面向人体健康的驾驶舱内空气品质监控系统

曹涵捷 刘佩雨 杨翼行 陈敏杰 郑修远

吉林大学 吉林省长春市 130015

1 引言

随着现代工业的发展和人们生活水平的不断提高，汽车在我们生活中扮演的角色越发的不可或缺，它几乎是人们出行的必备工具。根据国家统计局数据，截止2021 年末全国民用汽车保有量约为30151 万辆，可见人们与汽车间联系之密切。但随之而来的问题是在车内比较狭小的空间中因为车内温度过高、饰品材料释放出甲醛等有害气体浓度超标、氧气不足或者汽油燃烧不完全产生的大量一氧化碳倒灌进入车内导致驾乘人员伤亡事故屡见不鲜，车内空气质量问题逐渐成为人们关注的热点话题。如何优化车内空气质量，提高驾乘人员的舒适性和安全性，最大程度上保障驾乘人员的生命安全等问题已经刻不容缓。为此，本文将以车内空气质量为研究方向，以人体健康为出发点，着力实现对车内外空气的准确检测，进而通过预警装置提醒驾驶者，实现对车内空气质量的控制。

2 研究背景

车内空气污染严重危害着人们的人体健康，不少研究学者也对车内空气问题进行了相关研究，王龙、杨晓宇等针对车内传统手持式甲醛检测存在的问题，设计了一种基于IOT 模块的汽车车内甲醛气体实时监测系统；郭云飞认为车内饰品释放甲醛，苯系蒸汽等有害气体浓度在空间狭小的车内很容易超标，提出基于AT89C52 单片机的车内有害气体本地监测设计方案；刁欣炜、黄冰逸等针对密闭车内可能存在的缺氧和汽油燃烧不完全产生的大量一氧化碳倒灌进入车内的情况，设置传感器实时监测车内二氧化碳和一氧化碳浓度。以上研究都对车内存在的有害气体问题进行了分析，提出监测车内空气质量的方法，但是上述研究仍缺少对汽车驾驶舱内空气品质的全面分析，且并未实现真正实用便携的可实时监测的预警系统。

本文提出的系统将对现有研究进行改进，监测、预警结合控制三位一体，能够更好地预防车内空气污染并解决已产生污染的问题，从而更有效地保障驾驶员的身体健康。本项目就是面向人体健康的汽车驾驶舱空气品质监测-预警-控制系统，着力点在于直观呈现监测结果、及时并精确预警、合理进行控制或者利用大数据向车主提出建议，以更好地实现保障车主健康的目的。

3 系统设计方案

3.1 汽车内外空气实验

首先对驾驶舱内气体进行分析监测，选取几款经典车型进行实验，测定车内外对人体有害物质含量。在得到不同车型驾驶舱内有害物质的含量报告后，通过分析有害物质含量以及对人体危害程度的严重性，选取主要的有害物质进行研究。

1.实验时间

为使实验结果尽量全面，本项目分别在冬天和夏天的早晨、正午和晚上进行试验。

2.实验地点

车内选择平常的私家车、公交汽车和载货卡车，车外则选择距离这些车辆的周围五米之内。

3.实验方式

直接利用空气含量测试仪进行具体数据的测量。

4.实验数据的测量(表1)

表1

5.实验结论

根据上述实验数据显示，CO 的变化程度最大。且据世界卫生组织(WHO)的统计,每年因为车内一氧化碳中毒致死人员达9700 多人，在夏天和冬天,密闭的驾驶舱内里长时间使用空调易导致一氧化碳中毒。因此，选择CO 作为本系统的主要研究对象。

3.2 单片机系统设计

本系统由STC89C52 单片机、MQ-7 一氧化碳传感器、A/D 转换芯片ADC0832、指示灯、蜂鸣器、1602 液晶显示屏组成。

1.传感器转换模块

本文采用MQ-7 气体传感器，这种气体传感器对一氧化碳的灵敏度高，可检测多种含一氧化碳的气体，其检测浓度为10-1000ppm，是一款适合多种应用的低成本传感器。具有双路信号输出功能，6 针管脚，4 个用于信号输出，2 个用于提供加热电流。放大电路也集成在MQ-7 气体传感器中，传感器把气体浓度的变化转化为电信号的变化,放大电路对模拟信号进行放大。

