華奕銘，王旭啟

（西京學(xué)院 電子信息學(xué)院，陜西西安，710100）

在如今飛速發(fā)展的年代，各種高技術(shù)的產(chǎn)物不斷涌現(xiàn)，車(chē)輛逐漸走向智能，此次針對(duì)車(chē)輛換氣問(wèn)題，提出一種新型的車(chē)輛換氣檢測(cè)裝置，以達(dá)到對(duì)車(chē)輛換氣通風(fēng)的警示。它能根據(jù)空氣中的CO2濃度和溫濕度的改變來(lái)引導(dǎo)司機(jī)調(diào)節(jié)汽車(chē)通風(fēng)，從而營(yíng)造出一個(gè)較好的室內(nèi)空氣質(zhì)量，而且具有較高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性；它具有廣闊的市場(chǎng)前景，是汽車(chē)內(nèi)部通風(fēng)的一個(gè)很好的手段。

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，汽車(chē)的生產(chǎn)和銷(xiāo)量不斷地創(chuàng)新高。但是，從汽車(chē)尾氣中排放出來(lái)的微粒和氣態(tài)污染物將會(huì)增多。在國(guó)內(nèi)，PM2.5 的濃度經(jīng)常超標(biāo)，這是導(dǎo)致大面積的霧霾的一個(gè)重要原因。為了減少尾氣的排放，減少對(duì)環(huán)境的影響，我們需要改進(jìn)車(chē)輛的換氣系統(tǒng)。

時(shí)代在發(fā)展，車(chē)輛的換氣通風(fēng)設(shè)備也在不斷的變化，越來(lái)越符合現(xiàn)代的需求。在最新的車(chē)輛換氣裝置的研制中，主要對(duì)內(nèi)部的感應(yīng)器進(jìn)行了改造，通過(guò)改變感應(yīng)器可以使換氣裝置發(fā)生質(zhì)變。新的車(chē)輛通風(fēng)換氣裝置有許多優(yōu)勢(shì)，例如可以自動(dòng)換氣和散熱器，而且價(jià)格也相對(duì)于舊式車(chē)輛的換氣裝置便宜；因此，新型的汽車(chē)換氣系統(tǒng)將會(huì)被更多地使用和普及。

1 總體方案

本文介紹了由STC89C51 系統(tǒng)控制模塊，計(jì)數(shù)模塊、顯示模塊、測(cè)量模塊、報(bào)警模塊、AD 轉(zhuǎn)換模塊，和其它一些電路組成的車(chē)輛換氣控制電路。本研究旨在實(shí)現(xiàn)車(chē)輛通風(fēng)系統(tǒng)的提示。在汽車(chē)啟動(dòng)后，汽車(chē)內(nèi)部通風(fēng)裝置上的氣體感應(yīng)器會(huì)對(duì)汽車(chē)中的CO2濃度和溫濕度值進(jìn)行測(cè)量。該裝置具有清零健，能夠消除數(shù)據(jù)。利用該功能按鈕，可以設(shè)定車(chē)輛對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)，利用氣體傳感器和溫濕度傳感器來(lái)偵測(cè)車(chē)輛目前的CO2濃度及含溫濕度值，并與設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行比對(duì)；若超出標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)報(bào)警模塊的蜂鳴器通知使用者，將采集到的傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)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(tǒng)以STC89C51 為核心，能及時(shí)有效地向各部件發(fā)出命令，并對(duì)各部件進(jìn)行測(cè)量。整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)包括：晶振電路，報(bào)警電路，復(fù)位電路；而顯示器則是構(gòu)成完整的體系和滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求不可缺少的一環(huán)。該系統(tǒng)可以通過(guò)控制器來(lái)讀出和顯示CO2濃度和溫濕度的數(shù)據(jù)，在達(dá)到要求時(shí)，可以正常的進(jìn)行，不需要警報(bào)，如果不符合要求，就會(huì)發(fā)出聲音和燈光警告。同時(shí)，還可以在液晶顯示屏上實(shí)時(shí)地看到溫濕度等數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

