基于单片机的汽车尾气检测系统设计论文.docx
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基于单片机的汽车尾气检测系统设计论文
学号：
本科生毕业设计（论文）
基于单片机的汽车尾气检测系统的设计
Thedesignofautomobileexhaustdetectionsystembasedonsinglechipmicrocomputer
摘要
当前汽车尾气排放是导致空气污染的主要因素之一，汽车尾气中未燃尽的CO等氧化物以及可以对人体产生致病影响的固体颗粒物，对人体危害最大。
由于近些年我国汽车持有量增速迅猛，人们对汽车的维护工作达不到一定的要求，定期检查也不严格规范，对此，研究简易便携式汽车尾汽检测装置，无论是从约束车主加大自身对汽车保养的力度方面还是从加大监测部门的执行力度上都是有益而无害的。
设计分为主控制端和报警端两部分，其中负责信号采集的主控制端使用专用传感器对汽车尾气中的CO和PM2.5的浓度进行检测，当有害气体排放超过设定上限时，STC12C5A60S2型单片机控制无线发射模块给报警端信号，系统产生报警。
同时汽车的排放物信息在液晶显示屏上能够进行实时地显示，主控端还可以对报警阈值进行合理的设定。
不论是从当前的行业现状以及对未来的推广和发展，本设计都具有一定的研究意义。
关键词：
单片机；汽车尾气；检测；报警
ABSTRACT
Theautomotiveexhaustemissions,whichcontributetooneofthemainfactorsofairpollution,automobileexhaustdoesnotburntheCOoxideandpathogeniceffectofsolidparticlesonthehumanbody,thegreatestharmtothehumanbody.Becauseinrecentyears,China'sAutomobileHoldingsrapidgrowth,peopleonthecar'smaintenanceworkisnotuptotherequirements,regularlycheckisnotstrictlyregulate.Inthisregard,thesimpleandportableautomobiletailgasdetectiondevice,whetheritisfromtheconstraintownersincreasetheircompetitivenessonthevehiclemaintenanceoforfromincreaseeffortstoimplementthemonitoringdepartmentareharmlessandbeneficial.
Designisdividedintoamaincontrolterminalandalarmterminal,whichisresponsibleforsignalacquisitionofthemastercontrolterminalusingspecialsensorforautomobileexhaustCOandPM2.5concentrationsweredetected,whentheharmfulgasemissionsexceedasetupperlimit,STC12C5A60S2MCUcontrolwirelesstransmissionmoduleblocktothealarmsignalterminal,thesystemwillgenerateawarning.Atthesametime,thevehicleemissioninformationcanbedisplayedinrealtimeinLCD,andthemaincontrolcanalsosetthealarmthresholdreasonably..Thisdesignhassomeresearchsignificancebothinthepresentsituationandthepromotionanddevelopmentofthefuture..
KeyWords：
SCM;automobileexhaust;detection;alarm
1绪论
1.1课题背景和研究意义
随着我国的科技发展,汽车已经成为居民生活中的代步必需品。
然而汽车产业的发展在给人类生活带来便利、提高人们的生活品质的同时,也给环境带来了很大的危害。
