基于STC89C51 單片機的汽車檢測換氣系統設計

華奕銘，王旭啟

（西京學院 電子信息學院，陜西西安，710100）

在如今飛速發展的年代，各種高技術的產物不斷涌現，車輛逐漸走向智能，此次針對車輛換氣問題，提出一種新型的車輛換氣檢測裝置，以達到對車輛換氣通風的警示。它能根據空氣中的CO2濃度和溫濕度的改變來引導司機調節汽車通風，從而營造出一個較好的室內空氣質量，而且具有較高的經濟性和實用性；它具有廣闊的市場前景，是汽車內部通風的一個很好的手段。

隨著社會和經濟的迅速發展，汽車的生產和銷量不斷地創新高。但是，從汽車尾氣中排放出來的微粒和氣態污染物將會增多。在國內，PM2.5 的濃度經常超標，這是導致大面積的霧霾的一個重要原因。為了減少尾氣的排放，減少對環境的影響，我們需要改進車輛的換氣系統。

時代在發展，車輛的換氣通風設備也在不斷的變化，越來越符合現代的需求。在最新的車輛換氣裝置的研制中，主要對內部的感應器進行了改造，通過改變感應器可以使換氣裝置發生質變。新的車輛通風換氣裝置有許多優勢，例如可以自動換氣和散熱器，而且價格也相對于舊式車輛的換氣裝置便宜；因此，新型的汽車換氣系統將會被更多地使用和普及。

1 總體方案

本文介紹了由STC89C51 系統控制模塊，計數模塊、顯示模塊、測量模塊、報警模塊、AD 轉換模塊，和其它一些電路組成的車輛換氣控制電路。本研究旨在實現車輛通風系統的提示。在汽車啟動后，汽車內部通風裝置上的氣體感應器會對汽車中的CO2濃度和溫濕度值進行測量。該裝置具有清零健，能夠消除數據。利用該功能按鈕，可以設定車輛對應的各項指標，利用氣體傳感器和溫濕度傳感器來偵測車輛目前的CO2濃度及含溫濕度值，并與設定的參數值進行比對；若超出標準值，通過報警模塊的蜂鳴器通知使用者，將采集到的傳感器的數據通過數字模擬變換，將其顯示在LCD 屏幕上，方便使用者查看。

本課題所要求的傳感器為氣體傳感器和溫濕度傳感器。本系統以STC89C51 為核心，能及時有效地向各部件發出命令，并對各部件進行測量。整個電路的結構包括：晶振電路，報警電路，復位電路；而顯示器則是構成完整的體系和滿足設計需求不可缺少的一環。該系統可以通過控制器來讀出和顯示CO2濃度和溫濕度的數據，在達到要求時，可以正常的進行，不需要警報，如果不符合要求，就會發出聲音和燈光警告。同時，還可以在液晶顯示屏上實時地看到溫濕度等數據。

2 硬件設計

2.1 控制模塊

控制模塊采用STC89C51 單片機作為控制模塊的核心，STC89C51 是一種功耗低、性能高的單時鐘的單片機，具有8K 在系統可編程Flash 存儲器。它的高穩定性和性價比使得它相比于其他同類產品要更加有優勢。STC89C51 單片機內部有著不可或缺的三個電路，它們分別是：晶振電路，復位電路和供電電路。本設計采用自激蕩方式，使內部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩產生時鐘信號。石英晶振選擇頻率為12MHz，電容選擇30pF。按下開關鍵實現單片機復位。其電路原理圖如圖2 所示。

圖2 控制模塊電路

2.2 檢測模塊

2.2.1 氣敏傳感器

該系統采用氣敏傳感器直接測量車內部分濃度。所選擇的CO2傳感器為MG811 型CO2氣體傳感器, MG811 型CO2氣體傳感器的特點為CO2有良好的靈敏度和選擇性受溫濕度的變化影響較小，并且有著良好的穩定性、再現性。通常應用于空氣質量控制系統和發酵過程控制以及溫室 CO2濃度檢測。傳感器如圖3 所示。