控制模塊采用STC89C51 單片機(jī)作為控制模塊的核心，STC89C51 是一種功耗低、性能高的單時(shí)鐘的單片機(jī)，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。它的高穩(wěn)定性和性?xún)r(jià)比使得它相比于其他同類(lèi)產(chǎn)品要更加有優(yōu)勢(shì)。STC89C51 單片機(jī)內(nèi)部有著不可或缺的三個(gè)電路，它們分別是：晶振電路，復(fù)位電路和供電電路。本設(shè)計(jì)采用自激蕩方式，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。石英晶振選擇頻率為12MHz，電容選擇30pF。按下開(kāi)關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位。其電路原理圖如圖2 所示。

圖2 控制模塊電路

2.2 檢測(cè)模塊

2.2.1 氣敏傳感器

該系統(tǒng)采用氣敏傳感器直接測(cè)量車(chē)內(nèi)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(diǎn)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(wěn)定性、再現(xiàn)性。通常應(yīng)用于空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)和發(fā)酵過(guò)程控制以及溫室 CO2濃度檢測(cè)。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(shè)計(jì)采用DHT11 溫濕度傳感器模塊，作為一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，DHT11 溫濕度傳感器采集的數(shù)值是非常準(zhǔn)確的，其采集范圍為：溫度0℃～50℃±2℃，濕度：20～90%RH。DHT11 采用單總線(xiàn)雙線(xiàn)串行通信協(xié)議，采集過(guò)程首先是STC89C52 單片機(jī)發(fā)起開(kāi)始信號(hào)，通過(guò)I/O 引腳發(fā)送給DHT11，之后DHT11反向單片機(jī)發(fā)送響應(yīng)，并將采集到的數(shù)據(jù)按照40 位數(shù)據(jù)幀格式輸出，最高位在前，數(shù)據(jù)格式為：8bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 校驗(yàn)位，溫濕度小數(shù)部分默認(rèn)為0，即單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)都是整數(shù)，校驗(yàn)位為4 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)相加取結(jié)果的低8 位數(shù)據(jù)作為校驗(yàn)和，單片機(jī)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)解析，得出溫度和濕度的具體數(shù)值，最終顯示在液晶屏上。

2.3 A/D 轉(zhuǎn)換模塊

A/D 轉(zhuǎn)換就是模擬轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)的過(guò)程，本程序設(shè)計(jì)選用延時(shí)等待法。該設(shè)計(jì)的A/D 轉(zhuǎn)換模塊采用的是ADC0809 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，它主要是將模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。抽樣、量化和編碼是A/D 變過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，在一般轉(zhuǎn)換的情況下，編碼和量化都是同時(shí)進(jìn)行并完成的。

2.4 LCD1602 液晶顯示電路

LCD1602 稱(chēng)為工業(yè)字符LCD，可同時(shí)顯示32 個(gè)字符，即16 列和2 行。LCD 已被用作許多電子產(chǎn)品的設(shè)備，人們接受單片機(jī)的反饋主要是通過(guò)LED 發(fā)光管、液晶顯示屏和數(shù)碼管。LCD 的工作原理：利用LCD 的物理特性，顯示區(qū)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(qū)動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)，便攜式計(jì)算機(jī)，PDA 移動(dòng)通信工具等領(lǐng)域。

2.5 報(bào)警電路

報(bào)警電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心的一個(gè)部分，主要起到接收系統(tǒng)對(duì)氣體檢測(cè)得到的結(jié)果對(duì)外界進(jìn)行一個(gè)反饋，然后以數(shù)據(jù)等途徑傳遞給檢測(cè)者。蜂鳴器采用直流電壓供電，作為結(jié)構(gòu)一體化的電子通訊器，當(dāng)空氣檢測(cè)模塊檢測(cè)到污染空氣時(shí)紅燈和蜂鳴器分別響亮。報(bào)警子程序值設(shè)定后，傳感器輸入AD 轉(zhuǎn)換，調(diào)用比較程序根據(jù)比較標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果完成警報(bào)。晶體管和集成電路都可以形成一個(gè)多諧振蕩器。當(dāng)打開(kāi)1.5～15V直流工作電壓時(shí)，振蕩器開(kāi)始振動(dòng)，發(fā)出1.5～2.5kHz 頻率的聲音信號(hào)，使阻抗匹配器來(lái)推動(dòng)電壓發(fā)出響動(dòng)的聲音。

