高麗娜,王曉陽,李昊霖,劉偉麗
(山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,山東 濟南 250100)
隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展,車內(nèi)環(huán)境污染日益引起人們的重視。車內(nèi)環(huán)境污染主要是汽車內(nèi)不通風(fēng)、裝修材料釋放有害氣體等導(dǎo)致。包括塑料腳墊、地毯、座套等,這些裝修材料容易污染車內(nèi)空氣,導(dǎo)致車內(nèi)空氣質(zhì)量降低。據(jù)相關(guān)調(diào)查,一些汽車存在甲醛超標、苯含量超標、二氧化碳超標、二甲苯超標的情況。近年來,PM2.5逐漸進入了人們的視線,PM2.5是指大氣中直徑≤2.5 μm 的顆粒物,人體無法隔離PM2.5。因此,實時檢測車內(nèi)空氣中PM2.5濃度至關(guān)重要?;诖?,課題小組設(shè)計了一款檢測汽車內(nèi)空氣質(zhì)量的便攜式檢測儀。
目前,市場上的嵌入式單片機種類較多,單片機的功能、內(nèi)存、速度也都存在一定差異,較為常用的有STM32、51、STC、AVR、PIC、TMS、MSP430 等。在本設(shè)計中,結(jié)合車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀消耗低、便攜性的特點,選用STM32 單片機,該單片機具有功能強大、功耗成本低、執(zhí)行指令速度快和性價比高的優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于汽車系統(tǒng)與無線技術(shù)等領(lǐng)域[1-3]。本設(shè)計的車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀系統(tǒng)主要包括溫濕度檢測模塊、甲醛檢測模塊、PM2.5檢測模塊、STM32 最小系統(tǒng)、液晶顯示屏、GSM 模塊、語音播報模塊、風(fēng)扇電機模塊與太陽能供電模塊,能夠?qū)崟r檢測車內(nèi)空氣質(zhì)量,并將檢測結(jié)果實時顯示到液晶屏上,通過短信的方式及時傳輸?shù)娇蛻舻囊苿佣?,系統(tǒng)總體框架圖如圖1 所示。在車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的設(shè)計中,STM32系統(tǒng)中的芯片完成對整個系統(tǒng)的控制,并提供對外的接口,包括GSM 模塊、凈化模塊、語音播報模塊、液晶顯示屏等。通過甲醛傳感器、溫濕度傳感器、PM2.5傳感器,對車內(nèi)甲醛濃度、溫濕度、PM2.5濃度進行檢測,并將采集信號傳送到單片機,進行數(shù)據(jù)處理,由編程序控制器控制本系統(tǒng)的工作過程。
圖1 系統(tǒng)總體框架圖
1.2.1 溫濕度檢測模塊
本設(shè)計采用型號為DHT11 的溫濕度傳感器,該傳感器是數(shù)字信號輸出,有著性價比高、功耗低、體積小等優(yōu)點。測量精度范圍在20%RH~90%RH、0~50℃,測濕精度為±5%RH,測溫精度為±2℃,分辨率為1,是一款集中數(shù)字化傳感器,傳輸信號高達20 m,能夠滿足設(shè)計要求[4],溫濕度檢測接口電路圖如圖2所示。
圖2 溫濕度檢測接口電路圖
將DHT11 模塊連接在STM32 的PG2 引腳上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理,溫濕度傳感器模塊的供電電壓為3.3 V~5 V,在上電后,為了避免由于不穩(wěn)定造成的測量誤差,需等待1 s 后,再由單片機向傳感器發(fā)送信號指令[5]。
1.2.2 甲醛濃度檢測模塊
本設(shè)計需要采集車內(nèi)甲醛濃度數(shù)據(jù),使得用戶能夠及時知道車內(nèi)甲醛情況,并針對檢測的甲醛濃度,開啟相應(yīng)的GSM 短信功能、凈化功能。因此,需要選用一款甲醛傳感器,檢測車內(nèi)空氣中的甲醛。本設(shè)計采用ZE08-CH2O 的電化學(xué)甲醛傳感器,這款甲醛傳感器具有體積小、功耗低、精度高的優(yōu)點,是設(shè)計車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的優(yōu)選[6],甲醛檢測接口電路圖如圖3所示。
圖3 甲醛檢測接口電路圖
1.2.3 PM2.5濃度檢測模塊
