基于单片机的汽车尾气检测系统设计开题报告

一、选题背景与意义（300字左右）

日常生活中汽车尾气随处排放，汽车尾气对城市大气环境的危害日益加剧。因此，快速，有效的检测汽车尾气的成分和含量对控制汽车尾气的排放以及改善城市大气环境具有重要的现实意义。然而，由于技术条件的限制，目前国内主要采用年检方式对汽车尾气排放情况进行检测，不能在实际路况上对汽车尾气进行检测，汽车实际运行时其尾气所含的污染物不能及时掌握，从而无法及时有效地控制汽车的尾气污染。

本设计基于用单片机主控芯片，例如STC89C52，利用电化学传感器采集尾气信号，数据采集系统通过测量电阻应变片输出的形变信号获得相应的电压数据，测量出尾气成分和含量，使用LCD1602显示元件来反应所测量的数据，方便掌握汽车的尾气排放情况。同时通过蜂鸣器来反应所测量的质量是否在所测量的范围之类，本系统设计简单、成本低，具有一定的实用性。

三、文献综述（或调研报告）（1200字左右）

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可以使其动脉血管内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，不仅使室外能见度降低，而且内部含有大量的有毒致癌物,被人体的肺部吸入后，致使肺内部环境被破坏，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。

所以本设计中的气体检测主要针对汽车尾气中CO跟PM2.5，这两种对人体危害较大的物质进行检测。市面上比较常用的传感器也有多种测量值集成的比如温度与湿度就有很多的集成传感器，但是特殊气体的基本没有，很多产品能测量出多种气体含量是集成了多种气体传感器 这个也很常见，比如下列传感器：

1、温湿度；

2、CO2（用处：控制通风设备或者手动开窗）；

3、CO（用处：可燃气体报警比如甲烷）；

4、PM2.5（用处：检测微径低于2.5微米的固体颗粒）， PM10（用处：室内外对比决定是否通风）；

5、VOC（用处：刺激性气体决定是否通风包含甲醛）；

等多种传感器。PM2.5可以由硫和氮的氧化物转化而成。CO主要是燃料的不充分燃烧产生了这种有毒气体。而这些气体污染物往往是人类对化石燃料（煤、石油等）和垃圾的燃烧造成的。

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。如下图1所示：

图1 MQ-2传感器结构图

在选择传感器上本设计中采用MQ-2传感器检测CO的浓度，此传感器测量范围广，且可以对甲烷、丙烷、丁烷等物质进行测量，在此设计中只使用了测量CO的浓度测量。测量范围在100PPM-10000PPM之间。利用气体的一些属性来改变传感器内部测量的金属电阻，通过AD转换实现测量气体的浓度显示。MQ-2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。

当然汽车排放尾气中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。如图2所示：

图2 粉尘传感器回路图

在测量PM2.5的浓度，采用日本夏普公司灰尘传感器GP2Y1010AU，，可以用来测量0.8微米以下的微小粒子，可用于室内环境中烟气、粉尘、花粉等浓度的检测。此款产品不但可以检测出单位体积粒子的绝对个数，而且内置气流发生器，可以自行吸入外部空气。灰尘传感器GP2Y1010AU安装保养方便，使用寿命长，精度高，稳定性好。其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光，即使非常细小的如烟草烟雾颗粒也能够被检测到，通常在空气净化系统中应用。该传感器具有非常低的电流消耗（最大20mA，典型值11mA），可使用高达7VDC。该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓成正比。

[1]张靖，刘少强．检测技术与系统设计[M]．北京：中国电力出版社，2002．

[2]马忠梅等．单片机的C语言应用程序设计（第3版）[M] ．北京：北京航空航天大学出版社，2003．

[3]康光华．电子技术基础（第四版）[M] ．北京：高等教育出版社，2001．

[4]余成波．传感器与自动检测技术[[M]．北京：高等教育出版社，2006．

[5]张虹．汽车尾气检测技术研究[D] ．青岛：山东科技大学硕士学位论文，2006．

[6]郝文良，王程，田丽伟，朱向冰．基于单片机的汽车尾气检测系统[J] ．微型机与应用，2014（17）：98-102．

[7]黄奇兰,王海棠,刘尚.基于P89C668微处理器的汽车尾气检测系统[R].电子技术, 2007.5.

[8]方杨.基于国Ⅲ标准的汽车尾气检测分析系统[D].杭州 ：浙江大学,2008.

四、方案（设计方案、研制方案、研究方案）论证（不少于100字）

本设计提出的检测空气质量PM2.5的方案最基本的实现方法是由单片机、粉尘检测传感器、显示模块、报警模块等组成的电路， GP2Y1010AU0F粉尘传感器采集空气中PM2.5的浓度值，经过STC89C51单片机处理后，在LCD1602液晶上显示，并通过LED和蜂鸣器提示浓度状态。

图3 系统总体框图

图4 程序流程图

五、工作计划（不少于300字）

第 1 周接受任务书，领会课题含义，按要求查找相关资料；

第 2 周阅读相关资料，理解有关内容；

第 3 周翻译相关英文资料，提出拟完成本课题的方案，写出相关开题报告一份；

第 4 周参阅有关资料，确定尾气检测器件，主控芯片，分析信号输入电路工作原理；设计系统组成原理框图；

第 5 周设计信号输入、信号处理、显示模块的电路参数；绘制电路原理图；

第 6 周确定并绘制单片机系统电路，设计单片机扩展电路；完成中期检查；

第 7 周搭建、焊接硬件电路，对硬件部分进行测试；

第 8 周理解各模块的关系，设计控制软件框图；

第 9 周设计软件程序，完善软硬件设计；

第10周软硬件联调/软件调试；整理资料，准备撰写论文；

第11周修改、完善并提交毕业论文；

第12周评阅教师评阅论文，学生根据指导意见修改论文；验收实物成果，接受答辩资格审查；

第13周毕业设计答辩及成绩评定。