（河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院，鄭州市，451191） 徐 平

（河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，鄭州市，451191） 陶云亮 王士龍 趙亞兵 馬登軍

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止至2018 年，我國(guó)汽車人均保有量達(dá)到0.15 輛/人，而且可以預(yù)見的是，這個(gè)數(shù)值還將不斷上升。而汽車內(nèi)部的環(huán)境質(zhì)量卻不是那么優(yōu)良，其主要原因是汽車內(nèi)飾、車輛外表面鍍漆以及其他修飾品等所用的材質(zhì)大部分都包含有對(duì)人體有害的氣體成分，因此車內(nèi)環(huán)境問(wèn)題也日益嚴(yán)重。一般來(lái)說(shuō)，車內(nèi)空氣環(huán)境污染主要來(lái)源于汽車內(nèi)飾材料釋放的有害氣體和車廂外污染物的滲入[1]，汽車行駛過(guò)程中揮發(fā)性有機(jī)物與汽油的燃油蒸發(fā)有一定的關(guān)系[2]，同時(shí)使用年限、通風(fēng)率也會(huì)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物的揮發(fā)過(guò)程產(chǎn)生影響[3]，這可以通過(guò)車內(nèi)外空氣污染物濃度的關(guān)系來(lái)進(jìn)行研究[4]，研究過(guò)程中一般把苯、甲苯和二甲苯作為車內(nèi)空氣中揮發(fā)性有機(jī)物的標(biāo)識(shí)物來(lái)研究[5]，而對(duì)于新車來(lái)說(shuō)，車內(nèi)空氣質(zhì)量更不容樂觀，有研究表明新車車內(nèi)空氣中可以檢測(cè)到100多種揮發(fā)性有機(jī)物[6]，汽車污染化合物品種過(guò)多，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮28種化合物為監(jiān)測(cè)指標(biāo)[7]，可以首先考慮甲醛。

除甲醛以外，在汽車內(nèi)部的物理環(huán)境指標(biāo)對(duì)司機(jī)和駕駛員影響較大的有：二氧化碳濃度、車廂內(nèi)溫度和車內(nèi)空氣相對(duì)濕度[9-11]。車內(nèi)溫度與相對(duì)濕度指標(biāo)如果能夠控制在一個(gè)與人體相匹配的范圍之內(nèi)，對(duì)于乘客能夠獲得心理上愉悅和身體上的放松，對(duì)于駕駛員來(lái)說(shuō)能夠提高精神注意力，增加行車安全性，相對(duì)濕度與溫度指標(biāo)過(guò)低或者過(guò)高會(huì)讓人的身體狀況變差，精神上感到疲勞和不舒適，嚴(yán)重的會(huì)讓人感到頭暈?zāi)垦?，降低行車過(guò)程中的安全系數(shù)。同時(shí)，汽車在工作的過(guò)程中大多都是以中高速行駛，可能會(huì)造成車內(nèi)空氣與外界空氣不能及時(shí)對(duì)流是車內(nèi)的氧氣含量降低，二氧化碳的含量增高，進(jìn)而導(dǎo)致駕駛員和乘客身體疲憊、產(chǎn)生困感和注意力不集中等狀態(tài)發(fā)生，這些狀態(tài)最容易造成交通事故的發(fā)生。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：僅僅在2016年發(fā)生的5.06萬(wàn)左右汽車交通事故當(dāng)中，因駕駛員注意力造成的事故占據(jù)著近一半的比率，高達(dá)48.23%，故而改善和檢測(cè)車內(nèi)的空氣質(zhì)量對(duì)行車安全性十分重要。

可見，車內(nèi)溫度、濕度、甲醛以及二氧化碳濃度都會(huì)對(duì)駕乘人員有著影響，為此設(shè)計(jì)開發(fā)了一款能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、濕度、二氧化碳濃度及甲醛濃度的車內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

為了達(dá)到以上幾個(gè)功能要求的目的，開發(fā)了一套用于汽車車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含有信息采集模塊、ECU控制模塊A/D轉(zhuǎn)換模塊、LED顯示模塊以及報(bào)警模塊，其中數(shù)據(jù)采集主要是利用不同傳感器來(lái)獲取不同的信號(hào)源。具體結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

通過(guò)利用傳感器獲取上述提到汽車內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的物理指標(biāo)的狀況，傳感器內(nèi)部的內(nèi)部氣敏元件利用化學(xué)變化將物理量轉(zhuǎn)化為電化學(xué)量，進(jìn)而輸出一個(gè)電信號(hào)，然后ADC0832芯片會(huì)將此電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，并且將處理結(jié)果傳輸至LED 顯示屏上，同時(shí)，若單片機(jī)處理出的結(jié)果如果大于系統(tǒng)設(shè)定的閾值，那么蜂鳴器會(huì)發(fā)出響聲，提醒車內(nèi)空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 二氧化碳傳感器的選擇