圖3 MG811 型CO2 傳感器

2.2.2 溫濕度傳感器電路

本次設計采用DHT11 溫濕度傳感器模塊，作為一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，DHT11 溫濕度傳感器采集的數值是非常準確的，其采集范圍為：溫度0℃～50℃±2℃，濕度：20～90%RH。DHT11 采用單總線雙線串行通信協議，采集過程首先是STC89C52 單片機發起開始信號，通過I/O 引腳發送給DHT11，之后DHT11反向單片機發送響應，并將采集到的數據按照40 位數據幀格式輸出，最高位在前，數據格式為：8bit 濕度整數數據+8bit 濕度小數數據+8bit 溫度整數數據+8bit 溫度小數數據+8bit 校驗位，溫濕度小數部分默認為0，即單片機采集的數據都是整數，校驗位為4 個字節的數據相加取結果的低8 位數據作為校驗和，單片機將檢測到的數據解析，得出溫度和濕度的具體數值，最終顯示在液晶屏上。

2.3 A/D 轉換模塊

A/D 轉換就是模擬轉數字信號的過程，本程序設計選用延時等待法。該設計的A/D 轉換模塊采用的是ADC0809 進行數模轉換，它主要是將模擬量轉換為相應的數字量。抽樣、量化和編碼是A/D 變過程中的重要環節，在一般轉換的情況下，編碼和量化都是同時進行并完成的。

2.4 LCD1602 液晶顯示電路

LCD1602 稱為工業字符LCD，可同時顯示32 個字符，即16 列和2 行。LCD 已被用作許多電子產品的設備，人們接受單片機的反饋主要是通過LED 發光管、液晶顯示屏和數碼管。LCD 的工作原理：利用LCD 的物理特性，顯示區域由電壓控制，上電后可顯示圖形。 LCD 體積薄，直接由大型集成電路驅動，易于實現全彩色顯示，廣泛應用于數碼相機，便攜式計算機，PDA 移動通信工具等領域。

2.5 報警電路

報警電路是整個系統的核心的一個部分，主要起到接收系統對氣體檢測得到的結果對外界進行一個反饋，然后以數據等途徑傳遞給檢測者。蜂鳴器采用直流電壓供電，作為結構一體化的電子通訊器，當空氣檢測模塊檢測到污染空氣時紅燈和蜂鳴器分別響亮。報警子程序值設定后，傳感器輸入AD 轉換，調用比較程序根據比較標準結果完成警報。晶體管和集成電路都可以形成一個多諧振蕩器。當打開1.5～15V直流工作電壓時，振蕩器開始振動，發出1.5～2.5kHz 頻率的聲音信號，使阻抗匹配器來推動電壓發出響動的聲音。

圖5 蜂鳴電路

3 軟件設計

3.1 編程語言選擇

本系統是基于STC89C51 單片機開發，選擇C 語言作為開發語言。Keil μvsion5 是現今嵌入式程序開發運用最為廣泛的系統開發環境，可以實現對ARM 以及更高級內核的處理。

3.2 軟件設計

3.2.1 主程序設計

系統每個功能需求都采用模塊化設計，每個子模塊功能由主控程序調用。當系統啟動時，進入主控程序，完成IO口，LCD 液晶顯示，串口，中斷等模塊的各個模塊的初始化，并讀取溫度，車內污染空氣濃度。檢測氣體濃度是否超過設定值，進入子程序并顯示在LED 屏幕上。之后系統等待每個模塊做出響應。當模塊檢測到異常時，蜂鳴器發出警報。

3.2.2 A/D 轉換程序設計

A/D 轉換就是模擬轉數字信號的過程，通過編寫延時程序，設置延時時間讓CPU 處于信號等待狀態，而這個時間設置至少要能使AD 模塊轉換完成，CPU 在設定時間內不能進行其他工作需要等待結束后在讀取數據。本程序設計選用AD0809 模塊，采用延時等待法。