尽管近些年来我国颁布了相关的法律来限制厂家生产高排量的汽车，但是我国在限制汽车排放量制度和发达国家相比存在差距。
据调查世界上污染最严重的10个城市中中国占去了七位，在中国大城市中的500个样本里，仅仅有不超过1%的城市可以达到世界卫生组织关于空气质量的标准。
由此可见在城市建设的步伐加快的同时，城市污染也随之出现。
高楼的拔地而起，空气的流速变得迟缓。
这些致使汽车排出的有害气体和颗粒物变得更难通过空气流通而消散开来。
现代社会人类在提高生产效率的同时也不忘关注自身的健康状况，生活中汽车尾气无节制的排放给人体带来了许多伤害。
在高速收费站工作人员所吸入的CO浓度的量比在其他岗位的工作人员要高出近90%。
汽车尾气中的CO与血红蛋白的结合率高于血红蛋白与氧气的结合率，CO气体无色无味,人类如果不用特殊的方式是无法察觉到它的存在，人体吸收了从汽车尾气排放出的CO后，人类的大脑和器脏会出现缺氧状态，随着血液携带氧气能力的降低，人体心脏出现不适。
尤其是对那些本来就有心脏病史的患者，高浓度的CO可以使其动脉血管内的血液流动压力加大，增大了心脏病的发病率；拥有强健体魄的人吸入过量的CO后也会出现头晕，恶心，无力，反应迟缓等症状，也有人因此丢掉性命。
汽车尾气中还有可吸入颗粒物，这些可吸入颗粒物的直径小于2.5mm，还不及头发直径的0.05倍。
颗粒物的直径小于等于10mm时就可以被吸入肺部，也称之为可肺入颗粒物。
由于它在大气中滞留时间长，不仅使室外能见度降低，而且内部含有大量的有毒致癌物,被人体的肺部吸入后，致使肺内部环境被破坏，随着肺部粘液的增加，会出现哮喘，支气管肺炎，慢性支气管炎等疾病。
因此，治理汽车尾气排放迫在眉睫。
治理汽车尾气排放基本方法是工况法，国际上一直在颁布新汽车排放法规来约束厂商，中国也积极通过颁布最新国五汽车尾气排放标准法对汽车厂商和用户进行约束。
这些法规在推动技术革新的同时，也能保证我们的生活质量。
在国五排放法颁布后，中国提出关于大气污染防治工作意见，根据这些意见北京市自2013年2月1日起，经国务院批准成为国内首个使用国五标准燃油的地区，那些不符合标准的轻型汽油车，自3月1日起要停止销售和注册，从而减少排放多项气体污染物。
自国四到国五对PM2.5排放量削减要求提高，原来97号、93号、90号汽油牌号改为现用95号、92号、89号汽油牌号。
发达国家以美国为代表推行世界上公认的控制汽车排放的I/M（检查/维护）制度，强制汽车进行定期尾气排放检测，不合格的车辆在一定时间内，由指定维修网点进行有针对性维护，在汽车尾气排放量合格后才能上路行驶。
我国虽然也实行了相关法令，有不少高档汽车自带尾气检测装置，然而这些装置或是直接嵌入汽车内部，或是直接作用于发动机与汽车底板之间，增大了汽车成本，导致有些汽车价位颇高。
中低档汽车内自带的尾气检测装置不够先进，不能在汽车内随时显示汽车尾气中有害气体的浓度，也不能够及时提醒驾驶员去特定部门维修汽车。
所以研发一款可以进行实时检测，可以对用户起到警示环保作用,价格便宜的小型便携式汽车尾气检测系统是非常有意义的。
1.2课题研究内容
本课题研究内容为以单片机（STC12C5A60S2）为主控制器对汽车中CO浓度和PM2.5的浓度进行检测，在检测浓度超过阈值时通过无线收发模块报警。
具体研究内容：
（1）对常见的汽车尾气中有害气体的检测，其中主要是针对CO气体的检测；
（2）对固体颗粒物的检测，采用夏普二代粉尘传感器来检测汽车尾汽排放中的焦油等颗料物；
（3）主控制器对采集的数据进行处理，并与系统设定阈值比较；
（4）主控单片机和报警单片机之间通过无线模块通讯，实现系统超标报警功能，在仿真中该功能使用串口方式实现；
（5）使用显示模块对汽车尾气中的CO和PM2.5的浓度进行实时显示，用户可随时查看。
2系统总体设计方案
2.1系统设计思路
本课题主要研究基于单片机原理的汽车排放物检测系统。
该系统是将单片机控制技术、传感器检测技术和无线通信技术相结合，开发一个简便实时的气体检测系统。
通过应用单片机对有害气体传感器、粉尘传感器进行控制，实现采集汽车排放气体中有害气体CO和PM2.5的浓度值。
主控制单片机将采集数值读入后在单片机内进行准确的转换（A/D）。
由液晶屏显示当前检测值的浓度，这样检测装置实时性的特点就显现出来。
单片机检测当前浓度值超过之前设定阈值时，蜂鸣器和LED同时产生报警，并通过无线模块将信号传到远端，从而使车主或监管部分能及时得到相关情况，做出相关处理。