車內(nèi)的CO2濃度是通過(guò)MG811 傳感器測(cè)量，其原理是利于傳感器內(nèi)部特殊的電解質(zhì)與CO2會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)反應(yīng)的劇烈程度來(lái)體現(xiàn)車內(nèi)CO2濃度。選擇使用MG811 傳感器來(lái)測(cè)量車內(nèi)的二氧化碳是因?yàn)槭芷渌h(huán)境因素影響較小，尤其是溫度和空氣濕度，除此之外該傳感器的靈敏度高。

單片機(jī)若想獲得MG811傳感器的輸出信號(hào)，必須在兩者的連接電路接上一個(gè)電阻，因?yàn)樵搨鞲衅鬏敵鲂盘?hào)存在較大的阻抗，單片機(jī)無(wú)法直接接受到。所以焊接時(shí)，需要在傳感器信號(hào)輸出的后端接一個(gè)阻抗從而起到降低阻抗的作用，從而將傳感器輸出阻抗減至可以測(cè)量的程度。

MG811 傳感器正常工作時(shí)內(nèi)核溫度可以達(dá)到500℃以上，而內(nèi)核和周圍空氣是直接接觸的，因此環(huán)境溫度變化會(huì)影響到傳感器的靈敏度，所以設(shè)計(jì)中采用溫度補(bǔ)償電路，補(bǔ)償電路由RT構(gòu)成[10]，如圖2所示。

圖2 MG811傳感器電路圖

2.2 甲醛濃度傳感器的選擇

選擇MQ138 傳感器測(cè)量車內(nèi)環(huán)境中的甲醛濃度的變化一方面是因?yàn)檐噧?nèi)甲醛濃度相對(duì)較低，該傳感器對(duì)其識(shí)別的靈敏度較高且穩(wěn)定，另一方面是經(jīng)濟(jì)性好，使用時(shí)間長(zhǎng)且價(jià)格便宜。MQ138傳感器的工作原理是利用其內(nèi)部填充的SnO2的在不同環(huán)境下的導(dǎo)電率來(lái)判斷車內(nèi)空氣中甲醛的濃度，正常情況下，SnO2如果處在大氣中導(dǎo)電率不高，但在狹小的汽車內(nèi)部空間內(nèi)，如果環(huán)境中存在有甲醛等有機(jī)物時(shí)，MQ138內(nèi)部的SnO2的電導(dǎo)率就會(huì)根據(jù)車內(nèi)甲醛等氣體濃度的改變而改變。MQ138 傳感器引腳連接如圖3所示。

圖3 MQ138傳感器基本電路圖

2.3 溫濕度傳感器的選擇

選擇DHT11 溫濕度傳感器來(lái)測(cè)量車內(nèi)環(huán)境的相對(duì)濕度和溫度指標(biāo)，該傳感器的特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確、品質(zhì)好、響應(yīng)快、性價(jià)比高等，它是一種復(fù)合類型的傳感器[12]。

圖4是DHT11溫濕度傳感器具體實(shí)物圖，其中4 針引腳分別起不同的作用，供電引腳 VCC 是為傳感器提供5V 的電壓；DATA 表示串行數(shù)據(jù)，單總線；GND表示電源；N/A是空腳，懸空處理負(fù)極。

圖4 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

2.4 單片機(jī)的選擇

本設(shè)計(jì)選擇T89C52 單片機(jī)作為核心的控制元件，AT89C52單片機(jī)是一款比較常用的8位單片機(jī)，在一些較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，具以下特點(diǎn)：供電電壓低、256B 的RAM、I/O 口數(shù)32 個(gè)、中斷源5個(gè)、16 位的定時(shí)器2 個(gè)等，采用11.0 592MHz 的晶振。該單片機(jī)的最小系統(tǒng)包含有時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和單片機(jī)，如圖5所示。

圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

根據(jù)本次的設(shè)計(jì)目的，選擇ADC0832 型號(hào)的轉(zhuǎn)換器能夠較好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，它是一種逐次比較型的轉(zhuǎn)換芯片，十分適合本次的信號(hào)轉(zhuǎn)換的要求。它的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)轉(zhuǎn)換耗時(shí)短、分辨率高、誤差小，同時(shí)能夠很好的將單片機(jī)處理器的操控與多器件銜接在一起。表1 將其各個(gè)引腳的功能作了說(shuō)明。

