摘要：汽车行驶过程中，产生大量有害气体，有害气体会进入车内。当有害气体积累到一定量时，将会对车内人员的身体健康有害。我们团队针对这种现象，设计了一套以STC89C52处理器为核心的智能车内环境监测系统。此系统能够实时收集车内温湿度、pm2.5、甲醛、烟雾的数据，通过LCD显示屏显示数值，含量超标蜂鸣器会进行报警，以便驾驶员根据当前车内环境对车窗、空调进行控制。
关键词：STC89C52单片机；DHT11温湿度传感器；MQ-2烟雾传感器；PM2.5传感器；甲醛传感器
前言
随着时代的发展及社会的进步，汽车已经成为人们日常出行的交通工具。它在为人类生活提供了便捷，但它也给人们的身体健康带来一些危害。在汽车在行驶时会产生CO、NO、甲醛等有害气体，这些有害气体一旦进入车内，积累到一定浓度时，将会使车内人员出现呼吸困难或头晕等症状；车内的空气质量会随车内温度升高而变差，这将严重影响车内人员的健康。基于上述理由，我们团队设计了智能车内环境监测系统，当车内温度过高，甲醛、PM2.5、烟雾超出设定上限时，蜂鸣器能够进行报警，提醒人们及时开窗或开空调，降低车内有害气体的含量，改善驾驶环境。
1系统总计设计
系统总体设计由数据采集部分和传输显示部分组成，本系统采用STC89C52微处理器作为主控制器，采用DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器、PM2.5传感器、甲醛传感器构成数据采集部分，实时采集当前环境参数。采用LCD显示屏组成传输显示部分，将采集到的数据即时显示。
2系统硬件组成
2.1数据采集部分
2.1.1温湿度检测模块
本设计采用DHT11型温湿度传感器，它含有已校准数字信号，能输出的温湿度数据。它采用数字模块采集技术和温湿度传感技术，它具有很高的可靠性与卓越的稳定性。传感器包括一个电阻式感应元件和一个NTC测温元件，检测电路如图1所示。它响应快、抗干扰能力强、价格实惠。它采用单线制串行接口，系统集成十分简易。功耗低，体积小，信号传输距离较远。传感器是4针引脚封装，连接方便。电源电压为5V，数据采集引脚接10k电阻。
2.1.2烟雾检测模块
本设计采用MQ-2烟雾传感器，用直流5V工作电压供电，检测电路如图2所示。它具有模拟量输出及TTL电平输出，是双路信号输出。当输出信号为低电平时，信号灯亮，可直接接单片机。模拟量输出0-5V电压，浓度越高电压越高。传感器对烟雾等有害气体有较好的灵敏度，使用寿命长，稳定性高，响应十分快速。我们设计的系统采用集成运算放大器对信号进行放大，达到方便测量的目的。采用LM393芯片使输出负载电阻能接在可允许电源电压范围的任何电源电压，不受Vcc端电压值的影响。
2.1.3甲醛检测模块
本设计采用ZE08-CH2O传感器，此传感器是原电池型电化学传感器，检测电路如图3所示。CH2O和O2在工作电极上发生氧化还原反应，反应释放电荷形成电流，产生的电流大小与CH2O的浓度成正比，反应遵循法拉第定律，通过测试电流的大小可判定CH2O浓度的高低。工作电压为5V，采用RXD、TXD串口通讯，接100欧电阻。
2.1.4PM2.5检测模块
本设计采用夏普PM2.5粉灰尘传感器检测模块，传感器可以感应空气中的尘埃，检测电路如图4所示。传感器内部有红外线发光二极管、光电晶体管，它能够探测空气中的尘埃反射光，通过检测灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量。该传感器输出的值与粉尘浓度成正比，通过STC89C52单片机进行采集数据，运用算法计算出粉尘浓度，达到测量PM2.5的含量的目的。工作电压为5V，LED引脚接220uf的电容。
2.2芯片部分
STC89C52是STC公司生产的微控制器，功耗低，稳定性好，使用经典的MCS-51内核，系统电路图如图5所示。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU，在系统中可编程Flash，可以为嵌入式控制应用系统提供灵活度高、十分有效的解决方案。
3系统软件设计
车内环境监测系统采用C语言进行编程，主流程如图6所示。打开开关，系统首先进行初始化，接着从端口读取各传感器测量的数值。单片机将数值传输给LCD屏进行显示，同时单片机对测得的值进行比较。如果测量值大于标准值，对人的身体健康造成威胁，蜂鸣器启动进行报警，驾驶员可根据显示情况对空调、车窗进行控制。
4系统测试
4.1温湿度模块检测
通过温湿度计测量正常室内温度18.5℃，相对湿度是64.4%，当给温湿度传感器添加热源后，温度上升为23.7℃，当给温湿度传感器周围放置加湿器后，相对湿度上升到88.8%，表明温湿度传感器性能良好。
4.2烟雾模块检测
烟雾传感器输出信号一般比较微弱，所以我们添加了运放电路对其进行放大，并进行滤波、电平的调整，以便单片机对输入信号进行感应。在烟雾传感器周围点燃香烟，当系统检测到烟雾时，信号经过电压比较，输出高电平的数字信号，反之是低电平。在示波器上显示有高低电平的转换，说明烟雾传感器信号检测正常。
4.3甲醛模块检测
甲醛传感器是对车内甲醛气体进行检测，甲醛的标准值为0.08mg/m^3，在甲醛传感器周围提供一定浓度的甲醛气体（范围在0.06-0.6mg/m^3），当传感器检测到甲醛气体时，会发出报警声，甲醛浓度越高，报警声音越急促，说明甲醛传感器的检测正常。
4.4PM2.5模块检测
对PM2.5检测模块进行测试，当室内无烟时液晶显示屏显示PM2.5值为40，在传感器周围扬尘，LCD显示屏显示PM2.5值为250，表明该模块检测灵敏度高，工作正常。
5结束语
通过测试，此款设备能对车内的温湿度、PM2.5、甲醛、烟雾空气情况进行监测，当参数超标时进行报警，并通过LCD显示屏进行显示，以便驾驶员做出相应的措施，提高车内的空气质量，避免一些危险发生。
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作者:吴凡 李晓宇 刘毅 王敬怡 靳小煊 单位:天津职业技术师范大学