在本設(shè)計中,需要檢測PM2.5濃度,并將檢測到的PM2.5濃度實時顯示到液晶屏上,提醒用戶車內(nèi)空氣質(zhì)量情況。因此,需要選用一款PM2.5傳感器,檢測車內(nèi)空氣中PM2.5情況,經(jīng)過一系列對比分析,本設(shè)計采用GP2Y1014AU 的PM2.5傳感器。這款灰塵傳感器性價比高,能夠檢測車內(nèi)空氣中的PM2.5含量,描述車內(nèi)空氣質(zhì)量等級,常被用于車載空氣凈化系統(tǒng)中,符合本系統(tǒng)設(shè)計要求。GP2Y1014AU 的檢測原理簡單,傳感器中心有洞,讓空氣流過,通過LED 光對折射光線進行檢測,從而得到空氣中灰塵情況[7]。GP2Y1014AU 傳感器反應(yīng)速度可達到10 ms,能夠檢測直徑最小為0.8 μm 的粒子。GP2Y1014AU PM2.5接口電路圖如圖4所示。
圖4 GP2Y1014AU PM2.5接口電路圖
在本設(shè)計中,需要將檢測到的溫濕度、甲醛濃度、PM2.5濃度實時顯示出來,方便用戶參考。因此,本設(shè)計需要一款液晶顯示屏,將檢測到的空氣質(zhì)量情況顯示出來。經(jīng)過一系列對比,采用性價比高的OLED 液晶顯示屏,這款液晶顯示屏有顯示圖形、漢字、數(shù)字與字符的功能,對工作環(huán)境要求低。OLED液晶顯示屏的電致發(fā)光是通過多層薄膜產(chǎn)生的,OLED 相比LCD,更加輕薄、發(fā)光效率高、清晰度高、功耗低,符合本設(shè)計要求[8]。OLED液晶顯示屏接口電路圖如圖5所示。本設(shè)計中,OLED液晶顯示屏的時鐘線接口SCL 與單片機的PA5 連接,數(shù)據(jù)線接口SDA 與單片機的PA7連接,GND接地,VCC接3.3 V電源。
圖5 OLED 液晶顯示屏接口電路圖
當車內(nèi)有害氣體濃度超標時,需要向用戶發(fā)送短信,及時提醒用戶。因此,本設(shè)計需要一款GSM 短信通信模塊,實現(xiàn)短信發(fā)送的通信功能。本系統(tǒng)采用的SIM800A GSM(一款工業(yè)級雙頻GSM/GPRS模塊內(nèi)核的短信模塊)進行通信,該模塊有著雙向傳輸、性價比高的優(yōu)點,可支持STM32 單片機通信和DTMF、SMS(短信、彩信)、GPRS 數(shù)據(jù)的傳輸,同時具有TTS(本地文本語音播放功能)。當卡座插入SIM 時,可向用戶發(fā)送信息。GSM 功能完善、接口豐富、工作穩(wěn)定、抗干擾性強、體積較小,適用于需要短信、語音、GPRS 等多種數(shù)據(jù)服務(wù)的領(lǐng)域,在智能家居、遠程監(jiān)控等領(lǐng)域應(yīng)用較多[9-10]。單片機通過向GSM 發(fā)送指令控制模塊,將車內(nèi)空氣質(zhì)量情況發(fā)送到用戶移動端。SIM800A GSM模塊原理圖如圖6所示。
圖6 SIM800A GSM 模塊原理圖
在本設(shè)計中,當檢測車內(nèi)空氣氣體濃度超過一定值時,會開啟凈化功能,通過電機驅(qū)動模塊控制排風(fēng)扇,根據(jù)車內(nèi)有害氣體的相應(yīng)濃度,開啟不同檔位的排風(fēng)扇,實現(xiàn)對氣體的有效吸收。因此,本設(shè)計需要采用一款電機驅(qū)動模塊,控制排風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計選用型號為L298N 的電機驅(qū)動模塊,其具有工作電壓高、電流大、抗干擾能力強、驅(qū)動能力強的優(yōu)勢,被廣泛用于驅(qū)動直流電機、步進電機,電機驅(qū)動模塊原理如圖7所示[11]。
圖7 電機驅(qū)動模塊原理圖
本設(shè)計的車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀能夠?qū)噧?nèi)的甲醛濃度、PM2.5濃度、溫濕度進行檢測,將檢測數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上,讓車內(nèi)人員能夠及時了解車內(nèi)空氣情況。單片機處理數(shù)據(jù),判斷是否需要開啟凈化功能、語音播報功能與短信功能,軟件系統(tǒng)框圖如圖8所示。
圖8 軟件系統(tǒng)框圖
基于STM32 單片機設(shè)計的車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀,能夠?qū)崟r測量車內(nèi)的空氣質(zhì)量,包括溫濕度、甲醛濃度與PM2.5濃度,實現(xiàn)檢測儀的基本功能,并且當車內(nèi)氣體濃度超標時,能夠向用戶發(fā)送短信提醒,并自動開啟凈化功能。