圖5 蜂鳴電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 編程語(yǔ)言選擇

本系統(tǒng)是基于STC89C51 單片機(jī)開(kāi)發(fā)，選擇C 語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。Keil μvsion5 是現(xiàn)今嵌入式程序開(kāi)發(fā)運(yùn)用最為廣泛的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ARM 以及更高級(jí)內(nèi)核的處理。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)每個(gè)功能需求都采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)子模塊功能由主控程序調(diào)用。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)入主控程序，完成IO口，LCD 液晶顯示，串口，中斷等模塊的各個(gè)模塊的初始化，并讀取溫度，車(chē)內(nèi)污染空氣濃度。檢測(cè)氣體濃度是否超過(guò)設(shè)定值，進(jìn)入子程序并顯示在LED 屏幕上。之后系統(tǒng)等待每個(gè)模塊做出響應(yīng)。當(dāng)模塊檢測(cè)到異常時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

3.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

A/D 轉(zhuǎn)換就是模擬轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)的過(guò)程，通過(guò)編寫(xiě)延時(shí)程序，設(shè)置延時(shí)時(shí)間讓CPU 處于信號(hào)等待狀態(tài)，而這個(gè)時(shí)間設(shè)置至少要能使AD 模塊轉(zhuǎn)換完成，CPU 在設(shè)定時(shí)間內(nèi)不能進(jìn)行其他工作需要等待結(jié)束后在讀取數(shù)據(jù)。本程序設(shè)計(jì)選用AD0809 模塊，采用延時(shí)等待法。

3.2.3 液晶顯示程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)顯示屏幕選用的是LCD 液晶顯示屏，考慮到用戶(hù)投入時(shí)候后的實(shí)際體驗(yàn)感，選擇了較高級(jí)的LED 屏，LCD模塊與單片機(jī)采用并口通信，用單片機(jī)的I/O 進(jìn)行控制液晶顯示屏的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)命令功能，單片機(jī)引腳口傳輸數(shù)據(jù)到液晶屏進(jìn)行顯示。LCD 上電初始化，按照時(shí)序給定顯示地址，然后傳送數(shù)據(jù)，上電后液晶顯示開(kāi)始顯示測(cè)量結(jié)果。

圖6 系統(tǒng)主程序框圖

圖7 A/D 轉(zhuǎn)換流程圖

3.2.4 聲光報(bào)警程序設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測(cè)模塊檢測(cè)到污染空氣時(shí)紅燈和蜂鳴器分別響亮。報(bào)警子程序值設(shè)定后，傳感器輸入AD 轉(zhuǎn)換，調(diào)用比較程序根據(jù)比較標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果完成警報(bào)。

4 調(diào)試與總結(jié)

本次設(shè)計(jì)使用軟件Altium Designer 完成原理圖的設(shè)計(jì)并通過(guò)焊接實(shí)現(xiàn)了電路板的制作，通過(guò)使用C 語(yǔ)言在Keil μVision5 軟件中來(lái)編寫(xiě)程序。將硬件和軟件組合進(jìn)行調(diào)試，反復(fù)調(diào)試系統(tǒng)，仔細(xì)檢查系統(tǒng)各個(gè)模塊能否正常運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)可能會(huì)發(fā)生的問(wèn)題，積極解決這些問(wèn)題，最終使這次設(shè)計(jì)得以完成。

圖8 液晶顯示程序流程圖

圖9 聲光報(bào)警程序流程圖

4.1 軟件調(diào)試與設(shè)計(jì)

根據(jù)此次課題使用Keil μVision5 進(jìn)行編程調(diào)試。采用C 語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。用Keil 編譯時(shí)選擇Proteus VSM Monitor-51 Driver 模式，編譯后會(huì)產(chǎn)生hex 文件，在這種模式下產(chǎn)生的hex 文件才能使單片機(jī)按照指令去仿真工作。

