車內空氣質量監測系統的設計與開發

（河南工程學院土木工程學院，鄭州市，451191） 徐 平

（河南工程學院機械工程學院，鄭州市，451191） 陶云亮 王士龍 趙亞兵 馬登軍

據統計，截止至2018 年，我國汽車人均保有量達到0.15 輛/人，而且可以預見的是，這個數值還將不斷上升。而汽車內部的環境質量卻不是那么優良，其主要原因是汽車內飾、車輛外表面鍍漆以及其他修飾品等所用的材質大部分都包含有對人體有害的氣體成分，因此車內環境問題也日益嚴重。一般來說，車內空氣環境污染主要來源于汽車內飾材料釋放的有害氣體和車廂外污染物的滲入[1]，汽車行駛過程中揮發性有機物與汽油的燃油蒸發有一定的關系[2]，同時使用年限、通風率也會對揮發性有機物的揮發過程產生影響[3]，這可以通過車內外空氣污染物濃度的關系來進行研究[4]，研究過程中一般把苯、甲苯和二甲苯作為車內空氣中揮發性有機物的標識物來研究[5]，而對于新車來說，車內空氣質量更不容樂觀，有研究表明新車車內空氣中可以檢測到100多種揮發性有機物[6]，汽車污染化合物品種過多，應當優先考慮28種化合物為監測指標[7]，可以首先考慮甲醛。

除甲醛以外，在汽車內部的物理環境指標對司機和駕駛員影響較大的有：二氧化碳濃度、車廂內溫度和車內空氣相對濕度[9-11]。車內溫度與相對濕度指標如果能夠控制在一個與人體相匹配的范圍之內，對于乘客能夠獲得心理上愉悅和身體上的放松，對于駕駛員來說能夠提高精神注意力，增加行車安全性，相對濕度與溫度指標過低或者過高會讓人的身體狀況變差，精神上感到疲勞和不舒適，嚴重的會讓人感到頭暈目眩，降低行車過程中的安全系數。同時，汽車在工作的過程中大多都是以中高速行駛，可能會造成車內空氣與外界空氣不能及時對流是車內的氧氣含量降低，二氧化碳的含量增高，進而導致駕駛員和乘客身體疲憊、產生困感和注意力不集中等狀態發生，這些狀態最容易造成交通事故的發生。據相關數據統計發現：僅僅在2016年發生的5.06萬左右汽車交通事故當中，因駕駛員注意力造成的事故占據著近一半的比率，高達48.23%，故而改善和檢測車內的空氣質量對行車安全性十分重要。

可見，車內溫度、濕度、甲醛以及二氧化碳濃度都會對駕乘人員有著影響，為此設計開發了一款能夠同時監測溫度、濕度、二氧化碳濃度及甲醛濃度的車內環境檢測系統。

1 總體方案設計

為了達到以上幾個功能要求的目的，開發了一套用于汽車車內環境監測的系統。該系統包含有信息采集模塊、ECU控制模塊A/D轉換模塊、LED顯示模塊以及報警模塊，其中數據采集主要是利用不同傳感器來獲取不同的信號源。具體結構原理圖如圖1所示。

通過利用傳感器獲取上述提到汽車內部環境質量評價的物理指標的狀況，傳感器內部的內部氣敏元件利用化學變化將物理量轉化為電化學量，進而輸出一個電信號，然后ADC0832芯片會將此電信號轉變成數字信號傳輸給單片機進行運算處理，并且將處理結果傳輸至LED 顯示屏上，同時，若單片機處理出的結果如果大于系統設定的閾值，那么蜂鳴器會發出響聲，提醒車內空氣質量不達標。

圖1 環境監測系統結構原理圖

2 硬件系統設計

2.1 二氧化碳傳感器的選擇

車內的CO2濃度是通過MG811 傳感器測量，其原理是利于傳感器內部特殊的電解質與CO2會發生化學反應，通過反應的劇烈程度來體現車內CO2濃度。選擇使用MG811 傳感器來測量車內的二氧化碳是因為受其他環境因素影響較小，尤其是溫度和空氣濕度，除此之外該傳感器的靈敏度高。

單片機若想獲得MG811傳感器的輸出信號，必須在兩者的連接電路接上一個電阻，因為該傳感器輸出信號存在較大的阻抗，單片機無法直接接受到。所以焊接時，需要在傳感器信號輸出的后端接一個阻抗從而起到降低阻抗的作用，從而將傳感器輸出阻抗減至可以測量的程度。

MG811 傳感器正常工作時內核溫度可以達到500℃以上，而內核和周圍空氣是直接接觸的，因此環境溫度變化會影響到傳感器的靈敏度，所以設計中采用溫度補償電路，補償電路由RT構成[10]，如圖2所示。

圖2 MG811傳感器電路圖

2.2 甲醛濃度傳感器的選擇

選擇MQ138 傳感器測量車內環境中的甲醛濃度的變化一方面是因為車內甲醛濃度相對較低，該傳感器對其識別的靈敏度較高且穩定，另一方面是經濟性好，使用時間長且價格便宜。MQ138傳感器的工作原理是利用其內部填充的SnO2的在不同環境下的導電率來判斷車內空氣中甲醛的濃度，正常情況下，SnO2如果處在大氣中導電率不高，但在狹小的汽車內部空間內，如果環境中存在有甲醛等有機物時，MQ138內部的SnO2的電導率就會根據車內甲醛等氣體濃度的改變而改變。MQ138 傳感器引腳連接如圖3所示。

