基于微控制器的车载空气检测净化智能车载空气检测与净化系统.docx
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基于微控制器的车载空气检测净化智能车载空气检测与净化系统
目录
●一、立项依据3
●1.1立项背景与现状分析3
●1.1.1立项背景3
●1.1.2现状分析4
●1.2市场前景5
●1.3已有实践基础6
●1.4团队及成员优势6
●二、研究目标、内容、项目亮点和待解决的关键问题７
●2.1研究目标７
2.1.1阶段目标................................................................................................７
2.1.2总体设计介绍........................................................................................９
●2.2研究内容及设计方案12
●2.2.1单片机12
●2.2.213
●2.2.3.......................................................................................................................14.
●2.3拟解决的关键问题15
●2.3.118
●2.3.219
●三、拟采取的研究方法和可行性分析20
●四、预期效果与具体成果19
●五、具体安排及进度20
●六、经费预算20
●七、参考文献21
一、立项依据
1.1立项背景与现状分析
1.1.1立项背景
轿车空调作为一种舒适性空调，不仅是人民生活水平提高的标志，也是提高轿车市场竞争能力的重要手段。
2004年，中国科协启动首次中国汽车内环境污染情况调查，1175辆样本车中，全部检测项目达标的只有52辆，其中新车甲醛超标的，占23.4%。
2012年9月中300名车主集体投诉奔驰汽车甲醛超标4倍事件，2012年9月，一份“健康汽车检测报告”表明11款主流车型可能存在致癌风险，此次检测选取了市场上在售的32个品牌，44款车型作为检测对象，报告显示，11款主流车型内饰中的致癌物——多环芳烃含量超标。
2012年9月18日至9月20日盖世汽车网联合《21世纪经济报道》，围绕车内空气质量展开了为期三天的在线调查，982位被调查者中，52%的被调查者认为90%以上的车型都存在空气污染，可能损害人体健康。
同时，湿度大小又是体现空气质量的重要参数，空气中相对湿度的大小会对环境中的人和物产生相应的影响。
当车内空气比较干燥，灰尘，悬浮颗粒物污染严重超标，病菌容易迅速传播，处于这种环境中，人们易感冒，皮肤过敏，集体免疫力下降，同时体内水分也加速流失，皮肤变得很干燥，因此，车内空气的净化和加湿显得尤为必要。
车内空气参数主要是指汽车室内的温度，相对湿度，流动速度，空气的含尘量，CO2的含量，壁面温度等。
手动控制的空调系统无法根据室外空气温度，太阳辐射强度，车速，发动机热负荷以及室内人体散热等因素的变化及时地对汽车内的空气状况进行调节，控制质量也不太理想，并且手动控制需要驾驶员人工操作，这显然增加了驾驶员的工作量。
在2014国际消费电子产品展览会（CES）上，汽车类手机应用软件（车载APP）吸引了众多参观者的眼球，将移动设备与车载系统协同已成为一种趋势。
由于智能手机的广泛应用，人们接受并熟悉APP。
车载电子平台为汽车与移动互联网的结合找到一条更简单实用的通道，去填补客户数字化生活中的缺口。
而随着智能手机的普及，智能手机有比传统超控面板或者遥控器友好的人机对话界面，空气净化器状态反馈功能，智能手机可现实现在的空气污染状况和主要污染物，空气清洁效果实时显示等信息，方便用户直接看到净化器的工作效果，用户通过APP，即使不在车里，也可以借助网络通过操控软件，来看车内空气净化器的相关工作状态，空气环境质量。
