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车内环境监测系统设计研究

2019-08-13 18:18 来源:系统设计论文 有人参与在线咨询

摘要:汽车行驶过程中,产生大量有害气体,有害气体会进入车内。当有害气体积累到一定量时,将会对车内人员的身体健康有害。我们团队针对这种现象,设计了一套以STC89C52处理器为核心的智能车内环境监测系统。此系统能够实时收集车内温湿度、pm2.5、甲醛、烟雾的数据,通过LCD显示屏显示数值,含量超标蜂鸣器会进行报警,以便驾驶员根据当前车内环境对车窗、空调进行控制。

关键词:STC89C52单片机;DHT11温湿度传感器;MQ-2烟雾传感器;PM2.5传感器;甲醛传感器

前言

随着时代的发展及社会的进步,汽车已经成为人们日常出行的交通工具。它在为人类生活提供了便捷,但它也给人们的身体健康带来一些危害。在汽车在行驶时会产生CO、NO、甲醛等有害气体,这些有害气体一旦进入车内,积累到一定浓度时,将会使车内人员出现呼吸困难或头晕等症状;车内的空气质量会随车内温度升高而变差,这将严重影响车内人员的健康。基于上述理由,我们团队设计了智能车内环境监测系统,当车内温度过高,甲醛、PM2.5、烟雾超出设定上限时,蜂鸣器能够进行报警,提醒人们及时开窗或开空调,降低车内有害气体的含量,改善驾驶环境。

1系统总计设计

系统总体设计由数据采集部分和传输显示部分组成,本系统采用STC89C52微处理器作为主控制器,采用DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器、PM2.5传感器、甲醛传感器构成数据采集部分,实时采集当前环境参数。采用LCD显示屏组成传输显示部分,将采集到的数据即时显示。

2系统硬件组成

2.1数据采集部分

2.1.1温湿度检测模块

本设计采用DHT11型温湿度传感器,它含有已校准数字信号,能输出的温湿度数据。它采用数字模块采集技术和温湿度传感技术,它具有很高的可靠性与卓越的稳定性。传感器包括一个电阻式感应元件和一个NTC测温元件,检测电路如图1所示。它响应快、抗干扰能力强、价格实惠。它采用单线制串行接口,系统集成十分简易。功耗低,体积小,信号传输距离较远。传感器是4针引脚封装,连接方便。电源电压为5V,数据采集引脚接10k电阻。

2.1.2烟雾检测模块

本设计采用MQ-2烟雾传感器,用直流5V工作电压供电,检测电路如图2所示。它具有模拟量输出及TTL电平输出,是双路信号输出。当输出信号为低电平时,信号灯亮,可直接接单片机。模拟量输出0-5V电压,浓度越高电压越高。传感器对烟雾等有害气体有较好的灵敏度,使用寿命长,稳定性高,响应十分快速。我们设计的系统采用集成运算放大器对信号进行放大,达到方便测量的目的。采用LM393芯片使输出负载电阻能接在可允许电源电压范围的任何电源电压,不受Vcc端电压值的影响。

2.1.3甲醛检测模块

本设计采用ZE08-CH2O传感器,此传感器是原电池型电化学传感器,检测电路如图3所示。CH2O和O2在工作电极上发生氧化还原反应,反应释放电荷形成电流,产生的电流大小与CH2O的浓度成正比,反应遵循法拉第定律,通过测试电流的大小可判定CH2O浓度的高低。工作电压为5V,采用RXD、TXD串口通讯,接100欧电阻。

2.1.4PM2.5检测模块

本设计采用夏普PM2.5粉灰尘传感器检测模块,传感器可以感应空气中的尘埃,检测电路如图4所示。传感器内部有红外线发光二极管、光电晶体管,它能够探测空气中的尘埃反射光,通过检测灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量。该传感器输出的值与粉尘浓度成正比,通过STC89C52单片机进行采集数据,运用算法计算出粉尘浓度,达到测量PM2.5的含量的目的。工作电压为5V,LED引脚接220uf的电容。

2.2芯片部分

STC89C52是STC公司生产的微控制器,功耗低,稳定性好,使用经典的MCS-51内核,系统电路图如图5所示。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU,在系统中可编程Flash,可以为嵌入式控制应用系统提供灵活度高、十分有效的解决方案。

3系统软件设计

车内环境监测系统采用C语言进行编程,主流程如图6所示。打开开关,系统首先进行初始化,接着从端口读取各传感器测量的数值。单片机将数值传输给LCD屏进行显示,同时单片机对测得的值进行比较。如果测量值大于标准值,对人的身体健康造成威胁,蜂鸣器启动进行报警,驾驶员可根据显示情况对空调、车窗进行控制。

4系统测试

4.1温湿度模块检测

通过温湿度计测量正常室内温度18.5℃,相对湿度是64.4%,当给温湿度传感器添加热源后,温度上升为23.7℃,当给温湿度传感器周围放置加湿器后,相对湿度上升到88.8%,表明温湿度传感器性能良好。

4.2烟雾模块检测

烟雾传感器输出信号一般比较微弱,所以我们添加了运放电路对其进行放大,并进行滤波、电平的调整,以便单片机对输入信号进行感应。在烟雾传感器周围点燃香烟,当系统检测到烟雾时,信号经过电压比较,输出高电平的数字信号,反之是低电平。在示波器上显示有高低电平的转换,说明烟雾传感器信号检测正常。

4.3甲醛模块检测

甲醛传感器是对车内甲醛气体进行检测,甲醛的标准值为0.08mg/m^3,在甲醛传感器周围提供一定浓度的甲醛气体(范围在0.06-0.6mg/m^3),当传感器检测到甲醛气体时,会发出报警声,甲醛浓度越高,报警声音越急促,说明甲醛传感器的检测正常。

4.4PM2.5模块检测

对PM2.5检测模块进行测试,当室内无烟时液晶显示屏显示PM2.5值为40,在传感器周围扬尘,LCD显示屏显示PM2.5值为250,表明该模块检测灵敏度高,工作正常。

5结束语

通过测试,此款设备能对车内的温湿度、PM2.5、甲醛、烟雾空气情况进行监测,当参数超标时进行报警,并通过LCD显示屏进行显示,以便驾驶员做出相应的措施,提高车内的空气质量,避免一些危险发生。

参考文献

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作者:吴凡 李晓宇 刘毅 王敬怡 靳小煊 单位:天津职业技术师范大学

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