车内环境监测仪设计.doc

1、1车内环境监测仪设计摘要：汽车内部的环境空气质量日益受到广大车主与乘客的关注，车内环境监测仪可以用于车内环境的监测，具有监测车内 PM2.5、温度、湿度、甲醛、CO 等空气质量参数的功能。车内环境监测仪内置进口PM2.5 传感器、温湿度传感器、甲醛传感器、CO 传感器和 CO2 传感器，通过单片机及采集系统，能够实时监测车内当前空气质量状况，循环显示空气质量指标。当车内空气污染严重，产品将及时提示或语音报警，必要时启动防护措施，保障车内人员的生命健康和安全。 Abstract： The automobile interior air quality attracts more and more

2、 attention of the drivers and passengers. The automobile interior environment monitoring instrument can be used to monitor the automobile interior environment， it can monitor PM2.5， temperature， humidity， formaldehyde， CO and other air quality parameters. The automobile interior environment monitori

3、ng instrument has import PM2.5 sensor， temperature sensor， humidity sensor， formaldehyde sensor， CO sensors and CO2 sensor. The single chip microcomputer and collecting system can real-timely monitor the current air quality inside the car， circularly shows that air quality index. When the pollution

4、of automobile interior environment is 2serious， the product will prompt or voice alarm in time， it can activate protective measures when necessary to protect the life and health and safety of the people in the car. 关键词：PM2.5；环境监测；传感器 Key words： PM2.5；environmental monitoring；sensor 中图分类号：S625.3 文献标识

5、码：A 文章编号：1006-4311（2016）01-0140-03 0 引言 随着人民生活水平的不断提高，汽车进入家庭的步伐日益加快。但是汽车进入家庭给人们带来方便的同时，也带来了车内空气污染这个“无形杀手” ，污染问题逐步显现。特别是随着我国工业规模的不断扩大，当前各大城市的 PM2.5 值高居不下，对车内环境也造成了严重污染1。车内空气质量问题逐渐成为媒体和广大车主关注的焦点，车内空气环境质量已经越来越引起车主的关注，人们的健康意识也随之不断增强。有鉴于此，本文设计了一种车载 PM2.5 监测仪，该监测仪主要用于车内 PM2.5的监测，同时还可以监测车内温湿度、甲醛、CO 等其他空气质量

6、参数，能够实时监测车内当前空气质量状况。当车内空气污染严重，危害到人的生命安全时，产品将及时启动防护措施，保障车内人员的生命健康和安全。 1 车内环境监测仪的系统结构 车内环境监测仪以单片机为主控制器，单片机控制采样系统循环采集 PM2.5 传感器、温湿度传感器等几种传感器数据，通过运算测量各种3空气质量参数，然后通过液晶屏显示所测各种参数，实现对车内环境进行实时监测。当车内空气污染严重时，报警模块可以进行语音播报，安全控制模块能够及时开启车窗，进行安全防护。该监测仪的系统结构图如图 1 所示。 2 车内环境监测仪的硬件设计 2.1 控制单片机 车内环境监测仪采用 STC12LE5A60S2

7、单片机，该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 812 倍，价格便宜。内部集成 MAX810 专用复位电路、2 路 PWM、8 路高速 10 位A/D 转换（250K/s） ，针对电机控制，强干扰场合。单片机最小系统电路图如图 2 所示，包括单片机芯片、晶振电路、复位电路、电源几部分，满足单片机工作的基本要求。 本系统的电源分为+3.3V 电源和+5V 电源两部分。利用车载 12V 直流电源得到+12V 电压，通过 AMS1117-5.0 转换成+5V 电压，+5V 电压通过AMS

8、1117-3.3 后转换成+3.3V 电压。+3.3V 电源和+5V 电源可以分别为传感器、单片机供电，电源电路如图 3 所示。 2.2 液晶显示技术 车内环境监测仪采用 TFT-2.8 作为显示器件，能较好的实现人机接口界面。Thin Film Transistor（薄膜场效应晶体管） ，是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度高亮度高对比度显示屏幕信息。目前在手机上 TFT 使用最为4广泛，中高端彩屏手机中普遍采用的屏幕，分 65536 色及 26 万色，1600万色三种，其显示效果非常出色。随着技术的进步，TFT 不仅应用在手机上，许多智能仪