因此，实现用手机控制汽车空调系统自动调节和净化空气是我们本次课题重点研究项目。
1.1.2现状分析
国内汽车空调产业起步晚，存在散、乱、差的格局。
汽车空调厂家的设计力量不足，技术落后。
就国内几家主要汽车空调厂而言，仍处于仿制国外空调系统的阶段。
设计软件虽然也引进了UG，Catia等三维造型软件，但软件的利用率不高，设计人员基本上没有蒸发器、暖风机和鼓风机的全新开发设计能力。
下面，我们就本次项目主要研究的几个方面展开论述。
（1）.净化技术的现状
目前我们应用到的车载空调的净化主要分为滤网式普通车厢空气净化器、静电集尘式空气净化器、臭氧车厢空气净化器、负离子式车厢空气净化器、光触媒产品等。
而且各种车厢空气净化器各有其优缺点。
（2）.APP技术应用现状
随着互联网的兴起，越来越多的互联网企业，电商平台将APP作为销售的主战场之一，数据表明，目前APP给手机电商带来的流量远远超过了传统互联网（PC端）的流量，各大电商平台向移动APP的倾斜也是十分明显的，原因不仅是每天增加的流量更重要的是由于手机移动终端的便捷，为企业积累了更多的用户，更有一些用户体验不错的APP使得用户的忠诚度，活跃度都得以了很大程度的提升，为企业的创收和未来的发展起到了关键性作用。
综上由此可见，我国的车载空调应用技术还没有达到理想的状态，随着消费者对其要求的提高，我们要与现实生活问题相结合，解决目前环境污染对人体的伤害问题及增加人们的方便性，结合高端智能技术，创建APP与车载空调相连接，使人们能够事先得知车内的空气质量指数，空气湿度，从而及时进行控制调整车内环境，使驾驶员与乘客都有一个健康良好的环境。
1.2市场前景
近年来我国汽车数量急剧增加，根据中国国家汽车行业“十五”规划研究组预测：
2005年和2010年轿车保有量将分别达到843～869万辆和1423～1543万辆，轿车需求量110～121万辆和193～220万辆。
到2020年，我国轿车保有量将达到1亿辆。
我国于2012年3月正式实施《乘用车内空气质量评价指南》。
《乘用车内空气质量评价指南》根据车内空气重挥发性有机物的种类，来源和对车辆主要内饰材料本身挥发特性的分析，确定了8种主要被控制物质，规定了车内空气中苯，甲苯，二甲苯，乙苯，苯乙烯，甲醛，乙醛，丙烯醛的浓度要求。
虽然这不是强制性措施，但是表明车内空气质量问题已受到国家关注。
在美国，91％的轿车天天要进行消毒杀菌处理；在日本，96％的私家车天天使用车内净化产品；在中国，47%的车主用香水掩盖车内各种异味。
中国科协工程学会环境专业委员会检测报告指出：
中国国内有超过9成的车内空气质量超标，汽车车内空气污染问题非常令人担忧。
因车内空气的有害物质引起的白血病等案例数以千计。
以上的事实和数字却实实在在地告诉我们一种汽车用品的消费趋势正在形成。
所以，我们的研究是非常有必要的，而且是与发展的实际情况相结合，将车内设置与智能手机利用APP连接，一定会受到广大消费者的青睐，为这个快速发展的社会提供便利，进一步提高国内车载空调的水平。
1.3已有实践基础
1、小组成员完成了《模拟电子线路基础》、《数字电子线路基础》、、《算法与数据结构》、《面向对象程序设计》、《C++面向对象程序设计教程》、《Linux基础教程》等基础课程的学习，因此小组成员对硬件和软件的学习都有一定的认识，对此次研究提供了良好的理论基础。
2、小组成员均完成了本专业已开的课程及其安排的实验，并且完成了电子工艺实习。
成员在学习的过程中，掌握了理论联系实践的方法；通过各个学科开设的实验，锻炼了动手操作能力。
因此，在此次研究中，有良好的实践基础。
