学位论文汽车内空气质量检测及净化装置的设计.docx
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学位论文汽车内空气质量检测及净化装置的设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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日期：
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注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
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3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
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2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
摘要
本设计是对汽车内空气质量检测及净化装置的设计，系统以单片机AT89C52为核心，辅以必要的外部电路，实现了空气质量的监测和净化。
其主要模块除单片机控制部分外，还有空气质量测量、A/D转换（ADC0809N）、异常报警和负离子发生器等。
系统采用QS-01空气质量传感器对汽车内空气质量进行测量；同时通过ADC0809N进行A/D转换将模拟量转换结果给AT89C52对空气质量进行比较，并实现污染超标声光报警同时启动负离子发生器进行净化空气。
关键词：
空气净化系统；单片机AT89C52；空气质量传感器QS-01；ADC0809N；负离子发生器
Abstract
Thisdesignistotheautomobileintheairqualityexaminationandthepurificationdesign,thesystemtakemonolithicintegratedcircuitAT89C52asacore,auxiliarybynecessityexteriorelectriccircuit,hasrealizedtheairqualitymonitorandthepurification.Itsmainmodulebesidesmonolithicintegratedcircuitcontrolsection,butalsohasfreetimethemakingsquantitysurvey,A/Dtotransform（ADC0809N）,exceptionallytoreporttothepoliceandtheanoingeneratorandsoon.ThesystemusestheQS-01airqualitysensortheairqualitytocarryonthesurveytotheautomobilein;MeanwhilewillcarryonA/DthroughADC0809NtotransformwillsimulatethequantitytransformationresulttocarryonthecomparisonforAT89C52totheairquality,andwillrealizethepollutionexceedingtheallowedfigureacousto-opticswarningsimultaneouslytostarttheanoingeneratortocarryonthescavengingair
Keywords：
airpurificationdevices;AT89C52；AirqualitysensorQS-01；ADC0809N；Anoingenerator
绪论
车内空气污染已经成为公认的威胁人体健康的严重环境污染，汽车内空气净化清洁装置势在必行。
车内病毒、霉菌、甲醛、烟碱、苯、一氧化碳、光磁辐射等内有毒气体使人产生困倦、无力、胸闷、精神恍惚和过敏等现象，是造成交通事故的隐患。
目前市场上还没未出现此类似产品。
这篇设计是在摸索着设计，由于理论知识和实践经验的欠缺，其中肯定有很多不足，有待指正。
此装置采用以单片机AT89C52为核心，通过ADC0809N将空气质量传感器输出的模拟信号转化为数字信号，利用AT89C52来判断空气质量是否合格，如果空气质量合格，绿指示灯亮，如果空气质量不合格，红指示灯亮，并启动蜂鸣器跟空气净化装置，从而达到对空气的检测与处理。
本装置的空气净化装置采用活性碳的吸附作用跟离子交换器。
采用软硬件结合，来实现对空气的净化。
根据此装置设计分工，分为硬件和软件两部分。
笔者负责软件部分，硬件部分由其合作者廖全同学负责设计。
因此本设计分成软件部分和硬件部分。
本文主要偏重软件部分编写，其中软件编写本文中采用汇编语言编写[1]，对一些选用的硬件器件作了简单的介绍。
本设计中的主要元器件：
AT89C52微型单片机；空气质量传感器QS-01；ADC0809NA/D转换。
本设计硬件电路总体可分为四大部分：
第一部是单片机AT89C52为中心的主控电路，同时AT89C52为整个电路的数据处理与控制核心。
第二部分是ADC0809N将模拟量转换给AT89C52和DM74LS90N作为分频器与ADC0809N和单片机相连。
第三部分是以蜂鸣器和发光二极管为主的报警装置。
第四部分是空气净化装置与单片机相连，实现空气净化。
论文研究的主要内容
系统的软件设计：
单片机控制电路主要由一片AT89C52和ADC0809N组成。
