tǒng)的主控制電路主要包括：STC89C52單片機、時鐘電路、復(fù)位電路這三個主要部分構(gòu)成，從而控制整個系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)所期望的功能。主控電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 主控電路圖

主控芯片選取51系列STC89C52單片機，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，雖然選取STM32等單片機也能夠完成該系統(tǒng)的設(shè)計，但對于該系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能和成本考慮方面來看，STC89C52單片機實現(xiàn)系統(tǒng)功能綽綽有余，且價格相比于STM32系列單片機更加優(yōu)惠，故最后選取STC89C52單片機做主控芯片。

2.2 CO和PM2.5濃度檢測電路設(shè)計

CO和PM2.5的采集分別通過MQ-2傳感器和GP2Y1010 AU0F粉塵傳感器來實現(xiàn)。通過傳感器采集CO和PM2.5，然后通過A/D轉(zhuǎn)換，將兩者的濃度以數(shù)值的形式展現(xiàn)出來。設(shè)計的電路如圖3所示。

圖3 CO和PM2.5濃度檢測電路

2.3 報警模塊電路設(shè)計

通過傳感器采集CO和PM2.5，然后主控制芯片控制進行A/D轉(zhuǎn)換，顯示出當(dāng)前兩者濃度，再與設(shè)定閾值比較，若兩者中有一者超過或者兩者都超過設(shè)定閾值，啟動報警模塊，通過報警模塊驅(qū)動GSM模塊和蜂鳴器模塊進行短信報警和聲音報警。報警模塊電路如圖4所示：

圖4 報警模塊電路

2.4 顯示模塊電路

顯示模塊可以顯示當(dāng)前CO和PM2.5的濃度，并且用來觀察調(diào)整報警閾值。顯示屏選取LCD1602液晶顯示屏，通過布線安裝到汽車駕駛前方，便于車主進行觀察，液晶顯示電路如圖5所示。

圖5 液晶顯示電路

2.5 系統(tǒng)整體電路

將以上設(shè)計的電路連接起來按照引腳依次連接起來，構(gòu)成系統(tǒng)整體電路，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)整體電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用keil uvision4 C51高級語言開發(fā)平臺進行編程，主要由系統(tǒng)初始化、按鍵掃描、PM2.5和CO數(shù)據(jù)采集和處理、中斷調(diào)用、系統(tǒng)報警、通信傳訊組成。首先進行系統(tǒng)初始化，然后進入按鍵掃描，判斷是否進行CO和PM2.5閾值設(shè)置，之后進行數(shù)據(jù)的采集與處理，與設(shè)置的閾值進行比較，若兩者中有一者超過或者兩者都超過設(shè)定閾值，啟動報警模塊，通過報警模塊驅(qū)動GSM模塊和蜂鳴器模塊進行短信報警和聲音報警，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)果分析

硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計完成之后，在Proteus中進行仿真調(diào)試，確定各項參數(shù)和各個電器元件的選擇，調(diào)試完成之后進行樣品實物的制作，初次制作實物，將液晶顯示屏直接放在了電路板上，將軟件程序?qū)懭朐谧龊玫膶嵨镏校捎谠囼灄l件限制，不能將實物放在汽車上做實驗，只能通過人為改變閾值和空氣中的PM2.5和CO濃度來驗證系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。未開機的實物圖如圖8所示。

圖8 汽車尾氣檢測樣品機

打開樣品實物，可以檢測出當(dāng)前空氣中的CO的濃度為16mg/m3，PM2.5的濃度為0.02mg/m3，符合實際，同時通過安檢設(shè)置CO和PM2.5的閾值，超過該閾值進行報警，如圖9所示。

圖9 左為當(dāng)前PM2.5和CO的濃度；右為閾值設(shè)置界面，設(shè)置閾值

人為改變周圍空氣中的PM2.5和CO濃度，可以看到顯示屏幕CO和PM2.5濃度的變化，此時CO的濃度為30mg/m3，PM2.5的濃度為1mg/m3，如圖10所示，且當(dāng)其濃度值超過閾值時會進行蜂鳴器報警和短信提醒。

圖10 人為改變后PM2.5和CO的濃度

從上述調(diào)試過程中可以看出，系統(tǒng)實物可以準(zhǔn)確的檢測出尾氣污染物的濃度，十分靈敏，但由于實際條件和實驗進度有限，沒能在汽車行駛中進行測量，只能通過人為改變空氣中的CO和PM2.5的值來進行觀察，從而判斷出系統(tǒng)是能實現(xiàn)檢測污染物和報警的功能，驗證系統(tǒng)的可行性。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)國內(nèi)汽車尾氣檢測現(xiàn)狀，通過理論和試驗研究相結(jié)合的方法，設(shè)計了民用的基于單片機的汽車尾氣檢測系統(tǒng)。先設(shè)計了系統(tǒng)的硬件電路，然后進行軟件系統(tǒng)的設(shè)計，編寫實現(xiàn)各項功能的程序，之后通過仿真調(diào)試各項參數(shù)，最后還進行了樣品實物的制作，驗證該系統(tǒng)的可行性。為下一步具體實用檢測裝備的研發(fā)提供了重大的參考依據(jù)，通過該檢測系統(tǒng)，廣大車主可以實時監(jiān)測當(dāng)前汽車污染物的排放量，并且通過改變油門大小降低污染物的排放量，一定程度上也能緩解汽車尾氣對環(huán)境的污染。