根据本设计原理,绘出总体结构设计框图如图2-1所示。
1.数据采集模块2.报警模块
图2-1总体结构框图
2.2设计实现主要功能
系统从整体看可分为数据采集端和报警端两大部分。
数据信号采集控制端内设计有显示模块、传感器检测模块、单片机最小系统模块、按键选择模块、电源模块1、无线发射模块。
报警端内设计包括蜂鸣器模块、LED指示模块、无线接收模块、电源模块2。
以下分别对每个设计模块实现主要功能进行介绍。
显示模块：
采用LCD1602液晶显示屏显示当前检测气体浓度值。
传感器检测模块：
采用MQ-2气体传感器检测以CO为主的有害汽车尾气，用GP2Y1050AU0F粉尘传感器检测排放尾气中PM2.5固体颗粒物。
单片机最小系统模块：
单片机外围电路时钟和复位，自带掉电保存功能。
按键选择模块：
采用LCD1602液晶显示屏和按键相结合实现对PM2.5和CO浓度阈值设置,其中共有三个按键一个增值按键一个减值按键，一个选择按键。
电源模块：
电源模块1和电源模块2相同，分别由电池盒或USB提供5v电压，由AMS1117-3.3给NRF24L01无线发射、无线接收端提供3.3v。
无线收发模块：
采用NRF24L01无线模块进行报警信号的无线传输。
报警模块：
通过LED灯和蜂鸣器实现声光报警，采用按键开关来控制是否开报警，在报警开时具有取消报警功能。
3硬件电路设计
3.1CO检测模块设计
3.1.1MQ-2传感器简介
设计中采用MQ-2传感器检测CO浓度，此传感器具有灵敏度高、响应恢复迅速、探测范围广、稳定性能好、使用寿命长、驱动电路简单等特点，适用于工厂或家庭内的气体检测。
MQ-2传感器对适用场所的氧气有一定要求，检测场所氧气浓度不能小于2％或大于21％，在这个范围内该传感器灵敏度特性会受到影响。
它对检测场所的温度也有要求，在-10摄氏度到50摄氏度之间均可以正常使用，对检测场所的温度有要求是因为其内部有可以进行调节的负载电阻，正常工作温度下，此传感器内加热电阻阻值在31Ω左右，其内部加热电阻功耗小于等于900mW，它内部回路标准工作电压（AC或DC）在小于等于15V范围内,其内部加热电压（AC或DC）在5.0V±0.2V的范围内。
MQ-2传感器可以对甲烷、丙烷、丁烷、液化气、酒精等物质进行检测，因为此设计中只使用到其对CO浓度检测的功能，所以其他气体为无关项。
选择此传感器对CO进行检测，还因为它对CO浓度探测范围在100PPM-1000PPM之间。
灵敏度特性曲线如图3-1所示，曲线图中当温度为20℃时，MQ-2传感器中电阻值RL为5Ω，RS电阻在不同气体浓度相同或同一气体浓度不同情况下电阻值不同。
图3-1灵敏度特性曲线图
MQ-2传感器敏感层、金属测量电极、镍合金加热器等部件在一个不锈钢腔里被固定。
图3-2MQ-2传感器结构图A
图3-3MQ-2传感器结构图B
3.1.2.CO检测模块硬件电路
MQ-2模块被封装后一共有四个接口，分别为Vcc大小为5v、GND、输出数字开关接口，输出模拟量接口。
MQ-2模块用于检测CO浓度。
MQ-2模块与单片机接线设计如图3-4所示
图3-4MQ-2模块与单片机接线图
3.2PM2.5检测模块设计
3.2.1粉尘传感器简介
汽车排放尾气中PM固体颗粒物是产生雾霾的主要原因之一，本设计只对PM2.5固体颗粒物进行检测。
PM2.5固体颗粒物本质上和粉尘基本相似，故采用GP2Y1050AUOF型粉尘传感器检测汽车尾气中PM2.5固体颗粒物浓度。
粉尘传感器属于高能传感器，它具有灵敏度高，体积小，安装简便等特点。
因为这些优点该传感器在空气净化器市场中得到广泛应用。
粉尘传感器使用激光散射原理，其电压输出是由粉尘颗粒物在散射光进入光接受元件产生。
图3-5检测粉尘颗粒物示意图
GP2Y1050AUOF粉尘传感器内部回路图如图3-6所示。
图3-6粉尘传感器回路图
设计中用到粉尘传感器的电源、接地、串口输入和串口输出，其中串口输出参数和输出的数据协议如下：
1）波特率为2400bit/s;
2）发送一个字节所用时间为10ms，一共发送七个字节，
校验位=Vout（H）+Vout（L）+Vref（H）+Vref（L）
3）数据发送的格式如表3-1所示：
表3-1数据发送的格式
起始位
Vout（H）
Vout（L）
Vref（H）
Vref（L）
校验位
结束位
0x01
0x01
0xe0
0x00
0x7a
0x5b
0xff
4）数据处理：
接收到数据后按公式计算得到Vo的值：
