王恩亮, 涂德鳳, 金 建， 闞港輝

(安徽新華學院電子通信工程學院，安徽 合肥 230088)

0 引 言

生活中汽車尾氣無節(jié)制的排放給人體帶來了許多傷害。我國設定了相關法令來控制汽車尾氣排放，但是有些汽車上的尾氣監(jiān)測系統(tǒng)不夠完善，不能準確的顯示尾氣氣體的濃度。因此解決問題真正的方法還是從問題的根源找監(jiān)測?；谝陨锨闆r，旨在設計一種簡潔、準確的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠對汽車尾氣中的主要污染物CO和PM2.5懸浮顆粒物進行實時監(jiān)控，且在濃度超標時有報警提示。

1 系統(tǒng)總體設計

汽車尾氣主要污染物CO和PM2.5顆粒物監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示。

整個系統(tǒng)分為數據采集端和顯示報警端兩部分。數據采集端包括傳感器檢測模塊、單片機最小系統(tǒng)模塊、電源模塊1、無線發(fā)射模塊。顯示報警端內包括單片機最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、按鍵選擇模塊、蜂鳴器報警模塊、LED指示模塊、無線接收模塊、電源模塊2。各個模塊介紹如下：

(1) 傳感器檢測模塊：采用MQ-7氣體傳感器檢測汽車尾氣中的主要污染物CO，用ZPH 01傳感器檢測排放尾氣中PM2.5固體顆粒物。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

(2) 單片機最小系統(tǒng)模塊：時鐘電路和復位電路，兩個單片機最小系統(tǒng)一樣

(3) 電源模塊：整個系統(tǒng)供電口都是5V，兩個模塊供電相同，無線發(fā)射、無線接收端供電是3.3V。

(4) 無線發(fā)送模塊、無線接收模塊：采用NRF24L01無線模塊進行兩個單片機之間的數據傳輸。

(5) 顯示模塊：采用LCD1602液晶顯示屏。

(6) 按鍵選擇模塊：總共三個按鍵，增值按鍵、減值按鍵、選擇按鍵。通過這三個按鍵設置系統(tǒng)閾值[3]。

(7) 報警模塊：雙報警設置LED燈和蜂鳴器。

2 硬件電路設計2.1 主控制芯片介紹

兩個系統(tǒng)的主控制器都選用STC89C52RC單片機，它是宏晶科技推出的一款新型超強抗干擾的單片機，是一種新型單片機，8051單片機的升級版。有兩個周期可以選擇，分別是12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期。設計運用到單片機自帶精度達十位的A/D轉換功能，而且在轉換中具有很高的轉換速度[1]。

在外圍電路方面都是單片機的基本機構。系統(tǒng)的整體供電，選用的是5V供電電路，由于無線模塊使用的電壓是3.3V，所以在電路中又增加一個電壓轉換模塊。為了方便調試，又增加一個下載端口電路[2]。

2.2 CO檢測模塊和PM2.5檢測模塊

采用MQ-7傳感器檢測CO濃度，此傳感器具有很高的靈敏度，且在使用過程中穩(wěn)定性極好。它具有信號輸出知識功能，為雙路信號輸出。其模擬量輸出電壓為0-5V，在檢測過程中，CO濃度越高，其所需要的電壓平臺越高。MQ-7模塊將檢測到的CO濃度經過一個AD轉換器，經數據傳送到單片機。CO檢測模塊硬件電路如圖2所示。

圖2 MQ-7模塊與單片機接線圖

系統(tǒng)監(jiān)測PM2.5的傳感器選用ZGH01灰塵傳感器。該傳感器中PM2.5檢測單元采用粒子計數原理，可靈敏檢測直徑1μm以上灰塵顆粒物。傳感器主要用到了5個接口,分別為MOD、RXD、VCC、TXD、GND。傳感器的OUT2與單片機TXD接口相連,OUT1與RXD相連。

2.3 無線發(fā)射接收模塊設計

兩個單片機的互相通信是通過無限收發(fā)芯片完成的，含有發(fā)送接受設備，使用的無線收發(fā)芯片是NRF24L01，此芯片功能齊全，可以和各種芯片進行通訊[3]，完成無線數據傳輸工作，且在使用時具有極低的電流消耗。另外通過SPI接口設置輸出功率頻道以及雙方之間的協(xié)議， NRF24L01發(fā)送模塊硬件接線圖發(fā)送、接收模塊硬件電路圖設計如圖3所示。

2.4 報警電路

報警部分主要由STC89C52RC芯片控制，當檢測到的數據濃度超過設定閾值時，系統(tǒng)就會產生聲光報警。

圖3 NRF24L01發(fā)送接收模塊硬件接線圖

圖4 主程序流程圖

圖5 實物調試圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序設計

系統(tǒng)主要由單片機控制,當其完成檢測到有串口數據時，單片機通過串口通信協(xié)議接收ZPH01和MQ-7發(fā)送的數據[4]，接收到數據之后進行無線模塊傳輸并進行數據顯示，超限設置及聲光報警。

(1) 獨立按鍵，可以設置灰塵濃度的上限；

(2) 灰塵濃度大于上限，聲光報警；

(3) 串口通信接收數據查詢校驗；

(4) 用1602液晶顯示功能狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)中的子程序設計

(1) 顯示子程序:設置好坐標位置后，通過不斷的調用子程序來實現精準的顯示。

(2) 檢測 PM2.5濃度值子程序：PM2.5的濃度采集中有一個濃度轉換過程，這樣單片機才能夠完成采集過程。

(3) 檢測MQ-7濃度子程序：在采集過程有一個A/D轉換過程，分為采樣、保持、量化、編碼4個過程。

(4) 中斷調用子程序

中斷程序主要是應用在按鍵設定閾值和系統(tǒng)顯示數值時。只有中斷到來的時候系統(tǒng)才會調用子程序，從而執(zhí)行相關的子程序。在裝置啟動時和復位后單片機進入中斷，之后執(zhí)行中斷程序，在中斷結束后退出中斷程序，返回之前程序運行的狀態(tài)。

(5) 無線接收發(fā)射子程序：主要通訊方式是無線通訊，無線通訊需要調用子程序實現接收過程。

4 調試結果

調試主程序流程圖見圖4,實物調試圖見圖5。

5 結 語

監(jiān)測系統(tǒng)設計中所用到的芯片包括單片機芯片STC89C52RC、液晶顯示芯片LCD1602、氣體檢測傳感器芯片MQ-7、粉塵檢測傳感器等。設計中系統(tǒng)的基本電路有報警電路、按鍵設定電路、主控制器電路、粉塵傳感器和MQ-7傳感器的檢測電路、無線收發(fā)模塊電路和電源模塊等。可以實現汽車尾氣主要污染物CO和PM2.5顆粒物監(jiān)測裝置的基本功能。

系統(tǒng)結構簡單且實用高，因為條件的限制，只能夠對尾氣中的主要污染氣體CO和PM2.5顆粒物進行監(jiān)測，其它成分監(jiān)測原理都是一樣的，通過系統(tǒng)的設計車主能夠隨時了解尾氣中CO和PM2.5顆粒物的排放情況。

[1] 陳朝大.單片機原理與應用[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2013.

[2] 李美艷. 基于單片機的直流電機調速系統(tǒng)的設計[J]. 電子設計工程，2016，24(22)：:158-160.

[3] 王蕊. 基于單片機的多功能自動調溫風扇系統(tǒng)設計[D]. 鄭州：鄭州大學,2014.

[4] 于文輝.基于單片機的智能流量控制系統(tǒng)[J].微計算機信息，2009,25(9-2)：101-102.