3、小组成员之前已经查阅过相关资料，对项目所需的各项技术有所了解，并与老师沟通交流。
1.4成员优势
我队有五名成员,均是二年级学生，涉及两个专业，分别是电子、自动化，可针对不同情况从不同角度分析问题。
3名男生，2名女生：
男生具有较强动手能力和吃苦耐劳精神，女生具有细腻的心思和较强的思辨能力，优势互补，各自的能力可最大程度发挥。
1.团队成员学科成绩优秀，其中两名成员获得专业二等奖学金，并且学过c、c++、数据库、java等多种汇编语言，具有一定的知识储备和动手实战经验。
2.团队成员分别来电子信息工程、自动化专业，在软件、硬件方面都有了解。
我们可以充分利用这两个专业的专业特点进行再次创新设计。
张校铖（队长）：
担任本班班长，对于软件的编写很感兴趣，参加过民大虚拟校园设计室和TB2项目，熟悉电路焊接，动手能力强有一定的协调组织能力，统筹分工合作，进度安排，确保了团队的凝聚力和研究进度。
马昊：
在电子工艺实习中有不俗的表现，善于理论分析，思想深刻，对项目有很好的认识，有良好的专业素养，态度认真，热情有干劲，有一定的文字工作经验，有利于资料的整合、归纳和总结。
石麒歆：
有很强的团队协作精神，思维敏捷细腻，对于项目细节方面有着不同的见解。
自学能力很强，吃苦耐劳，有刻苦钻研的品质。
因此小组成员在理论知识和实践上有能力完成此课题。
3.小组成员积极主动，相互配合，有较强的集体意识和团结合作的精神。
4.学院配有专门的专业实验室、专业基础实验室、创新研究实验室及实验器材，并有指导老师进行指导。
5.课题中所用的关键性元器件在市场中提供的种类全、多，可很好的运用在项目的研究中。
6.小组成员对项目有浓厚的学习和探究兴趣。
二、研究内容、目标、拟解决的关键问题
2.1研究目标
2.1.1阶段目标
前期目标：
设计并开发一套车载便携式空气智能加湿净化系统，系统核心为STC12C5A60S2型号单片机，主要元件：
AM2302DHT22温湿度传感器，温湿度传感器驱动模块电路，纯净型车载加湿器，MS1100甲醛VOC传感器，PPD42NS粉尘灰尘颗粒浓度检测传感器PM2.5空气质量检测模块，HEPA滤网式车载空气净化器；MS1100甲醛VOC传感器模块可以监测以甲醛为主的挥发性有机污染气体，如苯，甲苯，二甲苯等。
PPD42NS粉尘灰尘颗粒浓度检测传感器PM2.5空气质量检测模块可以监测最大到8000pcs/283ml（1um以上粒子），对车内空气中的颗粒污染物精准监测，与设定的标准对比，智能控制净化器开启及工作时风扇风速，实时控制空气净化器工作；
因冬季空气干燥，车内空气由于车载空调对车内空气的加热作用会使车内水分大量散失，这种高温干燥的空气环境不仅会使人感到不适，而且会使司机眼部易疲劳，对交通安全产生危害；但过度加湿会使车内过量的水蒸汽在温度较低的车窗上凝结，影响司机视线。
所以合理控制车内温湿度高效净化车内空气使司机能够舒适安全的驾驶是本系统的宗旨。
后期目标：
实现对系统进行远程手机监测控制，当车内无人时系统自动处于休眠状态，只启动空气监测模块，当车内空气污染时提醒司机，司机可以根据自己何时驾车定时启动空气加湿净化模块，系统在司机进入车内驾驶前智能调控车内空气环境。
主要元件：
蓝牙及网卡驱动模块，智能手机。
由于蓝牙有效范围有限，当司机不在车内时换用网卡驱动模块，超远程智能控制系统。
2.1.2总体设计介绍
总体构想：
设计一款车载空气检测净化系统，检测功能主要由温湿度传感器、甲醛VOC传感器、粉尘灰尘颗粒浓度检测传感器等实现，这些传感器将采集到的信息传到微控制器，微控制器根据预先设定的污染物浓度标准和空气湿度标准判别车内空气质量，若空气有污染或过于干燥则通过远程手机控制信号收发装置将该信息发送到车主手机，车主决定是否开启净化或加湿功能；车主所用手机APP还将具有控制车内系统是否休眠的功能，若遇到车辆限行或长期不用车的情况，则通过手机ＡＰＰ将系统设置为休眠状态，在车主再次用车前一小时再通过手机唤醒系统，开始工作。