3.2.3 液晶顯示程序設計

數據顯示屏幕選用的是LCD 液晶顯示屏，考慮到用戶投入時候后的實際體驗感，選擇了較高級的LED 屏，LCD模塊與單片機采用并口通信，用單片機的I/O 進行控制液晶顯示屏的讀寫數據命令功能，單片機引腳口傳輸數據到液晶屏進行顯示。LCD 上電初始化，按照時序給定顯示地址，然后傳送數據，上電后液晶顯示開始顯示測量結果。

圖6 系統主程序框圖

圖7 A/D 轉換流程圖

3.2.4 聲光報警程序設計

當檢測模塊檢測到污染空氣時紅燈和蜂鳴器分別響亮。報警子程序值設定后，傳感器輸入AD 轉換，調用比較程序根據比較標準結果完成警報。

4 調試與總結

本次設計使用軟件Altium Designer 完成原理圖的設計并通過焊接實現了電路板的制作，通過使用C 語言在Keil μVision5 軟件中來編寫程序。將硬件和軟件組合進行調試，反復調試系統，仔細檢查系統各個模塊能否正常運行，發現可能會發生的問題，積極解決這些問題，最終使這次設計得以完成。

圖8 液晶顯示程序流程圖

圖9 聲光報警程序流程圖

4.1 軟件調試與設計

根據此次課題使用Keil μVision5 進行編程調試。采用C 語言來編寫。用Keil 編譯時選擇Proteus VSM Monitor-51 Driver 模式，編譯后會產生hex 文件，在這種模式下產生的hex 文件才能使單片機按照指令去仿真工作。

4.2 硬件調試

硬件調試是指對系統硬件是否能夠正常工作、是否存在硬件故障進行分析和處理。如出現短路、虛焊、電源中斷等故障，需立即修理和重新設計硬件電路。要避免發生短路和極性接反等情況。焊接好的實物圖如圖10 所示。

圖1 系統結構框圖

圖10 硬件實物圖

4.3 實物演示

當元器件在萬用板上焊好后，對其進行設計的功能進行了測試，以保證最終成品的正常運轉。在實物接電后，通過功能按鍵可以進入參數設置頁面。實物演示：通電按下設置鍵進入參數頁面，參數顯示如圖11 所示。

圖11 參數顯示圖

第一行左側是二氧化碳的濃度，右側是溫度，第二行左側是二氧化碳的報警值，右側是濕度。最下面兩個按鍵可以調節單片機報警上限，左邊按鍵是增加報警上限，右邊按鍵是減少報警上限。當二氧化碳超過報警上限時，蜂鳴器會報警，風扇也會隨之轉動。當把上限值調低時，蜂鳴器會報警，此時當前二氧化碳值超過上限。如圖12 所示。

圖12 蜂鳴器報警

當用左邊按鍵調高二氧化碳報警值時，蜂鳴器將不再報警，風扇也停止轉動。如同13 所示。

圖13 蜂鳴器不再報警

5 總結與展望

本文提出了一種比傳統方法更有效、及時、低成本的方法來對車內氣體質量進行在線實時監測，設計出了基于單片機的汽車換氣檢測系統。對現階段車內空氣換氣檢測進行了分析和研究，提供了整體方案和軟硬件設計構想。測量結果表明，本文設計的基于單片機的汽車換氣檢測系統能夠很好的響應，測量精度準，具有很高的實用性。

基于單片機的汽車換氣檢測系統研究是順應時代發展潮流的產品，隨著人們對生活質量、身體健康的重視，車內配飾也總是存在污染汽車超標的情況，車內有害氣體對人體的危害逐步被人們重視關注。目前已有的產品不僅價格高而且體積大操作復雜，本設計基于無線傳感器處理系統，不僅價格低廉而且操作簡單，體積小。轎車現在與我們的生活息息相關，人們處在汽車空間內的時間也非常多，基于單片機的汽車換氣檢測系統研究對于預防和警示車內污染空氣意義重大，它的出現對于提高人們的生活質量有著重要的意義。如今在國內大力提倡保護環境的大背景下，車內空氣檢測儀的發展必定勢不可擋。