焦鑫兆，陳健龍，侯文

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原，030051; 2.中國(guó)長(zhǎng)峰機(jī)電技術(shù)研究設(shè)計(jì)院，北京，100854）

0 引言

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，汽車已成為居民生活的必需品。然而，汽車工業(yè)的發(fā)展，不僅給人們的生活帶來(lái)了方便，提高了人們的生活質(zhì)量，同時(shí)也給環(huán)境帶來(lái)了極大的危害。汽車在行駛過(guò)程中會(huì)排放大量的空氣污染物，比如CO，PM2.5等有害物質(zhì)，對(duì)人體也會(huì)造成極大的傷害。尤其是洛杉磯1955年和1970年發(fā)生的兩次光化學(xué)煙霧事件，被人們成為“世界八大公害”和“20世紀(jì)十大環(huán)境威脅之一”，使人們深刻認(rèn)識(shí)到了汽車尾氣的危害，從而開始制定了一系列汽車尾氣的檢測(cè)和控制方案。

尾氣檢測(cè)裝置大多為專門檢測(cè)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家所有，但汽車尾氣的排放濃度和駕駛?cè)瞬扔烷T的大小有著直接的聯(lián)系，油門越大，尾氣污染物濃度越高。普通車主在行駛過(guò)程中對(duì)汽車尾氣的排放缺乏數(shù)字概念，不能夠針對(duì)尾氣污染物的排放量來(lái)控制踩油門的力度，導(dǎo)致尾氣污染物的濃度一直居高不下。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了一中民用的基于單片機(jī)的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)單片機(jī)的控制技術(shù)，結(jié)合傳感器技術(shù)與GSM通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)，方便車主在行駛過(guò)程中對(duì)汽車尾氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)結(jié)合了單片機(jī)控制技術(shù)，傳感器檢測(cè)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)氣體檢測(cè)系統(tǒng)。汽車尾氣中主要的有害物質(zhì)為CO和PM2.5，故該系統(tǒng)主要檢測(cè)CO和PM2.5的排放量，通過(guò)傳感器采集CO和PM2.5，測(cè)出當(dāng)前兩者的濃度，再與之前設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若兩者中有一者超過(guò)或者兩者都超過(guò)設(shè)定閾值，啟動(dòng)報(bào)警模塊，通過(guò)報(bào)警模塊驅(qū)動(dòng)GSM模塊和蜂鳴器模塊進(jìn)行短信報(bào)警和聲音報(bào)警。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 尾氣檢測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控制電路主要包括：STC89C52單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路這三個(gè)主要部分構(gòu)成，從而控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)所期望的功能。主控電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 主控電路圖

主控芯片選取51系列STC89C52單片機(jī)，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，雖然選取STM32等單片機(jī)也能夠完成該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但對(duì)于該系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能和成本考慮方面來(lái)看，STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能綽綽有余，且價(jià)格相比于STM32系列單片機(jī)更加優(yōu)惠，故最后選取STC89C52單片機(jī)做主控芯片。

2.2 CO和PM2.5濃度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

CO和PM2.5的采集分別通過(guò)MQ-2傳感器和GP2Y1010 AU0F粉塵傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)傳感器采集CO和PM2.5，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將兩者的濃度以數(shù)值的形式展現(xiàn)出來(lái)。設(shè)計(jì)的電路如圖3所示。

圖3 CO和PM2.5濃度檢測(cè)電路

2.3 報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)

通過(guò)傳感器采集CO和PM2.5，然后主控制芯片控制進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，顯示出當(dāng)前兩者濃度，再與設(shè)定閾值比較，若兩者中有一者超過(guò)或者兩者都超過(guò)設(shè)定閾值，啟動(dòng)報(bào)警模塊，通過(guò)報(bào)警模塊驅(qū)動(dòng)GSM模塊和蜂鳴器模塊進(jìn)行短信報(bào)警和聲音報(bào)警。報(bào)警模塊電路如圖4所示：