各设计部分技术支持介绍（目前设计规划阶段暂时选定以下型号器件）
（1）微控制器（MSP430单片机）:
MSP430 系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。
强大的处理能力MSP430 系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。
这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
（2）温湿度传感器（DHT22）：
DHT22数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上。
产品为4针单排引脚封装。
连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。
（技术参数）:
►相对湿度和温度测量►超长的信号传输距离
►全部校准，数字输出►超低能耗
►卓越的长期稳定性►无需额外部件
（3）MS1100甲醛VOC传感器（MS1100）：
MS1100-P111传感器模块选用MS1100为核心传感器探头，MS1100是一款原装进口的半导体式VOC气体传感器，具有极高的灵敏度和稳定性，能够侦测0.1ppm以上的气体，适用于检测空气中的甲醛、苯、二甲苯等多种有机挥发成分，同时具有体积小巧、价格便宜、响应速度，改传感器广泛应用于通风机，空气过滤器、风帽、排风罩以及小家电等各种需要进行空气治理的电器设备上，能够很好的帮助提高室内生活环境质量。
（技术参数）:
►工作电压：
5V ±2%（DC）；►负载电阻：
1K（可调）
►工作电流：
100mA（max）；►模块功耗：
≤430mW；
►响应时间：
≤5S（预热3-5分钟）；►回复时间：
＞10S；
►灵敏度：
≥3%；►工作温度：
-10~60°C（标称温度20°C）；
►检测浓度范围：
0-1000ppm（0-1343/mg）。
（模块特点）:
►具有模拟信号和电平信号同时输出
►模拟信号输出范围0—5V，模拟信号可以直接接AD采集
►数字电平信号输出，有效电平为低电平，LED等亮，可直接接单片机的I/O口
►感应灵敏度可以调节，可设置感应阈值，有气体输出低电平，可直接接单片机
►可用于空气质量定性检测
（4）灰尘颗粒浓度及空气质量检测（PPD42ns粉尘传感器）：
►结构紧凑，质量轻（W59xH45xD20mm,～35g）
►PWM（pulsewidthmodulation）输出（低脉冲输出）
►能够区分室内香烟等小颗粒和灰尘（花粉，尘埃，毛屑）等大颗粒
►低脉冲的宽度比例表示颗粒物大小和浓度
►粉尘传感器通过加热电阻形成恒定的气流
►无铅和ROHS认证
（典型应用）：
►空气中的粉尘监测，室内空气质量监控
►空气过滤器，空气净化机，空调
►室外灰尘监测（需要客户特殊的外形结构设计）
►烟雾报警
（5）纯净型车载加湿器
（6）车载空气净化器：
（7）远程手机控制信号收发：
在无线数据接收和发送部分，我们决定用串口服务器模块实现，串口服务器提供串口转网络功能，能够将RS-232/485/422串口转换成TCP/IP网络接口，实现RS-232/485/422串口与TCP/IP网络接口的数据双向透明传输。
使得串口设备能够立即具备TCP/IP网络接口功能，连接网络进行数据通信，极大的扩展串口设备的通信距离。
实现，经过调研，我们目前决定用单片机上网卡，串口服务器TU8000-TTL模块来实现，该模块具有体积小，功耗低，搭载ARM处理器，速度快，稳定性高的特点。
（8）手机应用软件设计
2.2.研究内容
