基于单片机的汽车尾气检测系统的设计

基于单片机的汽车尾气检测系统的设计内容摘要：

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 21所示。 1. 数据采集模块 2. 报警模块 图 21 总体结构框 图 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内设计有显示模块、传感器检测模块、单片机最小系统模 块 、按键选择模块、 电源模块无线发射模块。 报警端内设计包括 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 LCD1602 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 MQ2 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 固体颗粒物。 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 采集 电源 天津天狮学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 4 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 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 给 NRF24L01 无线发射、无线接收端提供。 无线 收发 模块：采用 NRF24L01 无线模块进行报警信号的无线传输。 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。 天津天狮学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 5 3 硬件电路设计 CO 检测模块设计 MQ2 传感器简介 设计中采用 MQ2传感器检测 CO浓度，此传感器具有灵敏度高、响应恢复迅速、探测范围广、稳定性能好、使用寿命长、驱动电路简单等特点，适用于工厂或家庭内的气体检测。 MQ2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％，在这个范围内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内部有可以进行调节的负载电阻，正常工作温度下，此传感器内加热电阻阻值在 31Ω左右，其内部加热电阻功耗小于等于 900mW，它内部回路标准工作电压（ AC 或 DC）在小于等于 15V 范围内 ,其内部加热电压（ AC或 DC）在 177。 的范围内。 MQ2 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浓度探测范围在 100PPM1000PPM 之间。 灵敏度特性曲线如图 31 所示， 曲线图中当温度为 20℃时， MQ2 传感器中电阻值 RL 为 5Ω， 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 31灵敏度特性曲线图 天津天狮学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 6 MQ2 传感器敏感层、金属测量电极、镍合金加热器等部件在一个不锈钢腔里被固定。 图 32 MQ2传感器结构图 A 图 33 MQ2传感器结构图 B 检测模块硬件电路 MQ2 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。 MQ2 模块用于检测 CO浓度。 MQ2 模块与单片机接线设计如图 34 所示 图 34 MQ2模块与单片机接线图 天津天狮学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 7 检测模块设计 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 固体颗粒物进行检测。 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气中 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 35检测粉尘颗粒物示意图 GP2Y1050AUOF 粉尘传感器内部回路图如图 36 所示。 图 36粉尘传感器回路图 天津天狮学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 8 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) 数据发送的格式如表 31 所示： 表 31数据发送的格式 起始位 Vout(H) Vout(L) Vref(H) Vref(L) 校验位 结束位 0x01 0x01 0xe0 0x00 0x7a 0x5b 0xff 4)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 37 所示： 图 37粉尘浓度值 和传感器电压值 Vo之间线性换算关系图 天津天狮学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 9 颗粒检测模块硬件电路 对 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 接口相连、传感器的 TXD与单片 机的 RXD 相连。 图 38 显示模块设计 显示模块简介 LCD1602 液晶显示屏是字符型显示屏模块，显示容量为 16 2 个字符，专门用于对字母数字等点阵型显示，但不能显示图形。 该模块的工作电流为 ,最佳工作电压为。 显示屏对比度可以调节 ,显示模块提供光标闪烁与清屏等指令。 外形尺寸如图 39 图 39显示模块外形尺寸图 天津天狮学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 10 表 32器件引脚 引脚号 引脚名 电平 输入 /输出 作用 1 GND 电源地 2 Vcc 电源（ +5v） 3 Vee 对比调整电压 4 Rs 0/1 输入 0=输入指令 1=输入数据 5 R/W 0/1 输入 0=向 LCD 写入指令或数据 1=从 LCD 读取信息 6 E 1,1→ 0 输入 使能信号， 1 时读取信息， 1→（下降沿）执行指令 7 DB0 0/1 输入 /输出 数据总线 line0（最低位） 8 DB1 0/1 输入 /输出 数据总线 line1 9 DB2 0/1 输入 /输出 line2 10 DB3 0/1 输入 /输出 line3 11 DB4 0/1 输入 /输出 line4 12 DB5 0/1 输入 /输出 line5 13 DB6 0/1 输入 /输出 line6 14 DB7 0/1 输入 /输出 line7（最高位） 15 A +Vcc LCD 背光电源正极 16 K 接地 LCD 背光电源负极 显示模块硬件设计 液晶显示屏的引脚 7 到引脚 15 分别与单片机 接口至 接口相连，引脚 6 与单片机的 接口相连，引脚 5与单片机的 接口相连，引脚 4 与单片机的 接口相连，引脚 2 接 5V 电源，引脚 1接地，引脚 3（ VO）接滑动变阻器。 显示模块与单片机硬件接线图 如图 310所示： 天津天狮学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 11 图 310液晶显示屏与单片机的硬件接线图 无线发射接收模块设计 无线发射接收模块简介 NRF24L01 无线发射接收芯片 如图 311 所示 ： 图 311无线收发芯片图 NRF24L01 芯片引脚说明如表 33 所示 ： 天津天狮学院 2020 届本科生毕业设计（论文） 12 表 33 NRF24L01芯片引脚说明 NRF24L01 型无线收发模块属于单片射频收发型元件 ,厂家设定的波特率初始值为 9600HZ，在后期使用中还可以在 2400HZ2500HZ 之间选择，无线发射中工作电流为 9mA。 元件内置晶振、有功率放大器等，在单片机控制此无线芯片的程序中可以对通信频道等进行设置。 该芯片还有 掉电模式与空闲模式 两种低功率工作模式，使用时可选择 工作模式进行工作 ， 达到 节能 的目的。 无线发射接收模块硬件电路 NRF24L01 发送模块硬件接 线图、 接收 模块硬件图设计如图 312所示 图 312NRF24L01发送接受模块硬件接线图 通过无线发射模块发出报警信号，在报警端接 收 报警信号。 因为 NRF24L01 模块所需电压为 ，在电路中只有 5V 电压，所以需要一个 电压转换模块。 该模块有一个输入两个输出端，图中电容 C6 和 C7 大小均为。