汽车尾气主要污染物监测系统设计①

王恩亮, 涂德凤, 金 建， 阚港辉

(安徽新华学院电子通信工程学院，安徽 合肥 230088)

0 引 言

生活中汽车尾气无节制的排放给人体带来了许多伤害。我国设定了相关法令来控制汽车尾气排放，但是有些汽车上的尾气监测系统不够完善，不能准确的显示尾气气体的浓度。因此解决问题真正的方法还是从问题的根源找监测。基于以上情况，旨在设计一种简洁、准确的监测系统，能够对汽车尾气中的主要污染物CO和PM2.5悬浮颗粒物进行实时监控，且在浓度超标时有报警提示。

1 系统总体设计

汽车尾气主要污染物CO和PM2.5颗粒物监测系统组成如图1所示。

整个系统分为数据采集端和显示报警端两部分。数据采集端包括传感器检测模块、单片机最小系统模块、电源模块1、无线发射模块。显示报警端内包括单片机最小系统模块、显示模块、按键选择模块、蜂鸣器报警模块、LED指示模块、无线接收模块、电源模块2。各个模块介绍如下：

(1) 传感器检测模块：采用MQ-7气体传感器检测汽车尾气中的主要污染物CO，用ZPH 01传感器检测排放尾气中PM2.5固体颗粒物。

图1 监测系统组成框图

(2) 单片机最小系统模块：时钟电路和复位电路，两个单片机最小系统一样

(3) 电源模块：整个系统供电口都是5V，两个模块供电相同，无线发射、无线接收端供电是3.3V。

(4) 无线发送模块、无线接收模块：采用NRF24L01无线模块进行两个单片机之间的数据传输。

(5) 显示模块：采用LCD1602液晶显示屏。

(6) 按键选择模块：总共三个按键，增值按键、减值按键、选择按键。通过这三个按键设置系统阈值[3]。

(7) 报警模块：双报警设置LED灯和蜂鸣器。

2 硬件电路设计2.1 主控制芯片介绍

两个系统的主控制器都选用STC89C52RC单片机，它是宏晶科技推出的一款新型超强抗干扰的单片机，是一种新型单片机，8051单片机的升级版。有两个周期可以选择，分别是12时钟/机器周期和6时钟/机器周期。设计运用到单片机自带精度达十位的A/D转换功能，而且在转换中具有很高的转换速度[1]。

在外围电路方面都是单片机的基本机构。系统的整体供电，选用的是5V供电电路，由于无线模块使用的电压是3.3V，所以在电路中又增加一个电压转换模块。为了方便调试，又增加一个下载端口电路[2]。

2.2 CO检测模块和PM2.5检测模块

采用MQ-7传感器检测CO浓度，此传感器具有很高的灵敏度，且在使用过程中稳定性极好。它具有信号输出知识功能，为双路信号输出。其模拟量输出电压为0-5V，在检测过程中，CO浓度越高，其所需要的电压平台越高。MQ-7模块将检测到的CO浓度经过一个AD转换器，经数据传送到单片机。CO检测模块硬件电路如图2所示。

图2 MQ-7模块与单片机接线图

系统监测PM2.5的传感器选用ZGH01灰尘传感器。该传感器中PM2.5检测单元采用粒子计数原理，可灵敏检测直径1μm以上灰尘颗粒物。传感器主要用到了5个接口,分别为MOD、RXD、VCC、TXD、GND。传感器的OUT2与单片机TXD接口相连,OUT1与RXD相连。

2.3 无线发射接收模块设计

两个单片机的互相通信是通过无限收发芯片完成的，含有发送接受设备，使用的无线收发芯片是NRF24L01，此芯片功能齐全，可以和各种芯片进行通讯[3]，完成无线数据传输工作，且在使用时具有极低的电流消耗。另外通过SPI接口设置输出功率频道以及双方之间的协议， NRF24L01发送模块硬件接线图发送、接收模块硬件电路图设计如图3所示。

2.4 报警电路

报警部分主要由STC89C52RC芯片控制，当检测到的数据浓度超过设定阈值时，系统就会产生声光报警。

图3 NRF24L01发送接收模块硬件接线图

图4 主程序流程图

图5 实物调试图

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

系统主要由单片机控制,当其完成检测到有串口数据时，单片机通过串口通信协议接收ZPH01和MQ-7发送的数据[4]，接收到数据之后进行无线模块传输并进行数据显示，超限设置及声光报警。

(1) 独立按键，可以设置灰尘浓度的上限；

(2) 灰尘浓度大于上限，声光报警；

(3) 串口通信接收数据查询校验；

(4) 用1602液晶显示功能状态。

3.2 系统中的子程序设计

(1) 显示子程序:设置好坐标位置后，通过不断的调用子程序来实现精准的显示。

(2) 检测 PM2.5浓度值子程序：PM2.5的浓度采集中有一个浓度转换过程，这样单片机才能够完成采集过程。

(3) 检测MQ-7浓度子程序：在采集过程有一个A/D转换过程，分为采样、保持、量化、编码4个过程。

(4) 中断调用子程序

中断程序主要是应用在按键设定阈值和系统显示数值时。只有中断到来的时候系统才会调用子程序，从而执行相关的子程序。在装置启动时和复位后单片机进入中断，之后执行中断程序，在中断结束后退出中断程序，返回之前程序运行的状态。

(5) 无线接收发射子程序：主要通讯方式是无线通讯，无线通讯需要调用子程序实现接收过程。

4 调试结果

调试主程序流程图见图4,实物调试图见图5。

5 结 语

监测系统设计中所用到的芯片包括单片机芯片STC89C52RC、液晶显示芯片LCD1602、气体检测传感器芯片MQ-7、粉尘检测传感器等。设计中系统的基本电路有报警电路、按键设定电路、主控制器电路、粉尘传感器和MQ-7传感器的检测电路、无线收发模块电路和电源模块等。可以实现汽车尾气主要污染物CO和PM2.5颗粒物监测装置的基本功能。

系统结构简单且实用高，因为条件的限制，只能够对尾气中的主要污染气体CO和PM2.5颗粒物进行监测，其它成分监测原理都是一样的，通过系统的设计车主能够随时了解尾气中CO和PM2.5颗粒物的排放情况。

[1] 陈朝大.单片机原理与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2013.

[2] 李美艳. 基于单片机的直流电机调速系统的设计[J]. 电子设计工程，2016，24(22)：:158-160.

[3] 王蕊. 基于单片机的多功能自动调温风扇系统设计[D]. 郑州：郑州大学,2014.

[4] 于文辉.基于单片机的智能流量控制系统[J].微计算机信息，2009,25(9-2)：101-102.