面向人體健康的駕駛艙內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)

曹涵捷 劉佩雨 楊翼行 陳敏杰 鄭修遠

吉林大學 吉林省長春市 130015

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，汽車在我們生活中扮演的角色越發(fā)的不可或缺，它幾乎是人們出行的必備工具。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，截止2021 年末全國民用汽車保有量約為30151 萬輛，可見人們與汽車間聯(lián)系之密切。但隨之而來的問題是在車內(nèi)比較狹小的空間中因為車內(nèi)溫度過高、飾品材料釋放出甲醛等有害氣體濃度超標、氧氣不足或者汽油燃燒不完全產(chǎn)生的大量一氧化碳倒灌進入車內(nèi)導致駕乘人員傷亡事故屢見不鮮，車內(nèi)空氣質(zhì)量問題逐漸成為人們關注的熱點話題。如何優(yōu)化車內(nèi)空氣質(zhì)量，提高駕乘人員的舒適性和安全性，最大程度上保障駕乘人員的生命安全等問題已經(jīng)刻不容緩。為此，本文將以車內(nèi)空氣質(zhì)量為研究方向，以人體健康為出發(fā)點，著力實現(xiàn)對車內(nèi)外空氣的準確檢測，進而通過預警裝置提醒駕駛者，實現(xiàn)對車內(nèi)空氣質(zhì)量的控制。

2 研究背景

車內(nèi)空氣污染嚴重危害著人們的人體健康，不少研究學者也對車內(nèi)空氣問題進行了相關研究，王龍、楊曉宇等針對車內(nèi)傳統(tǒng)手持式甲醛檢測存在的問題，設計了一種基于IOT 模塊的汽車車內(nèi)甲醛氣體實時監(jiān)測系統(tǒng)；郭云飛認為車內(nèi)飾品釋放甲醛，苯系蒸汽等有害氣體濃度在空間狹小的車內(nèi)很容易超標，提出基于AT89C52 單片機的車內(nèi)有害氣體本地監(jiān)測設計方案；刁欣煒、黃冰逸等針對密閉車內(nèi)可能存在的缺氧和汽油燃燒不完全產(chǎn)生的大量一氧化碳倒灌進入車內(nèi)的情況，設置傳感器實時監(jiān)測車內(nèi)二氧化碳和一氧化碳濃度。以上研究都對車內(nèi)存在的有害氣體問題進行了分析，提出監(jiān)測車內(nèi)空氣質(zhì)量的方法，但是上述研究仍缺少對汽車駕駛艙內(nèi)空氣品質(zhì)的全面分析，且并未實現(xiàn)真正實用便攜的可實時監(jiān)測的預警系統(tǒng)。

本文提出的系統(tǒng)將對現(xiàn)有研究進行改進，監(jiān)測、預警結(jié)合控制三位一體，能夠更好地預防車內(nèi)空氣污染并解決已產(chǎn)生污染的問題，從而更有效地保障駕駛員的身體健康。本項目就是面向人體健康的汽車駕駛艙空氣品質(zhì)監(jiān)測-預警-控制系統(tǒng)，著力點在于直觀呈現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果、及時并精確預警、合理進行控制或者利用大數(shù)據(jù)向車主提出建議，以更好地實現(xiàn)保障車主健康的目的。

3 系統(tǒng)設計方案

3.1 汽車內(nèi)外空氣實驗

首先對駕駛艙內(nèi)氣體進行分析監(jiān)測，選取幾款經(jīng)典車型進行實驗，測定車內(nèi)外對人體有害物質(zhì)含量。在得到不同車型駕駛艙內(nèi)有害物質(zhì)的含量報告后，通過分析有害物質(zhì)含量以及對人體危害程度的嚴重性，選取主要的有害物質(zhì)進行研究。

1.實驗時間

為使實驗結(jié)果盡量全面，本項目分別在冬天和夏天的早晨、正午和晚上進行試驗。

2.實驗地點

車內(nèi)選擇平常的私家車、公交汽車和載貨卡車，車外則選擇距離這些車輛的周圍五米之內(nèi)。

3.實驗方式

直接利用空氣含量測試儀進行具體數(shù)據(jù)的測量。

4.實驗數(shù)據(jù)的測量(表1)

表1

5.實驗結(jié)論

根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)顯示，CO 的變化程度最大。且據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)的統(tǒng)計,每年因為車內(nèi)一氧化碳中毒致死人員達9700 多人，在夏天和冬天,密閉的駕駛艙內(nèi)里長時間使用空調(diào)易導致一氧化碳中毒。因此，選擇CO 作為本系統(tǒng)的主要研究對象。

3.2 單片機系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)由STC89C52 單片機、MQ-7 一氧化碳傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADC0832、指示燈、蜂鳴器、1602 液晶顯示屏組成。

1.傳感器轉(zhuǎn)換模塊

本文采用MQ-7 氣體傳感器，這種氣體傳感器對一氧化碳的靈敏度高，可檢測多種含一氧化碳的氣體，其檢測濃度為10-1000ppm，是一款適合多種應用的低成本傳感器。具有雙路信號輸出功能，6 針管腳，4 個用于信號輸出，2 個用于提供加熱電流。放大電路也集成在MQ-7 氣體傳感器中，傳感器把氣體濃度的變化轉(zhuǎn)化為電信號的變化,放大電路對模擬信號進行放大。

