基于嵌入式的车内空气质量检测仪的设计与实现*

高丽娜，王晓阳，李昊霖，刘伟丽

（山东农业工程学院，山东 济南 250100）

随着汽车行业的迅猛发展，车内环境污染日益引起人们的重视。车内环境污染主要是汽车内不通风、装修材料释放有害气体等导致。包括塑料脚垫、地毯、座套等，这些装修材料容易污染车内空气，导致车内空气质量降低。据相关调查，一些汽车存在甲醛超标、苯含量超标、二氧化碳超标、二甲苯超标的情况。近年来，PM2.5逐渐进入了人们的视线，PM2.5是指大气中直径≤2.5 µm 的颗粒物，人体无法隔离PM2.5。因此，实时检测车内空气中PM2.5浓度至关重要。基于此，课题小组设计了一款检测汽车内空气质量的便携式检测仪。

1 系统硬件电路设计

1.1 系统硬件的整体设计

目前，市场上的嵌入式单片机种类较多，单片机的功能、内存、速度也都存在一定差异，较为常用的有STM32、51、STC、AVR、PIC、TMS、MSP430 等。在本设计中，结合车内空气质量检测仪消耗低、便携性的特点，选用STM32 单片机，该单片机具有功能强大、功耗成本低、执行指令速度快和性价比高的优点，广泛应用于汽车系统与无线技术等领域[1-3]。本设计的车内空气质量检测仪系统主要包括温湿度检测模块、甲醛检测模块、PM2.5检测模块、STM32 最小系统、液晶显示屏、GSM 模块、语音播报模块、风扇电机模块与太阳能供电模块，能够实时检测车内空气质量，并将检测结果实时显示到液晶屏上，通过短信的方式及时传输到客户的移动端，系统总体框架图如图1 所示。在车内空气质量检测仪的设计中，STM32系统中的芯片完成对整个系统的控制，并提供对外的接口，包括GSM 模块、净化模块、语音播报模块、液晶显示屏等。通过甲醛传感器、温湿度传感器、PM2.5传感器，对车内甲醛浓度、温湿度、PM2.5浓度进行检测，并将采集信号传送到单片机，进行数据处理，由编程序控制器控制本系统的工作过程。

图1 系统总体框架图

1.2 检测系统数据采集模块

1.2.1 温湿度检测模块

本设计采用型号为DHT11 的温湿度传感器，该传感器是数字信号输出，有着性价比高、功耗低、体积小等优点。测量精度范围在20%RH～90%RH、0～50℃，测湿精度为±5%RH，测温精度为±2℃，分辨率为1，是一款集中数字化传感器，传输信号高达20 m，能够满足设计要求[4]，温湿度检测接口电路图如图2所示。

图2 温湿度检测接口电路图

将DHT11 模块连接在STM32 的PG2 引脚上实现数据的处理，温湿度传感器模块的供电电压为3.3 V～5 V，在上电后，为了避免由于不稳定造成的测量误差，需等待1 s 后，再由单片机向传感器发送信号指令[5]。

1.2.2 甲醛浓度检测模块

本设计需要采集车内甲醛浓度数据，使得用户能够及时知道车内甲醛情况，并针对检测的甲醛浓度，开启相应的GSM 短信功能、净化功能。因此，需要选用一款甲醛传感器，检测车内空气中的甲醛。本设计采用ZE08-CH2O 的电化学甲醛传感器，这款甲醛传感器具有体积小、功耗低、精度高的优点，是设计车内空气质量检测仪的优选[6]，甲醛检测接口电路图如图3所示。

图3 甲醛检测接口电路图

1.2.3 PM2.5浓度检测模块

在本设计中，需要检测PM2.5浓度，并将检测到的PM2.5浓度实时显示到液晶屏上，提醒用户车内空气质量情况。因此，需要选用一款PM2.5传感器，检测车内空气中PM2.5情况，经过一系列对比分析，本设计采用GP2Y1014AU 的PM2.5传感器。这款灰尘传感器性价比高，能够检测车内空气中的PM2.5含量，描述车内空气质量等级，常被用于车载空气净化系统中，符合本系统设计要求。GP2Y1014AU 的检测原理简单，传感器中心有洞，让空气流过，通过LED 光对折射光线进行检测，从而得到空气中灰尘情况[7]。GP2Y1014AU 传感器反应速度可达到10 ms，能够检测直径最小为0.8 μm 的粒子。GP2Y1014AU PM2.5接口电路图如图4所示。

图4 GP2Y1014AU PM2.5接口电路图

1.3 液晶显示模块

在本设计中，需要将检测到的温湿度、甲醛浓度、PM2.5浓度实时显示出来，方便用户参考。因此，本设计需要一款液晶显示屏，将检测到的空气质量情况显示出来。经过一系列对比，采用性价比高的OLED 液晶显示屏，这款液晶显示屏有显示图形、汉字、数字与字符的功能，对工作环境要求低。OLED液晶显示屏的电致发光是通过多层薄膜产生的，OLED 相比LCD，更加轻薄、发光效率高、清晰度高、功耗低，符合本设计要求[8]。OLED液晶显示屏接口电路图如图5所示。本设计中，OLED液晶显示屏的时钟线接口SCL 与单片机的PA5 连接，数据线接口SDA 与单片机的PA7连接，GND接地，VCC接3.3 V电源。

图5 OLED 液晶显示屏接口电路图

1.4 GSM模块

当车内有害气体浓度超标时，需要向用户发送短信，及时提醒用户。因此，本设计需要一款GSM 短信通信模块，实现短信发送的通信功能。本系统采用的SIM800A GSM（一款工业级双频GSM/GPRS模块内核的短信模块）进行通信，该模块有着双向传输、性价比高的优点，可支持STM32 单片机通信和DTMF、SMS（短信、彩信）、GPRS 数据的传输，同时具有TTS（本地文本语音播放功能）。当卡座插入SIM 时，可向用户发送信息。GSM 功能完善、接口丰富、工作稳定、抗干扰性强、体积较小，适用于需要短信、语音、GPRS 等多种数据服务的领域，在智能家居、远程监控等领域应用较多[9-10]。单片机通过向GSM 发送指令控制模块，将车内空气质量情况发送到用户移动端。SIM800A GSM模块原理图如图6所示。

图6 SIM800A GSM 模块原理图

1.5 电机驱动模块

在本设计中，当检测车内空气气体浓度超过一定值时，会开启净化功能，通过电机驱动模块控制排风扇，根据车内有害气体的相应浓度，开启不同档位的排风扇，实现对气体的有效吸收。因此，本设计需要采用一款电机驱动模块，控制排风扇的转速。本设计选用型号为L298N 的电机驱动模块，其具有工作电压高、电流大、抗干扰能力强、驱动能力强的优势，被广泛用于驱动直流电机、步进电机，电机驱动模块原理如图7所示[11]。

图7 电机驱动模块原理图

2 系统软件设计

本设计的车内空气质量检测仪能够对车内的甲醛浓度、PM2.5浓度、温湿度进行检测，将检测数据显示到液晶屏上，让车内人员能够及时了解车内空气情况。单片机处理数据，判断是否需要开启净化功能、语音播报功能与短信功能，软件系统框图如图8所示。

图8 软件系统框图

3 总结

基于STM32 单片机设计的车内空气质量检测仪，能够实时测量车内的空气质量，包括温湿度、甲醛浓度与PM2.5浓度，实现检测仪的基本功能，并且当车内气体浓度超标时，能够向用户发送短信提醒，并自动开启净化功能。