基于嵌入式的車內空氣質量檢測儀的設計與實現*

高麗娜，王曉陽，李昊霖，劉偉麗

（山東農業工程學院，山東 濟南 250100）

隨著汽車行業的迅猛發展，車內環境污染日益引起人們的重視。車內環境污染主要是汽車內不通風、裝修材料釋放有害氣體等導致。包括塑料腳墊、地毯、座套等，這些裝修材料容易污染車內空氣，導致車內空氣質量降低。據相關調查，一些汽車存在甲醛超標、苯含量超標、二氧化碳超標、二甲苯超標的情況。近年來，PM2.5逐漸進入了人們的視線，PM2.5是指大氣中直徑≤2.5 μm 的顆粒物，人體無法隔離PM2.5。因此，實時檢測車內空氣中PM2.5濃度至關重要。基于此，課題小組設計了一款檢測汽車內空氣質量的便攜式檢測儀。

1 系統硬件電路設計

1.1 系統硬件的整體設計

目前，市場上的嵌入式單片機種類較多，單片機的功能、內存、速度也都存在一定差異，較為常用的有STM32、51、STC、AVR、PIC、TMS、MSP430 等。在本設計中，結合車內空氣質量檢測儀消耗低、便攜性的特點，選用STM32 單片機，該單片機具有功能強大、功耗成本低、執行指令速度快和性價比高的優點，廣泛應用于汽車系統與無線技術等領域[1-3]。本設計的車內空氣質量檢測儀系統主要包括溫濕度檢測模塊、甲醛檢測模塊、PM2.5檢測模塊、STM32 最小系統、液晶顯示屏、GSM 模塊、語音播報模塊、風扇電機模塊與太陽能供電模塊，能夠實時檢測車內空氣質量，并將檢測結果實時顯示到液晶屏上，通過短信的方式及時傳輸到客戶的移動端，系統總體框架圖如圖1 所示。在車內空氣質量檢測儀的設計中，STM32系統中的芯片完成對整個系統的控制，并提供對外的接口，包括GSM 模塊、凈化模塊、語音播報模塊、液晶顯示屏等。通過甲醛傳感器、溫濕度傳感器、PM2.5傳感器，對車內甲醛濃度、溫濕度、PM2.5濃度進行檢測，并將采集信號傳送到單片機，進行數據處理，由編程序控制器控制本系統的工作過程。

圖1 系統總體框架圖

1.2 檢測系統數據采集模塊

1.2.1 溫濕度檢測模塊

本設計采用型號為DHT11 的溫濕度傳感器，該傳感器是數字信號輸出，有著性價比高、功耗低、體積小等優點。測量精度范圍在20%RH～90%RH、0～50℃，測濕精度為±5%RH，測溫精度為±2℃，分辨率為1，是一款集中數字化傳感器，傳輸信號高達20 m，能夠滿足設計要求[4]，溫濕度檢測接口電路圖如圖2所示。

圖2 溫濕度檢測接口電路圖

將DHT11 模塊連接在STM32 的PG2 引腳上實現數據的處理，溫濕度傳感器模塊的供電電壓為3.3 V～5 V，在上電后，為了避免由于不穩定造成的測量誤差，需等待1 s 后，再由單片機向傳感器發送信號指令[5]。

1.2.2 甲醛濃度檢測模塊

本設計需要采集車內甲醛濃度數據，使得用戶能夠及時知道車內甲醛情況，并針對檢測的甲醛濃度，開啟相應的GSM 短信功能、凈化功能。因此，需要選用一款甲醛傳感器，檢測車內空氣中的甲醛。本設計采用ZE08-CH2O 的電化學甲醛傳感器，這款甲醛傳感器具有體積小、功耗低、精度高的優點，是設計車內空氣質量檢測儀的優選[6]，甲醛檢測接口電路圖如圖3所示。