表1 ADC0832引腳說(shuō)明

2.6 顯示模塊電路

車內(nèi)的空氣質(zhì)量的相關(guān)指標(biāo)的顯示是通過(guò)LCD1602液晶顯示，該款顯示屏是利用可調(diào)電阻來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)比度[7]，圖6為顯示器與單片機(jī)引腳的連接線路圖。

圖6 顯示模塊電路圖

2.7 電源模塊電路

該系統(tǒng)所需的電壓較小，選用普通的蓄電池即可滿足系統(tǒng)供電需求，但需要對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，電池與系統(tǒng)的連接方式如圖7所示。

圖7 電源接口電路

2.8 報(bào)警電路

當(dāng)車內(nèi)的空氣質(zhì)量的指標(biāo)不達(dá)標(biāo)時(shí)，該系統(tǒng)是通過(guò)蜂鳴器來(lái)進(jìn)行提醒，其電路圖的設(shè)計(jì)如圖8 所示，三極管的基極串聯(lián)一個(gè)電阻后與單片機(jī)的P3.6引腳相連，然后三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作。

圖8 報(bào)警電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程圖

本系統(tǒng)基于Kile編譯環(huán)境開發(fā)，利用C語(yǔ)言進(jìn)行代碼編寫，主程序流程圖如圖9 所示。基本思路為：汽車車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能是能夠?qū)⑵囓噹麅?nèi)部環(huán)境中的CO2和甲醛的濃度、溫度、空氣相對(duì)濕度等物理指標(biāo)通過(guò)顯示屏顯示出來(lái)，并且如果這些參數(shù)超過(guò)設(shè)定的閾值后蜂鳴器報(bào)警。基本流程為：接通電源后，蜂鳴器自行檢查，之后系統(tǒng)內(nèi)使用的不同芯片初始化，這時(shí)顯示屏上會(huì)顯示設(shè)定的物理指標(biāo)；系統(tǒng)運(yùn)行之后，單片機(jī)通過(guò)將各個(gè)不同傳感器收集到的信號(hào)進(jìn)行處理，將車廂內(nèi)部的物理指標(biāo)的具體參數(shù)傳輸至顯示屏，如果某個(gè)指標(biāo)超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的閾值，蜂鳴器在三極管的驅(qū)動(dòng)下報(bào)警，否則系統(tǒng)循環(huán)往復(fù)的工作。

3.2 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化程序針對(duì)的主要是系統(tǒng)芯片中的定時(shí)器和中斷系統(tǒng)，其初始化程序如下：

void init（）

{

TMOD=0x01; //定時(shí)器0方式1

TL0=0xb0; //賦初值

TH0=0x3c; //賦初值

EA=1; //開總中斷

ET0=1; //允許定時(shí)器0中斷

TR0=1; //定時(shí)器0開

}

圖9 總流程圖

3.3 濃度數(shù)據(jù)的讀取

在讀取濃度數(shù)據(jù)時(shí)，利用A/D自行采集，然后通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳遞給單片機(jī)，二氧化碳、甲醛濃度的采集過(guò)程基本一致，為此只給出了數(shù)模轉(zhuǎn)換的部分流程圖，如圖10所示。

圖10 A/D轉(zhuǎn)換模塊程序流程圖

4 模擬系統(tǒng)及測(cè)試對(duì)比

圖11 是車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)物圖，為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性與測(cè)量結(jié)果的精確性，將軟件和硬件系統(tǒng)調(diào)試無(wú)誤后放置在實(shí)驗(yàn)室的汽車內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)條件為：將汽車車門與車窗全部關(guān)閉，汽車內(nèi)只留司機(jī)一人。采用干電池給系統(tǒng)提供電源，每隔10min 記錄一次測(cè)量結(jié)果，試驗(yàn)時(shí)間為1h，測(cè)量結(jié)果如表2 所示。該結(jié)果表明系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，由于汽車是處于靜止?fàn)顟B(tài)，除碳含量之外各組結(jié)果相差不大，這是由于人呼吸出的CO2來(lái)不及與外面的空氣進(jìn)行交換，導(dǎo)致碳含量增加，這說(shuō)明系統(tǒng)的精確性相對(duì)良好。

圖11 整體實(shí)物圖

表2 汽車車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

通過(guò)從實(shí)踐的角度開發(fā)設(shè)計(jì)了車內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠持續(xù)監(jiān)控車內(nèi)空氣質(zhì)量，為改善汽車的室內(nèi)空氣質(zhì)量提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。但是對(duì)汽車是否在停止、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等具體細(xì)節(jié)問(wèn)題沒有涉及，在具體實(shí)施時(shí)需重點(diǎn)考慮以上實(shí)施時(shí)的具體情況。