本项目采用单片机控制气体检测传感器实时监测车内各项气体成分比例，配合蓝牙╱网卡信号收发装置向远程移动终端发出传感器传输的数据信息，单片机自动控制净化器对车内空气进行净化，并将实时净化结果传回移动终端。
在本项目设计中我们的主要研究内容是：
1.单片机与传感器、净化器之间的数据交互以及自动控制；2.蓝牙╱网卡信号收发数据的实现。
针对第一个内容：
我们选用STC12C5A60S2型号单片机是一种单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，适用于强干扰场合。
该处理器完全能够满足设计要求，价格也可以接受。
2.2.1单片机控制系统
随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化的发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小，功能强，价格低，使用灵活等特点，显示出出很强的生命力。
可以认为，单片机技术已经成为现代电子技术的十分重要的技术之一，可以使设计的电子产品更具智能化和先进性。
2.2.2单片机温湿度控制
温湿度集散型控制系统设计与实现提出了一种用于温湿度控制的两级控制系统。
把整个系统划分为过程控制级和监视级两大部分。
过程控制级由自行设计开发的智能温湿度控制器构成,负责完成对现场温湿度量的监控;监视级由操作站和工程师站组成,分别负责完成各分现场的控制量监视、报警、数据存储及历史过程分析和整个系统的监控、系统控制算法仿真、数据存储、数据打印等功能。
各级之间通过通信网络使所有的控制子系统构成一个有机的整体,完成多个温湿度子系统的协调控制。
2.2.3单片机与蓝牙技术
蓝牙技术是用于替代电缆或连线的短距离无线通信技术。
它需要把数字信号转换成模拟信号以便在空间中传输,它采用的调制方式是高斯频移键控,以下简称GFSK,要了解GFSK,就要先说说频移键控的原理,以下简称FSK
1.FSK:
简单的讲，就是用不同的频率来调制不同的码元，比如说二进制，有0和1两种码元，那么我就需要两个频率f1和f2来调制数字0和1，在接受端根据频率f1代表数字0，频率f2代表数字1的道理把模拟信号还原为数字信号。
2.GFSK：
就是在进行FSK调制之前，将原始信号通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度，这样一来可以获得更加紧凑的频谱，也就是过滤掉高频的信号，但是保留了足够的频带能量以便在收端成功恢复信号。
高斯低通滤波器限制了带宽，对基带信号进行了整形，形成高斯脉冲信号
我们团队将重点放在蓝牙模块与单片机的结合上，不必通过单片机编程来实现具体的算法，着重编写使两个模块的接口代码，也就是单片机发送信号时的激励程序，接受外来信号后的处理程序，然后由作为硬件设备的蓝牙来自行处理，已达到我们的目的。
2.2.4单片机与网卡驱动
我们主要研究将RTL8019AS10MISA网卡芯片接入以太网。
选它的好处是：
NE2000兼容，软件移植性好；接口简单不用转换芯片如PCI-ISA桥；带宽充裕（针对51单片机）。
8019有3种配置模式：
跳线方式、即插即用P&P方式、串行Flash配置方式。
其间涉及到的跳线配置模式，它的电路设计参考REALTEK提供的DEMO板图纸，相对来说硬件设计比较简单。
与这部分硬件相对应的软件是网卡驱动。
所谓驱动程序是指一组子程序，它们屏蔽了底层硬件处理细节，同时向上层软件提供硬件无关接口。
驱动程序可以写成子程序嵌入到应用程序里（如DOS下的I/O端口操作和ISR），也可以放在动态链接库里，用到的时候再动态调入以便节省内存。
驱动程序特指实模式下的一组硬件芯片驱动子程序。
从程序员的角度看，8019工作流程非常简单，驱动程序将要发送的数据包按指定格式写入芯片并启动发送命令，8019会自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输。
