基于单片机的车内空气质量检测器

基于单片机的车内空气质量检测器

孙艺霖 杨秀琪 张书杭  刘子洋 王玉芳

山东英才学院 工学院 山东济南 250104

摘要:随着国内私家车数量的快速增加，汽车成为出行的重要工具，其内部空气质量成为健康出行的重要影响因素。所以，车内空气质量检测器的研发有着重要的意义，空气质量检测器要满足安装方便，准确性高，响应快的特点。本次设计采用STC89C52作为主控芯片，将检测的气体含量进行处理并正在LCD1602中显示。当有害气体浓度达到一定浓度后驱动蜂鸣器，提醒车内人员及时处理，达到有害气体浓度的检测与报警的作用。可以做到实时检测气体浓度，保证人员出行安全和身心健康。

关键词:STC89C52；空气质量；检测；报警

0引言

当前社会私家车的数量日益增加，汽车成为了人们日常出行的重要工具。截止到2023年9月底，燃油车和新能源汽车在我国的数量已经达到了的3.5亿辆，我国的汽车销量也连续十几年位于世界第一。由于我国汽车的巨大销量，汽车制造行业也得到飞速发展，这也导致产生了汽车内空气的质量问题。由于汽车装饰材料较多使用塑料，橡胶，皮革等以及制作工艺的问题会产生甲醛等有害气体，车辆经过暴晒以后会加快甲醛挥发，由于汽车密封性较好，甲醛气体将会不断累积，浓度快速上升，当有害气体的浓度达到一定范围后会影响乘客的身体健康。在夏天，当驾驶员在车内休息时会打开空调，关闭车窗，此时车内的密闭性好无法将驾驶员呼出的二氧化碳排出，使车内氧气浓度降低会造成缺氧的状况。研发一种可靠的，准确的，高效的车内空气质量检测器是时代所需要的。

1基于单片机的车内空气质量检测器总体设计

基于单片机的车内空气质量检测器是针对车内各种气体浓度进行检测，包括二氧化碳，一氧化碳，甲醛，苯等气体。将设备安装完成后，给定相关气体浓度范围，按下启动按键，设备中传感器将检测车内的相关气体浓度，并在LCD1602中显示。当气体浓度大于设定范围后，蜂鸣器发出警报，LED灯亮红色提醒车内人员及时处理。按下蜂鸣器复位按键可关闭警报，使检测器进入正常工作状态。

基于单片机的车内空气质量检测器是由控制系统模块，按键模块，LCD显示模块，指示灯模块，检测模块，报警模块组成。[1]检测模块以及按键模块是输入信号经过控制系统处理后控制输出模块即LCD显示模块、指示灯模块、报警模块进行响应。基于单片机的车内空气质量检测器总体设计图如图1-1所示：

图1-1总体设计图

2硬件选型与设计

2.1单片机的选型与设计

系统采用STC89C52单片机为CPU进行系统设计构建，该单片机具有低功耗，高性能的特点。拥有在线编辑功能，无需高压编辑，成本低廉，高可靠性，不易产生电磁干扰，并有较强的抗静电能力。综上所诉，使用STC89C52单片机更适合本次设计。

2.2按键模块的选型与设计

按键的选择使用独立按键控制设备的运行、停止和蜂鸣器的复位。该设计所使用按键数量少，使用按键功能简单，相较于矩阵按键来说编程和接线都更加简单。[2]使用的独立按键使得系统硬件设计更加美观，操作简单，设计新颖，操作方便。本设计使用三个独立按键，分别是启动按键，复位按键，蜂鸣器复位按键。分别连接单片机I/O口中的P2.0、P2.1、P2.3。其按键另一端均接地。

2.2显示模块的选型与设计

本设计使用液晶1602模块进行显示。LCD1602是种使用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器模块,其显示容量为2行16个字。它的显示内容丰富、体积小、美观和易于控制都是本设计选择它作为显示模块的原因。[3]常以I/0口方式进行读写访问,在该设计中,我们使用PO口直接驱动1602.由P3.4、P3.5、P3.6这3个引脚做控制端。

LED灯使用绿色和红色两种，绿色用于表示车内空气质量良好，红色用于表示车内空气质量较差。两个LED灯分别连接在单片机的P1.0和P1.1上。并且要在灯与高电平之间添加上拉电阻防止灯损坏。

2.3检测模块的选型与设计

针对车内存在甲醛，二氧化碳，氧气等不同气体，如果每一种气体使用一种传感器其设计较为复杂且成本较高，无法做到全面检测。所以我们使用综合性更高的空气质量传感器MQ135，该传感器可以检测检测二氧化碳，一氧化碳，烟雾，氨气，苯，硫磺等有害气体。MQ135传感器有着检测范围广，响应速度快，使用寿命长，稳定性好的优点，综上所诉，使用MQ135作为车内空气质量检测器的检测装置。

2.3报警模块的选型与设计

蜂鸣器分为有源蜂鸣器以及无源蜂鸣器，有源蜂鸣器正通电以后就会发出声音，无源逆变器由于自身没有震荡源，则必须给它施加适当频率的信号，一般为1500赫兹到5000赫兹之间。[4]本次设计蜂鸣器用来发出警报，需控制报警声音的变化，所以使用无源逆变器更适合。