Vo=（Vout（H）*256+Vout（L））/1024*5；
Vo相当于图中的串口输出值。
得到Vo的数值后，乘以系数K即可得到灰尘浓度值：
灰尘浓度=K*Vo，电压值Vo与粉尘浓度值的线性换算关系如图3-7所示：
图3-7粉尘浓度值和传感器电压值Vo之间线性换算关系图
3.2.2颗粒检测模块硬件电路
对PM2.5颗粒物进行检测用到四个接口，分别为GND接地、VCC接5v，传感器的RXD与单片机TXD接口相连、传感器的TXD与单片机的RXD相连。
图3-8PM2.5颗粒物模块硬件原理设计图
3.3显示模块设计
3.3.1显示模块简介
LCD1602液晶显示屏是字符型显示屏模块，显示容量为16×2个字符，专门用于对字母数字等点阵型显示，但不能显示图形。
该模块的工作电流为2.0mA,最佳工作电压为5.0v。
显示屏对比度可以调节,显示模块提供光标闪烁与清屏等指令。
外形尺寸如图3-9
图3-9显示模块外形尺寸图
表3-2器件引脚
引脚号
引脚名
电平
输入/输出
作用
1
GND
电源地
2
Vcc
电源（+5v）
3
Vee
对比调整电压
4
Rs
0/1
输入
0=输入指令
1=输入数据
5
R/W
0/1
输入
0=向LCD写入指令或数据
1=从LCD读取信息
6
E
1,1→0
输入
使能信号，1时读取信息，
1→（下降沿）执行指令
7
DB0
0/1
输入/输出
数据总线line0（最低位）
8
DB1
0/1
输入/输出
数据总线line1
9
DB2
0/1
输入/输出
line2
10
DB3
0/1
输入/输出
line3
11
DB4
0/1
输入/输出
line4
12
DB5
0/1
输入/输出
line5
13
DB6
0/1
输入/输出
line6
14
DB7
0/1
输入/输出
line7（最高位）
15
A
+Vcc
LCD背光电源正极
16
K
接地
LCD背光电源负极
3.3.2显示模块硬件设计
液晶显示屏的引脚7到引脚15分别与单片机P0.0接口至P0.7接口相连，引脚6与单片机的P2.7接口相连，引脚5与单片机的P2.6接口相连，引脚4与单片机的P2.5接口相连，引脚2接5V电源，引脚1接地，引脚3（VO）接滑动变阻器。
显示模块与单片机硬件接线图如图3-10所示：
图3-10液晶显示屏与单片机的硬件接线图
3.4无线发射接收模块设计
3.4.1无线发射接收模块简介
NRF24L01无线发射接收芯片如图3-11所示：
图3-11无线收发芯片图
NRF24L01芯片引脚说明如表3-3所示：
表3-3NRF24L01芯片引脚说明
引脚
引脚功能
1、2、3、4
数字输入
5、6
数字输出
7、8、14、15、17、18、20
电源
9
模拟输出
10、16
模拟输入
11、19
电源输出
12、13
天线
NRF24L01型无线收发模块属于单片射频收发型元件,厂家设定的波特率初始值为9600HZ，在后期使用中还可以在2400HZ-2500HZ之间选择，无线发射中工作电流为9mA。
元件内置晶振、有功率放大器等，在单片机控制此无线芯片的程序中可以对通信频道等进行设置。
该芯片还有掉电模式与空闲模式两种低功率工作模式，使用时可选择工作模式进行工作，达到节能的目的。
3.4.2无线发射接收模块硬件电路
NRF24L01发送模块硬件接线图、接收模块硬件图设计如图3-12所示
图3-12NRF24L01发送接受模块硬件接线图
通过无线发射模块发出报警信号，在报警端接收报警信号。
因为NRF24L01模块所需电压为3.3V，在电路中只有5V电压，所以需要一个AMS1117-3.3电压转换模块。
该模块有一个输入两个输出端，图中电容C6和C7大小均为0.1UF，可以增强系统抗扰能力。
由此将5V电压信号转换为3.3V,给无线模块供电。
3.5主控制电路设计
3.5.1单片机简介
STC12C5A60S2系列单片机内部含有CPU、Flash、SRAM、定时/计数、UART串口、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗等功能，单片机工作电压在3.5v-5.5v之间，工作频率在0-35MHZ，普通单片机的工作频率在0-420MHZ。
用户在下载程序时可选用内部R/C或外部晶体/时钟。
常温下单片机的内部电压为5v，单片机晶振在11MHZ-17MHZ之间。
这款单片机中有两路可接PWM波的接口，可编程计数器也有两路接口，单片机中含有两路定时器，两路外部中断。