ADC0809N进行模拟量转换结果给AT89C52，AT89C52主要实现对空气污染是否超标进行判断且声光报警并启动负离子发生器。
单片机是整个系统的核心和控制中心，系统的各部分数据都是送到单片机进行处理，而且所有的命令都是由单片机发出，所以对单片机的软件开发是非常重要的，它关系整个系统的功能。
1．系统设计
1.1设计任务及要求
1.1.1设计任务
设计一个可实施的车内空气净化和清洁装置
图1-1-1汽车内空气净化与清洁装置外型实物图
1.1.2设计要求
设计拟达到的主要目标及技术参数
（1）能依据空气污染指数来判断空气是否合格（当R0上的电压值超过20mv时为不合格）。
（2）当空气不合格时，能发出报警信号，并启动空气净化装置。
（3）能净化空气达标。
（4）装置能适合安装于车内（体积小）。
1.2总体设计方案
1.2.1系统总体电路图
图1-2-1总体电路图
1.2.2系统总体设计思路及方框图
系统由传感器模块、74LS90N5分频器模块、ADC0809N数模转换模块、单片机AT89C52控制模块、指示灯模块、报警模块以及空气净化装置组成。
通过传感器模块将空气污染程度转化为电压输入ADC0809N数模转换模块并将转换完的数子信息传送给控制模块。
当控制模块将数字信息比较完成后判断空气质量是否合格，当空气质量合格指示灯模块亮绿灯，当空气质量不合格时指示灯模块亮红灯，与此同时启动蜂鸣器跟空气净化装置。
[3]
系统框图如图1-2-2所示。
74LS90N5分频器
A/D转换模块
传感器
模块
绿指示灯模块
AT89C52控制器模块
电源模块
红指示灯模块
蜂鸣器模块
空气净化装置模块
图1-2-2总体设计方框图
1.2.3各方案论证及选择
（1）控制器模块
对于控制器的选择有两种方案。
方案一：
采用FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。
FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。
由检测模块输出的信号并行输入FPGA，FPGA通过程序设计控制电机做出相应的转动，但由于本设计对数据处理的速度要求不是很高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案二：
采用AT89C52作为系统的控制器。
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
[5]
综合考虑以上两种方案，通过比较，本设计选择采用方案二，单片机控制的方框图如图1-2-2所示。
在本设计中，AT89C52通过ADC0809NA/D转换接收空气质量传感器的模拟量，负责监测空气质量是否合格，控制空气净化装置和报警装置。
（2）报警模块
方案一：
采用单片机或可编程逻辑器件完成。
由于本系统的控制器是采用单片机的，使用单片机直接驱动发光二极管和蜂鸣器，不仅可以有效地利用系统的资源、简化电路，同时还可以实现多种报警功能。
这样大大增强了液体点滴监控装置的实用性。
方案二：
采用分立元件来实现。
用分立元件大大增加了电路的复杂程度，而且不能很好的实现多种报警功能。
基于以上分析，本设计采用单片机了来实现电路的报警功能。
（3）传感器模块：
采用空气质量传感器QS-01来实现。
（4）分频器模块：
采用74LS90N五分频芯片来实现。
（5）A/D转换模块：
采用ADC0809N来实现。
ADC0809N是8位、逐次比较式A/D转换芯片，具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一+5V电源，其模拟量输入电压的范围为0~+5V，对应的数字量输出为00H~FFH，转换时间为100US，无须零或调整满量程。
[16]
（6）空气净化装置模块：
采用活性碳和换气箱。
（7）电源模块
过去，汽车内的电器较少，通常的12伏和14伏电源系统已能满足需要，因此一直沿用了50年。
然而，随着电器和各种电子装备的大量使用，14伏所能提供的功率，已满足不了汽车的发展需要。
42伏系统为车辆的结构改进提供了更大的可能性。
使用42V电源系统，发动机的一些附件，如转向助力泵、水泵、冷却风扇、空调压缩机和气泵等，可以直接由新的电源系统驱动，从而减少空转消耗，提高能源利用效率。
此外，这些部件也可以从发动机中分离出来，减少发动机的部件数量，改善设计，提高发动机的效率。
对于电动制动系统，由电源直接驱动，可以省去液压或气压系统，带来更好的驾驶舒适性和更好的燃油经济性。
在本设计中由于装置需要的功率不是很高，所以使用汽车内的12V直流电源对其整个电路供电。
（8）指示灯模块
采用绿，红2种发光二极管。
1.2.4系统组成
经过仔细分析和论证，确定了各系统模块的最终方案如下：
（1）控制模块：
采用AT89C52控制；
（2）报警模块：
采用单片机驱动蜂鸣器；
（3）传感器模块：
采用空气质量传感器QS-01；
（4）指示灯模块：
采用发光二极管（红，绿）；
（5）A/D转换模块：
采用ADC0809N型芯片；
（6）空气净化装置模块：
采用单片机驱动离子交换器；
（7）电源模块：
采用12V的汽车电源；
1.3本章小结
本章主要介绍本次设计的基本要求和总体设计方案，并对各模块的方案选择作了详细的论证。
2各功能模块的工作原理电路设计
2.1控制模块AT89C52简介
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
[9]
图2-1-1AT89C52芯片引角图
管脚说明：
如表2-1-1所示。
[19]
名称
管脚号
类型
名称与功能
Vss
20
I
地
Vcc
40
I
电源：
提供掉电、空闲、正常工作电压
P0.0-0.7
39-32
I/O
P0口：