3系统软件设计

3.1系统软件设计流程图

基于单片机的车内空气质量检测器是将按键，传感器采集信号，由单片机处理发送至LCD屏幕显示，以及控制蜂鸣器的报警和指示灯的点亮。传感器是用于实时检测车内气体浓度，蜂鸣器是用于及时发出报警信号。具体软件设计流程图如图3-1所示。

图3-1系统软件设计流程图

3.2系统软件设计方案

3.2.1按键模块的软件设计

独立按键P3.0为启动按键P3.1为停止按钮，由于独立按键是一端连接单片机的的I/O口，另一端接地，所以当按下按键后程序中会检测到P3口中的P3.0或P3.1为0，由于按键存在机械弹性的原因会产生按键的抖动，所以使用延时程序进行消抖处理，经过延时以后再此检测P3.0或P3.1的按键状态，如果仍为0则单片机启动或停止。[5]独立按键P3.2为蜂鸣器复位按键，当P3.2状态为0经过消抖处理后其状态仍为0则停止对蜂鸣器输送脉冲，令蜂鸣器停止工作。

3.2.2显示模块的软件设计

上电以后，LCD屏幕显示当前车内气体浓度。同时对P1口赋值，使对应该的指示灯点亮，同时LCD屏幕显示相关气体浓度，没有气体浓度高于设定范围时，蜂鸣器不响应，相对应的绿色LED灯置0。当相应气体浓度超过设定范围后驱动蜂鸣器工作发生警报，红色LED灯置0，绿色LED灯置1使红色LED灯点亮，绿色LED灯熄灭。[6]

3.2.3报警模块的软件设计

在气体浓度处于正常范围内时，蜂鸣器不会接收到脉冲信号，当气体浓度大于设定范围后，给蜂鸣器连接引脚发送脉冲信号，使用延时程序对发送的信号进行PWM控制，使蜂鸣器可以按照预期效果发出报警声音提醒车内人员。

3.2.4检测器模块的软件设计

气体浓度检测器是通过对空气中的气体浓度进行检测，将空气中的气体浓度转换成对应的电信号，根据转换后的电压值转换成数字量后与设定的范围进行比较，当数值超过设定值后将触发中断，编写中断程序，使中断产生可以控制蜂鸣器响应频率的信号。[7]

4基于单片机的车内空气质量检测器设计测试方案

基于单片机的车内空气质量检测器设计的测试方案分为两种，第一是对不同品牌，不同年限，不同使用场景的车辆的内部空气质量进行检测。首次对相同品牌相同型号但使用时间不同的车辆内部的气体浓度进行检测，观察该情况下车辆内部的气体浓度，LED灯在没有气体浓度过高时为绿色，超过设定浓度范围后蜂鸣器发出警报，LED灯变成红色。对刚生产出来的新车进行检测甲醛，苯等有害气体的浓度，观测空气质量检测器显示的气体浓度，可以做到对甲醛，苯等气体浓度过高时报警，报警时蜂鸣器发出声音，LED灯由绿色变成红色。对于不同使用场景下的测试是通过将车辆放置阴凉处后检测LCD屏幕中显示的车内相关气体浓度，检测完成后将车辆开至太阳下暴晒一段时间后，检测车内相关气体浓度增加，超过浓度范围后蜂鸣器报警，LED灯由绿色变成红色。第二种方法是对单一车辆进行汽车内部气体浓度的检测，这种方式更接近正常私家车的使用情况。将门窗紧闭，人在车中进行呼吸，观察二氧化碳浓度和氧气浓度的变化，以及是否会出现二氧化碳浓度过高报警。当蜂鸣器发出报警声音后按下蜂鸣器复位按钮，蜂鸣器会停止发出声音，LED灯变成绿色。

5结束语

随着社会的不断发展，汽车成为主要的交通工具，随之而来的就是车内的空气质量问题。本设计是基于单片机的车内空气质量检测器，是基于STC89C52为核心，通过传感器和按键输入，由单片机处理后控制蜂鸣器和LED灯对车内甲醛，苯，二氧化碳等气体的浓度进行检测和报警。该设计以实现高效率，高可靠性，高准确性，高安全性为目的，实现对车内气体浓度的检测和报警，当相应气体浓度大于设定值以后，STC89C52将控制LED灯由绿色变成红色，控制蜂鸣器发出警报，提醒车内人员及时处理，车内人员的生命财产安全得到充分保障，降低了车内因空气质量问题产生危险的概率，提高了开车出行的安全性。

参考文献：

[1]赵珊珊. 基于单片机的车内空气质量检测仪的研发[D].河北工业大学,2016.

[2]高丽娜,王晓阳,李昊霖等.基于嵌入式的车内空气质量检测仪的设计与实现[J].南方农机,2022,53(10):20-23.

[3]胡俊贤,田秀云,赖锦松等.基于单片机的空气质量检测与报警系统设计[J].电子测试,2020,(19):34-36.DOI:10.16520/j.cnki.1000-8519.2020.19.010.

[4]马振兴,李宁,霍大勇等.基于单片机的室内空气质量检测器的设计[J].电子世界,2020,(10):119-121+124.DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2020.10.062.

[5]铁风莲,林思嫔.基于单片机的空气质量监控系统[J].信息技术与信息化,2021,(11):55-57.

[6]李千里,汪祖坤.基于单片机的车内空气质量监测系统的设计与开发[J].内燃机与配件,2021,(17):196-197.DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2021.17.090.

[7]邓然,朱英坤,林德洋.基于单片机的空气质量检测系统设计[J].科学技术创新,2019,(33):144-145.