圖3 甲醛檢測接口電路圖

1.2.3 PM2.5濃度檢測模塊

在本設計中，需要檢測PM2.5濃度，并將檢測到的PM2.5濃度實時顯示到液晶屏上，提醒用戶車內空氣質量情況。因此，需要選用一款PM2.5傳感器，檢測車內空氣中PM2.5情況，經過一系列對比分析，本設計采用GP2Y1014AU 的PM2.5傳感器。這款灰塵傳感器性價比高，能夠檢測車內空氣中的PM2.5含量，描述車內空氣質量等級，常被用于車載空氣凈化系統中，符合本系統設計要求。GP2Y1014AU 的檢測原理簡單，傳感器中心有洞，讓空氣流過，通過LED 光對折射光線進行檢測，從而得到空氣中灰塵情況[7]。GP2Y1014AU 傳感器反應速度可達到10 ms，能夠檢測直徑最小為0.8 μm 的粒子。GP2Y1014AU PM2.5接口電路圖如圖4所示。

圖4 GP2Y1014AU PM2.5接口電路圖

1.3 液晶顯示模塊

在本設計中，需要將檢測到的溫濕度、甲醛濃度、PM2.5濃度實時顯示出來，方便用戶參考。因此，本設計需要一款液晶顯示屏，將檢測到的空氣質量情況顯示出來。經過一系列對比，采用性價比高的OLED 液晶顯示屏，這款液晶顯示屏有顯示圖形、漢字、數字與字符的功能，對工作環境要求低。OLED液晶顯示屏的電致發光是通過多層薄膜產生的，OLED 相比LCD，更加輕薄、發光效率高、清晰度高、功耗低，符合本設計要求[8]。OLED液晶顯示屏接口電路圖如圖5所示。本設計中，OLED液晶顯示屏的時鐘線接口SCL 與單片機的PA5 連接，數據線接口SDA 與單片機的PA7連接，GND接地，VCC接3.3 V電源。

圖5 OLED 液晶顯示屏接口電路圖

1.4 GSM模塊

當車內有害氣體濃度超標時，需要向用戶發送短信，及時提醒用戶。因此，本設計需要一款GSM 短信通信模塊，實現短信發送的通信功能。本系統采用的SIM800A GSM（一款工業級雙頻GSM/GPRS模塊內核的短信模塊）進行通信，該模塊有著雙向傳輸、性價比高的優點，可支持STM32 單片機通信和DTMF、SMS（短信、彩信）、GPRS 數據的傳輸，同時具有TTS（本地文本語音播放功能）。當卡座插入SIM 時，可向用戶發送信息。GSM 功能完善、接口豐富、工作穩定、抗干擾性強、體積較小，適用于需要短信、語音、GPRS 等多種數據服務的領域，在智能家居、遠程監控等領域應用較多[9-10]。單片機通過向GSM 發送指令控制模塊，將車內空氣質量情況發送到用戶移動端。SIM800A GSM模塊原理圖如圖6所示。

圖6 SIM800A GSM 模塊原理圖

1.5 電機驅動模塊

在本設計中，當檢測車內空氣氣體濃度超過一定值時，會開啟凈化功能，通過電機驅動模塊控制排風扇，根據車內有害氣體的相應濃度，開啟不同檔位的排風扇，實現對氣體的有效吸收。因此，本設計需要采用一款電機驅動模塊，控制排風扇的轉速。本設計選用型號為L298N 的電機驅動模塊，其具有工作電壓高、電流大、抗干擾能力強、驅動能力強的優勢，被廣泛用于驅動直流電機、步進電機，電機驅動模塊原理如圖7所示[11]。

圖7 電機驅動模塊原理圖

2 系統軟件設計

本設計的車內空氣質量檢測儀能夠對車內的甲醛濃度、PM2.5濃度、溫濕度進行檢測，將檢測數據顯示到液晶屏上，讓車內人員能夠及時了解車內空氣情況。單片機處理數據，判斷是否需要開啟凈化功能、語音播報功能與短信功能，軟件系統框圖如圖8所示。

圖8 軟件系統框圖

3 總結

基于STM32 單片機設計的車內空氣質量檢測儀，能夠實時測量車內的空氣質量，包括溫濕度、甲醛濃度與PM2.5濃度，實現檢測儀的基本功能，并且當車內氣體濃度超標時，能夠向用戶發送短信提醒，并自動開啟凈化功能。