本设计运用到单片机自带精度达十位的A/D转换功能，在使用转换功能时，转换速度可达到250k/s。
单片机现有I/O接口还可外接扩展，用户可使用单片机的第二串口。
图3-13单片机引脚图
3.5.2单片机外围电路
在图3-14中Header4为供单片机下载程序和PM2.5浓度数据进行串口调试的排针，图中使用S2按键起复位作用，图中C8瓷片电容用于过滤高频波，利用高频信号不会通过电容的原理去除干扰。
图3-14主控电路硬件接线图
3.6报警电路的设计
报警部分主要由STC12C5A60S2芯片控制，当按下开启报警键后，达到报警条件系统就会产生声光报警。
其报警部分电路图如图3-15所示。
图3-15报警电路图
上图中，Q3为PNP型三极管，单片机的I/O口电流只有几个毫安，不足以驱动蜂鸣器发声，故加一个三极管进行电流放大，从而驱动蜂鸣器发声。
3.7按键模块的设计
三个按键依次与单片机的P1.5至P1.7引脚相连，用于设定阈值，按键模块包括选择按键、增值键和减值键。
用户可以通过按下选择按键选择设置CO浓度或PM2.5浓度阈值。
这个按键在按第一下时进入选择界面，接着按下增值键或减值按键可设置CO浓度的阈值；第二次按下选择按键后用户通过按下增值键或减值键设定PM2.5浓度的阈值；第三次按下选择按键，系统保存阈值返回实时检测PM2.5和CO浓度的界面。
图3-16按键接线图
3.8系统整体设计原理图
图3-17整体原理图
4系统软件设计
4.1系统主程序流程图
主控单片机的硬件初始化包括读取CO和PM2.5数据值，装置通电后无线发送模块与无线接收模块可正常使用，这时开机显示屏显示NRF24L01OK字样，进行按键扫描查看系统是否进入阈值设定界面，报警端系统开关打开,同时可对CO的浓度值和PM2.5的浓度值进行设定,在设定阈值时根据先按增值键还是减值按键来选择进入相关程序，按下选择键完成阈值的设定。
数据采集处理显示当前CO传感器检测到浓度值和PM2.5传感器检测到浓度值。
如果没有检测到按键被按动,系统就直接进入数据采集处理显示,当检测到汽车尾气中CO或PM2.5浓度超标，系统通过无线发送报警信号,之后返回按键扫描。
图4-1主程序控制流程图
报警端主程序流程图：
图4-2主程序控制流程图
4.2系统中的子程序设计
1.显示子程序
图4-3显示程序流程图
2.检测PM2.5浓度值子程序
图4-4检测PM2.5浓度流程图
3.检测MQ-2浓度子程序
图4-5检测CO浓度流程图
4.中断调用子程序
图中的中断程序运用在按键设定浓度阈值，调用按键选择子程序的过程中，产生报警需要调用报警子程序，在系统显示浓度数值时也会调用显示相关的子程序。
这些过程中都用到含有调用子程序的指令程序，系统在调用子程序前产生中断，在调用子程序后执行相关子程序。
在装置启动时和复位后主控单片机都会进入含有初始化的中断，在外部中断或定时器中断被响应时，程序会自动跳入相关所需的中断程序，在中断结束后退出中断程序，返回之前程序运行的状态。
中断流程图如图4-8所示。
图4-6中断子程序流程图
5.无线接收发射子程序
图4-7无线发射接收子程序流程图
5仿真与调试
5.1Proteus软件简介
Proteus软件是一款EDA工具，它不但有EDA仿真工具功能，还可以仿真CPU及外围电路。
这是最好的微控制器和外围设备的仿真工具。
本设计使用到这款软件中的绘制原理图、原理图一键转换为PCB图、调试单片机和外围电路的功能,这款软件还支持8051、HC11、PIC型单片机和DsPIC33高性能数字控制器等控制器的使用。
并且支持keil等相关软件编译。
5.2系统的仿真与调试
使用protuse软件设计仿真电路模型并进行系统仿真，如图5-1所示：
图5-1仿真电路图
仿真图中采用串口代替实物中NRF24L01无线传输功能，在图中使用两个虚拟终端（VT1和VT2），虚拟接线端有四个端口，这里只用到数据接收端（RXD）。
VT1上显示主控采集端的单片机经过串口给报警端发送数据，VT2显示报警端接受从主控采集端经过串口所发送来的数据。
VT1连接在主控采集端单片机的P3.1接线端，VT2的数据接收端连在报警端单片机的P3.0接线端。
主控采集端通过按键模块设置报警值，报警端接收报警信号，报警端有一个开关用户需要时可打开，不需要报警时就关闭,此时用户只能通过LCD1602显示屏观测CO和PM2
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