2.控制模塊

控制模塊為設計的核心,它主要起到控制其他芯片工作的作用,沒有它的控制,各個模塊之間就無法正常工作。本設計采用STC 公司的STC89C52 單片機作為主控制芯片,此單片機具有4 組8 位I/O 口(DIP-40 封裝),3 個16位定時/計數(shù)器,8 個中斷源,8KBFlash 程序存儲器,512Byte 片內(nèi)RAM 數(shù)據(jù)存儲器,一個全雙工串行通信接口。STC 單片機性價比高,功能多,抗干擾能力很強,串口編程很方便,保密性很強。原理圖如圖1。

圖1 處理器模塊原理圖

3.A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADC0832 是8 位分辨率的A/D 轉(zhuǎn)換芯片，最高分辨可達256 級。它的內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V 之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，能夠減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。

圖2 單片機對ADC0832 控制原理

4.單片機系統(tǒng)整體方案

（1）本系統(tǒng)的設計原理如圖3 所示。MQ-7 氣體傳感器連接ADC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的CH0 引腳。一氧化碳的濃度變化會導致氣敏材料的電導率發(fā)生變化，從而實現(xiàn)了檢測氣體信號與電信號之間的轉(zhuǎn)換。

圖3 單片機系統(tǒng)設計原理圖

（2）ADC0832 的DO 與DI 端因為在通信時不可同時有效，因此設計時將DO 與DI端并聯(lián)在同一根數(shù)據(jù)線上連接單片機的P2.2引腳。如圖4 所示，根據(jù)ADC0832 轉(zhuǎn)換的串行協(xié)議，在第2、3個脈沖下沉之前DI端輸入1，0 信號，選擇CH0 進行單通道轉(zhuǎn)換。并在后8 個時鐘脈沖中獲得由對應電壓值轉(zhuǎn)換的8 位二進制數(shù)據(jù)。

圖4

(3)如圖5 所示，氣體濃度與氣敏電阻呈線性變換，又氣敏電阻與電壓呈線性變化，得CO 的模數(shù)轉(zhuǎn)化公式：

圖5

其中CO 為一氧化碳測量值，U 為單片機讀取到的二進制數(shù)據(jù)，n為二進制數(shù)的位數(shù)，COmax與COmin為實際上傳感器的檢測濃度最大值與最小值。

(4)誤差處理：由于環(huán)境外部因素（溫度、濕度等），會導致在實際操作過程中，存在不可避免的正誤差，由圖4 圖像得到當CO濃度為0 時誤差值。

計算CO 的準確值：

其中CO 準確為得到的一氧化碳準確值，CO 為一氧化碳測量值，為系統(tǒng)誤差。

(5)液晶顯示：

由圖3 所示，單片機獲取到CO 數(shù)據(jù)后通過引腳P0.0-P0.7 傳輸數(shù)據(jù)到LCD1602模塊進行數(shù)據(jù)更新，并液晶顯示當前測量的濃度與危險閾值濃度。

(6)聲光報警：

使用者可以通過單片機上兩個按鍵開關來設置報警閾值，若CO 濃度高于已設置的報警閾值，則蜂鳴器和指示燈發(fā)出聲光報警，直到檢測到CO 濃度低于報警閾值才停止。

3.3 APP 設計

（1）APP 的設計方案：

如圖6 所示，app 設置有五個功能，分別為連接、保存、發(fā)送、清空、退出。

圖6

（2）藍牙建立連接功能：

a、打開藍牙

b、查找附近已配對或可用設備

c、連接設備

d、設備間數(shù)據(jù)交互，獲取到來自單片機的測量濃度與報警濃度后，在APP 頁面上顯示，若測量值大于報警閾值，則發(fā)出警告并給出建議

（3）保存功能：將單片機傳來的數(shù)據(jù)保存在SD 卡中。

（4）發(fā)送功能：將輸入的數(shù)據(jù)通過藍牙串口通信發(fā)送給單片機。

（5）清空功能：將APP 中的顯示內(nèi)容清除。

（6）退出功能：斷開藍牙連接，退出APP。

4 結(jié)論

文章以保障人體健康為出發(fā)點，對現(xiàn)有的駕駛艙內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)加以優(yōu)化，提出了一種新型的監(jiān)測預警系統(tǒng)。本系統(tǒng)實現(xiàn)了駕駛艙內(nèi)有害氣體監(jiān)測APP 的設計，解決了現(xiàn)有系統(tǒng)中對車主反饋的信息與解決方式結(jié)合不夠完善、考慮因素不夠全面的問題，綜合升級完善了現(xiàn)有系統(tǒng)，提高了駕駛?cè)思俺藛T的安全性與舒適度。但是，本文在監(jiān)測與預警車內(nèi)有害氣體方面還并不全面，對該方案的設計并不細致，如何更好控制駕駛艙內(nèi)的空氣質(zhì)量、提出更加智能的建議需要更深入的研究，從而來建立最優(yōu)的駕駛艙內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)控系統(tǒng)，來保障駕乘人員的身體健康。