基于單片機的民用汽車尾氣檢測系統設計

焦鑫兆，陳健龍，侯文

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

0 引言

隨著我國科學技術的發展和生活水平的提高，汽車已成為居民生活的必需品。然而，汽車工業的發展，不僅給人們的生活帶來了方便，提高了人們的生活質量，同時也給環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，對人體也會造成極大的傷害。尤其是洛杉磯1955年和1970年發生的兩次光化學煙霧事件，被人們成為“世界八大公害”和“20世紀十大環境威脅之一”，使人們深刻認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和生產廠家所有，但汽車尾氣的排放濃度和駕駛人踩油門的大小有著直接的聯系，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，根據單片機的控制技術，結合傳感器技術與GSM通信技術，設計了一種簡單實用的汽車尾氣檢測系統，方便車主在行駛過程中對汽車尾氣的實時監測。

1 系統整體設計

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

圖1 尾氣檢測系統整體架構

2 系統硬件設計

2.1 主控電路設計

系統的主控制電路主要包括：STC89C52單片機、時鐘電路、復位電路這三個主要部分構成，從而控制整個系統的運行，實現所期望的功能。主控電路設計如圖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的設計，但對于該系統所要實現的功能和成本考慮方面來看，STC89C52單片機實現系統功能綽綽有余，且價格相比于STM32系列單片機更加優惠，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。通過傳感器采集CO和PM2.5，然后通過A/D轉換，將兩者的濃度以數值的形式展現出來。設計的電路如圖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轉換，顯示出當前兩者濃度，再與設定閾值比較，若兩者中有一者超過或者兩者都超過設定閾值，啟動報警模塊，通過報警模塊驅動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前CO和PM2.5的濃度，并且用來觀察調整報警閾值。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 系統整體電路

將以上設計的電路連接起來按照引腳依次連接起來，構成系統整體電路，如圖6所示。

圖6 系統整體電路

3 系統軟件設計

本系統采用keil uvision4 C51高級語言開發平臺進行編程，主要由系統初始化、按鍵掃描、PM2.5和CO數據采集和處理、中斷調用、系統報警、通信傳訊組成。首先進行系統初始化，然后進入按鍵掃描，判斷是否進行CO和PM2.5閾值設置，之后進行數據的采集與處理，與設置的閾值進行比較，若兩者中有一者超過或者兩者都超過設定閾值，啟動報警模塊，通過報警模塊驅動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 系統軟件流程圖

4 結果分析

硬件系統和軟件系統設計完成之后，在Proteus中進行仿真調試，確定各項參數和各個電器元件的選擇，調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，將軟件程序寫入在做好的實物中，由于試驗條件限制，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濃度來驗證系統的精準度和穩定性。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 左為當前PM2.5和CO的濃度；右為閾值設置界面，設置閾值

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

從上述調試過程中可以看出，系統實物可以準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，從而判斷出系統是能實現檢測污染物和報警的功能，驗證系統的可行性。

5 結束語

本文根據國內汽車尾氣檢測現狀，通過理論和試驗研究相結合的方法，設計了民用的基于單片機的汽車尾氣檢測系統。先設計了系統的硬件電路，然后進行軟件系統的設計，編寫實現各項功能的程序，之后通過仿真調試各項參數，最后還進行了樣品實物的制作，驗證該系統的可行性。為下一步具體實用檢測裝備的研發提供了重大的參考依據，通過該檢測系統，廣大車主可以實時監測當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境的污染。