圖4 報(bào)警模塊電路

2.4 顯示模塊電路

顯示模塊可以顯示當(dāng)前CO和PM2.5的濃度，并且用來(lái)觀察調(diào)整報(bào)警閾值。顯示屏選取LCD1602液晶顯示屏，通過(guò)布線安裝到汽車駕駛前方，便于車主進(jìn)行觀察，液晶顯示電路如圖5所示。

圖5 液晶顯示電路

2.5 系統(tǒng)整體電路

將以上設(shè)計(jì)的電路連接起來(lái)按照引腳依次連接起來(lái)，構(gòu)成系統(tǒng)整體電路，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)整體電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用keil uvision4 C51高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編程，主要由系統(tǒng)初始化、按鍵掃描、PM2.5和CO數(shù)據(jù)采集和處理、中斷調(diào)用、系統(tǒng)報(bào)警、通信傳訊組成。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入按鍵掃描，判斷是否進(jìn)行CO和PM2.5閾值設(shè)置，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理，與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，若兩者中有一者超過(guò)或者兩者都超過(guò)設(shè)定閾值，啟動(dòng)報(bào)警模塊，通過(guò)報(bào)警模塊驅(qū)動(dòng)GSM模塊和蜂鳴器模塊進(jìn)行短信報(bào)警和聲音報(bào)警，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)果分析

硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，在Proteus中進(jìn)行仿真調(diào)試，確定各項(xiàng)參數(shù)和各個(gè)電器元件的選擇，調(diào)試完成之后進(jìn)行樣品實(shí)物的制作，初次制作實(shí)物，將液晶顯示屏直接放在了電路板上，將軟件程序?qū)懭朐谧龊玫膶?shí)物中，由于試驗(yàn)條件限制，不能將實(shí)物放在汽車上做實(shí)驗(yàn)，只能通過(guò)人為改變閾值和空氣中的PM2.5和CO濃度來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。未開機(jī)的實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 汽車尾氣檢測(cè)樣品機(jī)

打開樣品實(shí)物，可以檢測(cè)出當(dāng)前空氣中的CO的濃度為16mg/m3，PM2.5的濃度為0.02mg/m3，符合實(shí)際，同時(shí)通過(guò)安檢設(shè)置CO和PM2.5的閾值，超過(guò)該閾值進(jìn)行報(bào)警，如圖9所示。

圖9 左為當(dāng)前PM2.5和CO的濃度；右為閾值設(shè)置界面，設(shè)置閾值

人為改變周圍空氣中的PM2.5和CO濃度，可以看到顯示屏幕CO和PM2.5濃度的變化，此時(shí)CO的濃度為30mg/m3，PM2.5的濃度為1mg/m3，如圖10所示，且當(dāng)其濃度值超過(guò)閾值時(shí)會(huì)進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警和短信提醒。

圖10 人為改變后PM2.5和CO的濃度

從上述調(diào)試過(guò)程中可以看出，系統(tǒng)實(shí)物可以準(zhǔn)確的檢測(cè)出尾氣污染物的濃度，十分靈敏，但由于實(shí)際條件和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度有限，沒能在汽車行駛中進(jìn)行測(cè)量，只能通過(guò)人為改變空氣中的CO和PM2.5的值來(lái)進(jìn)行觀察，從而判斷出系統(tǒng)是能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)污染物和報(bào)警的功能，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)汽車尾氣檢測(cè)現(xiàn)狀，通過(guò)理論和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了民用的基于單片機(jī)的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)。先設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路，然后進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，編寫實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的程序，之后通過(guò)仿真調(diào)試各項(xiàng)參數(shù)，最后還進(jìn)行了樣品實(shí)物的制作，驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性。為下一步具體實(shí)用檢測(cè)裝備的研發(fā)提供了重大的參考依據(jù)，通過(guò)該檢測(cè)系統(tǒng)，廣大車主可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前汽車污染物的排放量，并且通過(guò)改變油門大小降低污染物的排放量，一定程度上也能緩解汽車尾氣對(duì)環(huán)境的污染。