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1、. . .基于单片机的汽车尾气检测系统的设计毕业论文 目 录1 绪论11.1课题背景和研究意义11.2课题研究容22 系统总体设计方案32.1系统设计思路32.2系统实现主要功能33 硬件电路设计53.1 CO检测模块设计53.1.1 MQ-2传感器简介53.1.2 CO检测模块硬件电路63.2 PM2.5检测模块设计73.2.1粉尘传感器简介73.2.2颗粒检测模块硬件电路93.3显示模块设计93.3.1显示模块简介93.3.2显示模块硬件设计103.4无线发射接收模块设计113.4.1无线发射接收模块简介113.4.2无线发射接收模块硬件电路123.5主控制电路设计133.5.1单片机简介
2、133.5.2单片机外围电路133.6 报警模块的设计143.7 按键模块的设计143.8 系统整体设计原理图154 系统软件设计164.1系统主程序流程图164.2系统中的子程序设计175 仿真与调试205.1 Proteus软件简介205.2 系统的仿真与调试206 实物的制作与调试226.1 实物制作226.2 调试247 结论25参考文献26附 录27致 谢70.参考资料. . .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
3、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
4、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
5、，不仅使室外能见度降低，而且部含有大量的有毒致癌物,被人体的肺部吸入后，致使肺部环境被破坏，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，根据这些意见市自2013年2月1日起，经国务院批准成为国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
6、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，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。中低档汽车自带的尾气检测装置不够先进，不能在汽车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
7、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 课题研究容本课题研究容为以单片机(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
8、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
9、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。电源无线单片机报警指示蜂鸣报警LED指示无线单片机数据采集时钟复位显示模块CO采集按键模块PM2.5采集电源 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L
10、CD1602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
11、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3.1 CO检测模块设计3.1.1 MQ-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，在这个围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部有可以进行调节的负载电阻，正常工作温度
12、下，此传感器加热电阻阻值在31左右，其部加热电阻功耗小于等于900mW，它部回路标准工作电压（AC或DC）在小于等于15V围,其部加热电压（AC或DC）在5.0V0.2V的围。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5，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
13、电极、镍合金加热器等部件在一个不锈钢腔里被固定。 图3-2 MQ-2传感器结构图A图3-3 MQ-2传感器结构图B3.1.2.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3-4 MQ-2模块与单片机接线图3.2 PM2.5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
14、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
15、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0x010x010xe00x000x7a0x5b0xff4)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