9、表，工控人机界面也都在使用 TFT 取代之前的黑白屏。显示电路如图 4 所示。 2.3 环境监测技术 车内环境监测仪测量车内环境中的 PM2.5、温湿度、甲醛、CO 和 CO2 参数值。目前传感器技术发展迅速，传感器种类很多。本方案中为控制监测仪的体积与耗电，在传感器选择时要求传感器的体积小、功耗低、价格便宜。其中关键参数 PM2.5 的测量采用夏普粉尘传感器 DN7C3JA001。 夏普 PM2.5 检测传感器 DN7C3JA001 首先通过滤网将 PM2.5 微粒和其他悬浮颗粒物分流，排除 PM10 等大颗粒的测量干扰，然后使用光传感器测量。目前普遍采用的仪器结构复杂，需要定期维护，并且价

10、格不菲。但是 DN7C3JA001 模块将分流器和利用 LED 的高精度传感器结合并小型化，体积仅为 534051mm，可以实现免维护，大大降低了使用成本，适宜于安装在空气净化器等家用电器中使用。各参数测量电路如图 5 所示。 2.4 语音报警技术 车内环境监测仪中语音报警电路采用 ISD1820 语音录放芯片。该部分电路将 ISD1820 语音录放芯片的 PLAYE 引脚和单片机的 P1.3 引脚连接，用于控制语音播报。芯片上用于录音的 REC 引脚受按键控制，按下“录音”键便可录音，人们可以录下自己需要提醒的语音，录音结束后，再次按下“录音”键就已经成功录音了。语音报警电路如图 6 所示。

11、 2.5 安全保护控制技术 5车内环境监测仪具有车内环境监测安全保护启动功能。当车内环境污染严重，危害到人的生命安全时，监测仪在及时发出报警信号的同时，控制车窗开关，使车窗自动打开，保障车内人员的生命健康和安全。安全保护电路如图 7 所示。当单片机采样系统采集到车内某一环境参数或多个环境参数超出阈值，单片机将通过 P1.2 端口向电动车窗开关和空调风扇开关发送信号，打开车窗和空调风扇，使车内环境得以改善，保护人体健康。 3 车内环境监测仪的软件设计 车内环境监测仪的软件设计部分采用 C 语言进行编程4，主流程如图 8 所示。通电运行之后，首先进行系统初始化，然后从单片机端口读取各参数的测量值；

12、单片机将读取的参数值传输给液晶屏显示出来，同时对测得的值进行比较，如果测量值大于标准值，则启动语音模块进行报警信息播报，并且启动安全保护电路，打开车窗，启动空调风扇，保护车内人员安全。 4 总结 本文设计的车内环境监测仪，包括传感器采样部分和单片机控制部分。传感器可以采用市场现有的各种相应参数传感器，如温度传感器可以采用 Pt100 铂电阻温度传感器，体积小，便于安装，可以实现温度 -35100的测量；湿度传感器可以采用 CHR02 型高分子湿度传感器，稳定性好，精度高，测量范围在 20%90%RH；PM2.5 测量传感器可以选用夏普公司的粉尘传感器 DN7C3JA001，可以在 10 秒钟内

13、快速测量出空气中 PM2.5 的浓度；汽车尾气含有一氧化碳，可能会进入车厢内，6一氧化碳浓度可以采用电化学式一氧化碳传感器，检测范围在11000ppm。各种传感器输出的电压信号，经 A/D 采样，输入到以单片机为核心的主控制器。主控制器包括电源电路、晶振电路、复位电路、传感器采样电路、液晶显示电路、语音报警电路和安全保护控制电路。单片机分时循环采样， ，并可以将各信号循环显示在液晶显示器上。当单片机系统采集到车内某一环境参数或多个环境参数超标时，能够通过语音报警，及时提醒车内人员注意，必要时，可以自动开启车窗、启动空调风扇，给车厢内送入新风，以保护车内人员健康和安全。 该系统各种传感器集中安装

14、在同一壳体内，用户安装简便。传感器与主控制器之间使用电缆连接，未来可改进成信号无线传输。控制车窗开启功能需与汽车车窗电机的控制电路连接，该功能可以作为用户选用功能。车内环境监测仪，功耗小，安装简单，能够实现车内环境参数的监测与报警。 参考文献： J冯进.PM215 监测技术的发展及测量数据准确性的保障J.计量与测试技术，2014，41（2）：52-57. 2李丽珍，刘辉.PM2.5 监测技术要点及意义探讨J.资源节约与环保，2014，2：95. 3彭同明，徐学勤，杨少华等.单片机原理及应用M.北京：中国电力出版社，2007：12-13. 4谭浩强.C 语言程序设计M.北京：清华大学出版社，2000.