2.控制模块

控制模块为设计的核心,它主要起到控制其他芯片工作的作用,没有它的控制,各个模块之间就无法正常工作。本设计采用STC 公司的STC89C52 单片机作为主控制芯片,此单片机具有4 组8 位I/O 口(DIP-40 封装),3 个16位定时/计数器,8 个中断源,8KBFlash 程序存储器,512Byte 片内RAM 数据存储器,一个全双工串行通信接口。STC 单片机性价比高,功能多,抗干扰能力很强,串口编程很方便,保密性很强。原理图如图1。

图1 处理器模块原理图

3.A/D 模数转换模块

A/D 转换芯片ADC0832 是8 位分辨率的A/D 转换芯片，最高分辨可达256 级。它的内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5V 之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，能够减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

图2 单片机对ADC0832 控制原理

4.单片机系统整体方案

（1）本系统的设计原理如图3 所示。MQ-7 气体传感器连接ADC0832 数模转换器的CH0 引脚。一氧化碳的浓度变化会导致气敏材料的电导率发生变化，从而实现了检测气体信号与电信号之间的转换。

图3 单片机系统设计原理图

（2）ADC0832 的DO 与DI 端因为在通信时不可同时有效，因此设计时将DO 与DI端并联在同一根数据线上连接单片机的P2.2引脚。如图4 所示，根据ADC0832 转换的串行协议，在第2、3个脉冲下沉之前DI端输入1，0 信号，选择CH0 进行单通道转换。并在后8 个时钟脉冲中获得由对应电压值转换的8 位二进制数据。

图4

(3)如图5 所示，气体浓度与气敏电阻呈线性变换，又气敏电阻与电压呈线性变化，得CO 的模数转化公式：

图5

其中CO 为一氧化碳测量值，U 为单片机读取到的二进制数据，n为二进制数的位数，COmax与COmin为实际上传感器的检测浓度最大值与最小值。

(4)误差处理：由于环境外部因素（温度、湿度等），会导致在实际操作过程中，存在不可避免的正误差，由图4 图像得到当CO浓度为0 时误差值。

计算CO 的准确值：

其中CO 准确为得到的一氧化碳准确值，CO 为一氧化碳测量值，为系统误差。

(5)液晶显示：

由图3 所示，单片机获取到CO 数据后通过引脚P0.0-P0.7 传输数据到LCD1602模块进行数据更新，并液晶显示当前测量的浓度与危险阈值浓度。

(6)声光报警：

使用者可以通过单片机上两个按键开关来设置报警阈值，若CO 浓度高于已设置的报警阈值，则蜂鸣器和指示灯发出声光报警，直到检测到CO 浓度低于报警阈值才停止。

3.3 APP 设计

（1）APP 的设计方案：

如图6 所示，app 设置有五个功能，分别为连接、保存、发送、清空、退出。

图6

（2）蓝牙建立连接功能：

a、打开蓝牙

b、查找附近已配对或可用设备

c、连接设备

d、设备间数据交互，获取到来自单片机的测量浓度与报警浓度后，在APP 页面上显示，若测量值大于报警阈值，则发出警告并给出建议

（3）保存功能：将单片机传来的数据保存在SD 卡中。

（4）发送功能：将输入的数据通过蓝牙串口通信发送给单片机。

（5）清空功能：将APP 中的显示内容清除。

（6）退出功能：断开蓝牙连接，退出APP。

4 结论

文章以保障人体健康为出发点，对现有的驾驶舱内空气质量监控系统加以优化，提出了一种新型的监测预警系统。本系统实现了驾驶舱内有害气体监测APP 的设计，解决了现有系统中对车主反馈的信息与解决方式结合不够完善、考虑因素不够全面的问题，综合升级完善了现有系统，提高了驾驶人及乘员的安全性与舒适度。但是，本文在监测与预警车内有害气体方面还并不全面，对该方案的设计并不细致，如何更好控制驾驶舱内的空气质量、提出更加智能的建议需要更深入的研究，从而来建立最优的驾驶舱内空气质量的监控系统，来保障驾乘人员的身体健康。