面向人體健康的駕駛艙內空氣品質監控系統

曹涵捷 劉佩雨 楊翼行 陳敏杰 鄭修遠

吉林大學 吉林省長春市 130015

1 引言

隨著現代工業的發展和人們生活水平的不斷提高，汽車在我們生活中扮演的角色越發的不可或缺，它幾乎是人們出行的必備工具。根據國家統計局數據，截止2021 年末全國民用汽車保有量約為30151 萬輛，可見人們與汽車間聯系之密切。但隨之而來的問題是在車內比較狹小的空間中因為車內溫度過高、飾品材料釋放出甲醛等有害氣體濃度超標、氧氣不足或者汽油燃燒不完全產生的大量一氧化碳倒灌進入車內導致駕乘人員傷亡事故屢見不鮮，車內空氣質量問題逐漸成為人們關注的熱點話題。如何優化車內空氣質量，提高駕乘人員的舒適性和安全性，最大程度上保障駕乘人員的生命安全等問題已經刻不容緩。為此，本文將以車內空氣質量為研究方向，以人體健康為出發點，著力實現對車內外空氣的準確檢測，進而通過預警裝置提醒駕駛者，實現對車內空氣質量的控制。

2 研究背景

車內空氣污染嚴重危害著人們的人體健康，不少研究學者也對車內空氣問題進行了相關研究，王龍、楊曉宇等針對車內傳統手持式甲醛檢測存在的問題，設計了一種基于IOT 模塊的汽車車內甲醛氣體實時監測系統；郭云飛認為車內飾品釋放甲醛，苯系蒸汽等有害氣體濃度在空間狹小的車內很容易超標，提出基于AT89C52 單片機的車內有害氣體本地監測設計方案；刁欣煒、黃冰逸等針對密閉車內可能存在的缺氧和汽油燃燒不完全產生的大量一氧化碳倒灌進入車內的情況，設置傳感器實時監測車內二氧化碳和一氧化碳濃度。以上研究都對車內存在的有害氣體問題進行了分析，提出監測車內空氣質量的方法，但是上述研究仍缺少對汽車駕駛艙內空氣品質的全面分析，且并未實現真正實用便攜的可實時監測的預警系統。

本文提出的系統將對現有研究進行改進，監測、預警結合控制三位一體，能夠更好地預防車內空氣污染并解決已產生污染的問題，從而更有效地保障駕駛員的身體健康。本項目就是面向人體健康的汽車駕駛艙空氣品質監測-預警-控制系統，著力點在于直觀呈現監測結果、及時并精確預警、合理進行控制或者利用大數據向車主提出建議，以更好地實現保障車主健康的目的。

3 系統設計方案

3.1 汽車內外空氣實驗

首先對駕駛艙內氣體進行分析監測，選取幾款經典車型進行實驗，測定車內外對人體有害物質含量。在得到不同車型駕駛艙內有害物質的含量報告后，通過分析有害物質含量以及對人體危害程度的嚴重性，選取主要的有害物質進行研究。

1.實驗時間

為使實驗結果盡量全面，本項目分別在冬天和夏天的早晨、正午和晚上進行試驗。

2.實驗地點

車內選擇平常的私家車、公交汽車和載貨卡車，車外則選擇距離這些車輛的周圍五米之內。

3.實驗方式

直接利用空氣含量測試儀進行具體數據的測量。

4.實驗數據的測量(表1)

表1

5.實驗結論

根據上述實驗數據顯示，CO 的變化程度最大。且據世界衛生組織(WHO)的統計,每年因為車內一氧化碳中毒致死人員達9700 多人，在夏天和冬天,密閉的駕駛艙內里長時間使用空調易導致一氧化碳中毒。因此，選擇CO 作為本系統的主要研究對象。

3.2 單片機系統設計

本系統由STC89C52 單片機、MQ-7 一氧化碳傳感器、A/D 轉換芯片ADC0832、指示燈、蜂鳴器、1602 液晶顯示屏組成。

1.傳感器轉換模塊

本文采用MQ-7 氣體傳感器，這種氣體傳感器對一氧化碳的靈敏度高，可檢測多種含一氧化碳的氣體，其檢測濃度為10-1000ppm，是一款適合多種應用的低成本傳感器。具有雙路信號輸出功能，6 針管腳，4 個用于信號輸出，2 個用于提供加熱電流。放大電路也集成在MQ-7 氣體傳感器中，傳感器把氣體濃度的變化轉化為電信號的變化,放大電路對模擬信號進行放大。