反之，8019收到物理信号后将其还原成数据，按指定格式存放在芯片RAM中以便主机程序取用
8190寄存器原理图（针对51单片机）：
8019以太网控制器以存储器（16K双口RAM）为核心，本地和远端控制器并发操作。
这种体系结构满足了数据带宽的需要。
8019拥有控制、状态、数据寄存器，通过它们，51单片机可以与8019通信。
系统的硬件设计如下：
此设计以AT89C51基本系统为核心的一套检测控制系统，其中包括温湿度采集模块、液晶显示模块、按键设置模块、串口通讯模块等部分的设计。
本设计由信号采集，信号分析处理、信号显示以及与上位机通讯四个部分组成：
（1）信号采集：
由温湿度传感器完成；
（2）信号分析处理：
由单片机完成；
（3）信号显示：
由液晶LCD,LED和报警电路完成；
（4）与上位机通讯：
由MAX232完成；
2.2.5传感器装置的选型
本系统主要传感器作用是采集车内空气质量指标，因此属于气体传感器的一种，气体传感器是一种可检测气体、有毒气体的传感器，可检测出气体中的一氧化碳、硫化氢以及甲烷等可燃性气体的含量，同时气体传感器还包括酒精检测等其他类型传感器，它的检测方式各不相同，本系统中选用的气体传感器，考虑了车载的便携性、低成本开发理念以及使用可靠、寿命长等因素，选用了较为常见的半导体型器敏气体传感器。
它的工作原理简述如下：
在通常情况下，加热半导体气敏器件到稳定状态，当待检测其他接触到气体接触器件时，检测物质则被气体接触器所吸附，并在接触器件表面进行自由扩散，动能也减少，还有一部分分子被蒸发掉，剩下的那些物质则被热分解固定在了吸附处。
半导体型气敏传感器本身有电阻，但是，当上述的氧化型气体和还原型气体分别吸附与传感器上的N型和P型半导体上时，则整个传感器的电阻会增大，反之，则传感器的载流子将增加，电阻会出现下降的现象。
众所周知，大气中的氧气成分是一定含量的恒定值，但是，当被测气体接触到传感器的接触器件时，由于上述的接触器件表面的吸附作用，便会使得传感器的阻值发生相应的变化，这个变化与被测气体的浓度是相关的，因此便可以通过浓度和阻值的变化关系检测出被测气体中某种物质的浓度了。
2.3拟解决关键问题
2.3.1硬件部分
1.传感器及单片机的选择
在可达到精度要求的原则下，高性价比的选择传感器；单片机高效控制系统工作，错误率在可接受范围。
2.加湿器，空气净化器选择
按照车内空间大小选择合适的加湿净化装置，用体积较小的装置达到预期空气调剂功能，尽量节约车内空间
3.传感器与单片机驱动模块程序编写
各个气体传感器软件与硬件设备很好兼容，综合各个传感器数据合理计算空气污染程度，智能控制空气净化器风机速度；温湿度传感器间歇性控制加湿器，提高设备的工作寿命；对车载换气开关智能控制，在保证车内空气相对健康的原则下，低油耗的控制车载空调换气；远程监测控制模块把单片机整合后的数据可调定时向手机端发送，在车内无人时把车内空气污染程度记录估算，并按设定人入车时间智能快速将车内空气调节到预设标准。
4.蓝牙传感器网络构建
整个蓝牙传感器网络由若干蓝牙传感器节点和监控主机组成，其中，无线传感器节点分布于需要监测的空间四周，执行数据采集、预处理和传输等工作；监控主机放置在中央处理器内，通过蓝牙模块与传感器节点通信。
蓝牙传感器网络模型
为了把信号输入到终端，采用了蓝牙用它组建的传感器网络被称为蓝牙传感器网络。
蓝牙传感器网络模型基于邻近组网的原则，2个彼此靠近到一定程度的蓝牙传感器可以自发地由蓝牙模块建立通信链接。
蓝牙组网时最多可以有256个蓝牙设备单元连接起来组成微微网（Piconet），其中，1
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