圖3 MQ138傳感器基本電路圖

2.3 溫濕度傳感器的選擇

選擇DHT11 溫濕度傳感器來測量車內環境的相對濕度和溫度指標，該傳感器的特點是穩定性好、數據測量準確、品質好、響應快、性價比高等，它是一種復合類型的傳感器[12]。

圖4是DHT11溫濕度傳感器具體實物圖，其中4 針引腳分別起不同的作用，供電引腳 VCC 是為傳感器提供5V 的電壓；DATA 表示串行數據，單總線；GND表示電源；N/A是空腳，懸空處理負極。

圖4 DHT11數字溫濕度傳感器

2.4 單片機的選擇

本設計選擇T89C52 單片機作為核心的控制元件，AT89C52單片機是一款比較常用的8位單片機，在一些較為簡單的系統中廣泛應用，具以下特點：供電電壓低、256B 的RAM、I/O 口數32 個、中斷源5個、16 位的定時器2 個等，采用11.0 592MHz 的晶振。該單片機的最小系統包含有時鐘電路、復位電路和單片機，如圖5所示。

圖5 單片機最小系統

2.5 A/D轉換器的選擇

根據本次的設計目的，選擇ADC0832 型號的轉換器能夠較好的實現系統功能，它是一種逐次比較型的轉換芯片，十分適合本次的信號轉換的要求。它的優點是信號轉換耗時短、分辨率高、誤差小，同時能夠很好的將單片機處理器的操控與多器件銜接在一起。表1 將其各個引腳的功能作了說明。

表1 ADC0832引腳說明

2.6 顯示模塊電路

車內的空氣質量的相關指標的顯示是通過LCD1602液晶顯示，該款顯示屏是利用可調電阻來調節對比度[7]，圖6為顯示器與單片機引腳的連接線路圖。

圖6 顯示模塊電路圖

2.7 電源模塊電路

該系統所需的電壓較小，選用普通的蓄電池即可滿足系統供電需求，但需要對電路進行設計，電池與系統的連接方式如圖7所示。

圖7 電源接口電路

2.8 報警電路

當車內的空氣質量的指標不達標時，該系統是通過蜂鳴器來進行提醒，其電路圖的設計如圖8 所示，三極管的基極串聯一個電阻后與單片機的P3.6引腳相連，然后三極管驅動蜂鳴器工作。

圖8 報警電路

3 系統軟件設計

3.1 軟件流程圖

本系統基于Kile編譯環境開發，利用C語言進行代碼編寫，主程序流程圖如圖9 所示?；舅悸窞椋浩囓噧拳h境監測系統要實現的功能是能夠將汽車車廂內部環境中的CO2和甲醛的濃度、溫度、空氣相對濕度等物理指標通過顯示屏顯示出來，并且如果這些參數超過設定的閾值后蜂鳴器報警。基本流程為：接通電源后，蜂鳴器自行檢查，之后系統內使用的不同芯片初始化，這時顯示屏上會顯示設定的物理指標；系統運行之后，單片機通過將各個不同傳感器收集到的信號進行處理，將車廂內部的物理指標的具體參數傳輸至顯示屏，如果某個指標超過系統設定的閾值，蜂鳴器在三極管的驅動下報警，否則系統循環往復的工作。

3.2 系統初始化

系統初始化程序針對的主要是系統芯片中的定時器和中斷系統，其初始化程序如下：

void init（）

{

TMOD=0x01; //定時器0方式1

TL0=0xb0; //賦初值

TH0=0x3c; //賦初值

EA=1; //開總中斷

ET0=1; //允許定時器0中斷

TR0=1; //定時器0開

}

圖9 總流程圖

3.3 濃度數據的讀取

在讀取濃度數據時，利用A/D自行采集，然后通過數模轉換將模擬信號轉換為數字信號，傳遞給單片機，二氧化碳、甲醛濃度的采集過程基本一致，為此只給出了數模轉換的部分流程圖，如圖10所示。

圖10 A/D轉換模塊程序流程圖

4 模擬系統及測試對比

圖11 是車內空氣質量檢測系統的實物圖，為了驗證該系統的可行性與測量結果的精確性，將軟件和硬件系統調試無誤后放置在實驗室的汽車內進行驗證。實驗條件為：將汽車車門與車窗全部關閉，汽車內只留司機一人。采用干電池給系統提供電源，每隔10min 記錄一次測量結果，試驗時間為1h，測量結果如表2 所示。該結果表明系統能夠穩定運行，由于汽車是處于靜止狀態，除碳含量之外各組結果相差不大，這是由于人呼吸出的CO2來不及與外面的空氣進行交換，導致碳含量增加，這說明系統的精確性相對良好。

圖11 整體實物圖

表2 汽車車內環境監測數據

5 結論

通過從實踐的角度開發設計了車內空氣質量監測系統，包括硬件系統選型設計與程序設計，經過實際驗證，該系統能夠持續監控車內空氣質量，為改善汽車的室內空氣質量提供了經驗借鑒。但是對汽車是否在停止、運動狀態等具體細節問題沒有涉及，在具體實施時需重點考慮以上實施時的具體情況。