P0口是开漏双向口，可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入。
P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉输出1。
P1.0-1.7
1-8
1
2
I/O
P1口：
P1口是带内部上拉的双向I/O口，向P1口写入1时，P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。
当作为输入脚时，被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。
P1口第2功能：
T2（P1.0）：
定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出。
T2EX（P1.1）：
定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制。
P2.0-2.7
21-28
I/O
P2口：
P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时，P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。
当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。
在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址（MOVX@DPTR）此时通过内部强上拉传送1。
当使用8位寻址方式（MOV@Ri）访问外部数据存储器时,P2口发送P2特殊功能寄存器的内容。
P3.0-3.7
10-17
10
11
12
13
14
15
16
17
I/O
P3口：
P3口是带内部上拉的双向I/O口，向P3口写入1时，P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。
当作为输入脚时，被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流。
P3口还具有以下特殊功能：
RxD（p3.0）：
串行输入口
TxD（P3.1）：
串行输出口
外部中断0
外部中断
T0（P3.4）：
定时器0外部输入
T1（P3.5）：
定时器1外部输入
外部数据存储器写信号
外部数据存储器读信号
RST
9
I
复位：
当晶振在运行中，只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位，内部有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位。
ALE
30
O
地址锁存使能：
在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE输出信号恒定为1/6振荡频率。
并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略。
ALE可以通过置位SFR的auxlilary.0禁止，置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。
29
O
程序存储使能：
当执行外部程序存储器代码时，
每个机器周期被激活两次，在访问外部数据存储器时
无效，访问内部程序存储器时
无效。
31
I
外部寻址使能/编程电压：
在访问整个外部程序存储器时，
必须外部置低。
如果
为高时，将执行内部程序，除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址。
该引脚在对FLASH编程时接5V/12V编程电压（Vpp）。
如果保密位1已编程，
在复位时由内部锁存。
XTAL1
19
I
晶体1：
反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。
XTAL2
18
O
晶体2：
反相振荡放大器输出
表2-1-1引脚介绍
2.2空气质量传感器模块
2.2.1空气质量传感器的简介
在本设计中空气质量的检测采用日本进口的QS-01空气质量传感器。
QS-O1是一种二氧化锡半导体气体传感器，可以检测香烟、NH3、酒精、CO等多种空气中的污染气体，灵敏度高，并且响应时间很快，传感器采用塑料外壳，有3个引脚，可在极低的功耗情况下获得极好的感应特性，非常适合应用于空气品质控制系统、排风电扇和空气清新机。
[7]
图2-2-1空气质量传感器管脚排列图
2.2.2空气质量传感器工作原理
空气质量传感器的标准电路如图2所示。
如系统原理图所示，使用时将端子1接电源5V正极，端子3接电源5v负极。
端子2接ADC0809N的IN0端。
通过测量电阻R1的电压值能够判断空气质量的好坏，我们利用单片机和ADC0809N的A/D转换功能测量电阻R0的电压。
由空气质量传感器QS-01的特性得知：
空气质量的污染程度与电阻R0的电压值乘正比例关系，即R0电压值越高，污染程度越高。
图2-2-2空气质量传感器电路图
下表2-2-3所列为空气质量传感器R0电压与空气污染程度参数[18]
R0电压值
空气污染指数API
质量状况
0～12mv
0～50
.优
13～20mv
51～100
良
.
21～40mv
101～200
轻度污染
困倦无力
41～60mv
201～300
中度污染
精神恍惚
>60mv
>300
严重污染
强烈症状出现某些疾病.
表2-2-3空气质量传感器R0电压与空气污染程度参数表
图2-2-4空气质量传感器R0电压与空气污染程度曲线图
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