4.2 硬件調(diào)試

硬件調(diào)試是指對(duì)系統(tǒng)硬件是否能夠正常工作、是否存在硬件故障進(jìn)行分析和處理。如出現(xiàn)短路、虛焊、電源中斷等故障，需立即修理和重新設(shè)計(jì)硬件電路。要避免發(fā)生短路和極性接反等情況。焊接好的實(shí)物圖如圖10 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖10 硬件實(shí)物圖

4.3 實(shí)物演示

當(dāng)元器件在萬(wàn)用板上焊好后，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行了測(cè)試，以保證最終成品的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)物接電后，通過(guò)功能按鍵可以進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置頁(yè)面。實(shí)物演示：通電按下設(shè)置鍵進(jìn)入?yún)?shù)頁(yè)面，參數(shù)顯示如圖11 所示。

圖11 參數(shù)顯示圖

第一行左側(cè)是二氧化碳的濃度，右側(cè)是溫度，第二行左側(cè)是二氧化碳的報(bào)警值，右側(cè)是濕度。最下面兩個(gè)按鍵可以調(diào)節(jié)單片機(jī)報(bào)警上限，左邊按鍵是增加報(bào)警上限，右邊按鍵是減少報(bào)警上限。當(dāng)二氧化碳超過(guò)報(bào)警上限時(shí)，蜂鳴器會(huì)報(bào)警，風(fēng)扇也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)把上限值調(diào)低時(shí)，蜂鳴器會(huì)報(bào)警，此時(shí)當(dāng)前二氧化碳值超過(guò)上限。如圖12 所示。

圖12 蜂鳴器報(bào)警

當(dāng)用左邊按鍵調(diào)高二氧化碳報(bào)警值時(shí)，蜂鳴器將不再報(bào)警，風(fēng)扇也停止轉(zhuǎn)動(dòng)。如同13 所示。

圖13 蜂鳴器不再報(bào)警

5 總結(jié)與展望

本文提出了一種比傳統(tǒng)方法更有效、及時(shí)、低成本的方法來(lái)對(duì)車(chē)內(nèi)氣體質(zhì)量進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)出了基于單片機(jī)的汽車(chē)換氣檢測(cè)系統(tǒng)。對(duì)現(xiàn)階段車(chē)內(nèi)空氣換氣檢測(cè)進(jìn)行了分析和研究，提供了整體方案和軟硬件設(shè)計(jì)構(gòu)想。測(cè)量結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的汽車(chē)換氣檢測(cè)系統(tǒng)能夠很好的響應(yīng)，測(cè)量精度準(zhǔn)，具有很高的實(shí)用性。

基于單片機(jī)的汽車(chē)換氣檢測(cè)系統(tǒng)研究是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流的產(chǎn)品，隨著人們對(duì)生活質(zhì)量、身體健康的重視，車(chē)內(nèi)配飾也總是存在污染汽車(chē)超標(biāo)的情況，車(chē)內(nèi)有害氣體對(duì)人體的危害逐步被人們重視關(guān)注。目前已有的產(chǎn)品不僅價(jià)格高而且體積大操作復(fù)雜，本設(shè)計(jì)基于無(wú)線(xiàn)傳感器處理系統(tǒng)，不僅價(jià)格低廉而且操作簡(jiǎn)單，體積小。轎車(chē)現(xiàn)在與我們的生活息息相關(guān)，人們處在汽車(chē)空間內(nèi)的時(shí)間也非常多，基于單片機(jī)的汽車(chē)換氣檢測(cè)系統(tǒng)研究對(duì)于預(yù)防和警示車(chē)內(nèi)污染空氣意義重大，它的出現(xiàn)對(duì)于提高人們的生活質(zhì)量有著重要的意義。如今在國(guó)內(nèi)大力提倡保護(hù)環(huán)境的大背景下，車(chē)內(nèi)空氣檢測(cè)儀的發(fā)展必定勢(shì)不可擋。