2.控制模塊

控制模塊為設計的核心,它主要起到控制其他芯片工作的作用,沒有它的控制,各個模塊之間就無法正常工作。本設計采用STC 公司的STC89C52 單片機作為主控制芯片,此單片機具有4 組8 位I/O 口(DIP-40 封裝),3 個16位定時/計數器,8 個中斷源,8KBFlash 程序存儲器,512Byte 片內RAM 數據存儲器,一個全雙工串行通信接口。STC 單片機性價比高,功能多,抗干擾能力很強,串口編程很方便,保密性很強。原理圖如圖1。

圖1 處理器模塊原理圖

3.A/D 模數轉換模塊

A/D 轉換芯片ADC0832 是8 位分辨率的A/D 轉換芯片，最高分辨可達256 級。它的內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V 之間。芯片轉換時間僅為32μS，據有雙數據輸出可作為數據校驗，能夠減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。

圖2 單片機對ADC0832 控制原理

4.單片機系統整體方案

（1）本系統的設計原理如圖3 所示。MQ-7 氣體傳感器連接ADC0832 數模轉換器的CH0 引腳。一氧化碳的濃度變化會導致氣敏材料的電導率發生變化，從而實現了檢測氣體信號與電信號之間的轉換。

圖3 單片機系統設計原理圖

（2）ADC0832 的DO 與DI 端因為在通信時不可同時有效，因此設計時將DO 與DI端并聯在同一根數據線上連接單片機的P2.2引腳。如圖4 所示，根據ADC0832 轉換的串行協議，在第2、3個脈沖下沉之前DI端輸入1，0 信號，選擇CH0 進行單通道轉換。并在后8 個時鐘脈沖中獲得由對應電壓值轉換的8 位二進制數據。

圖4

(3)如圖5 所示，氣體濃度與氣敏電阻呈線性變換，又氣敏電阻與電壓呈線性變化，得CO 的模數轉化公式：

圖5

其中CO 為一氧化碳測量值，U 為單片機讀取到的二進制數據，n為二進制數的位數，COmax與COmin為實際上傳感器的檢測濃度最大值與最小值。

(4)誤差處理：由于環境外部因素（溫度、濕度等），會導致在實際操作過程中，存在不可避免的正誤差，由圖4 圖像得到當CO濃度為0 時誤差值。

計算CO 的準確值：

其中CO 準確為得到的一氧化碳準確值，CO 為一氧化碳測量值，為系統誤差。

(5)液晶顯示：

由圖3 所示，單片機獲取到CO 數據后通過引腳P0.0-P0.7 傳輸數據到LCD1602模塊進行數據更新，并液晶顯示當前測量的濃度與危險閾值濃度。

(6)聲光報警：

使用者可以通過單片機上兩個按鍵開關來設置報警閾值，若CO 濃度高于已設置的報警閾值，則蜂鳴器和指示燈發出聲光報警，直到檢測到CO 濃度低于報警閾值才停止。

3.3 APP 設計

（1）APP 的設計方案：

如圖6 所示，app 設置有五個功能，分別為連接、保存、發送、清空、退出。

圖6

（2）藍牙建立連接功能：

a、打開藍牙

b、查找附近已配對或可用設備

c、連接設備

d、設備間數據交互，獲取到來自單片機的測量濃度與報警濃度后，在APP 頁面上顯示，若測量值大于報警閾值，則發出警告并給出建議

（3）保存功能：將單片機傳來的數據保存在SD 卡中。

（4）發送功能：將輸入的數據通過藍牙串口通信發送給單片機。

（5）清空功能：將APP 中的顯示內容清除。

（6）退出功能：斷開藍牙連接，退出APP。

4 結論

文章以保障人體健康為出發點，對現有的駕駛艙內空氣質量監控系統加以優化，提出了一種新型的監測預警系統。本系統實現了駕駛艙內有害氣體監測APP 的設計，解決了現有系統中對車主反饋的信息與解決方式結合不夠完善、考慮因素不夠全面的問題，綜合升級完善了現有系統，提高了駕駛人及乘員的安全性與舒適度。但是，本文在監測與預警車內有害氣體方面還并不全面，對該方案的設計并不細致，如何更好控制駕駛艙內的空氣質量、提出更加智能的建議需要更深入的研究，從而來建立最優的駕駛艙內空氣質量的監控系統，來保障駕乘人員的身體健康。