汽车尾气主要污染物监测系统设计

汽车尾气主要污染物监测系统设计
王恩亮;涂德凤;金建;阚港辉
【摘要】This paper designs a kind of vehicle monitoring system based on single chip microcomputer,the system includes monitoring module and alarm module.The result data are analyzed through the corresponding gas sensor monitoring,and the first will be transmitted through wireless data module to the instrument,according to the transmit data set gas threshold contrast with cars,if the single -chip microcomputer testing more than threshold current density than before setting threshold,buzzer alarm and LED at the same time,so the owner can take hold of the situation in terms of emissions at any time.The system is stable and reliable,and has a great deal of extension.%设计了一款用以监测汽车排放的尾气中主要污染物CO和PM2.5颗粒的系统,主要包括监测模块和报警模块.系统通过相应传感器监测主要气体污染物,将结果传到主控制器进行数据分析,与系统设定的阈值对比,若当前浓度值超过系统设定阈值时,蜂鸣器和LED同时报警,车主能随时掌握汽车尾气主要污染物CO和PM2.5排放是否存在超标情况.系统稳定可靠,具有很大的推广性.
【期刊名称】《佳木斯大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2018(036)001
【总页数】3页(P61-63)
【关键词】汽车尾气污染;单片机;监测模块;报警模块
【作者】王恩亮;涂德凤;金建;阚港辉
【作者单位】安徽新华学院电子通信工程学院,安徽合肥230088;安徽新华学院电子通信工程学院,安徽合肥230088;安徽新华学院电子通信工程学院,安徽合肥230088;安徽新华学院电子通信工程学院,安徽合肥230088
【正文语种】中文
【中图分类】TP301
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。

参考文献:
[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.。