基于微控制器的车载空气检测净化智能车载空气检测与净化系统.doc
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1、目录l 一、立项依据3l 1.1立项背景与现状分析3l 1.1.1 立项背景3l 1.1.2 现状分析4 l 1.2 市场前景 5l 1.3 已有实践基础6l 1.4 团队及成员优势6l 二、研究目标、内容、项目亮点和待解决的关键问题l 2.1 研究目标 2.1.1阶段目标. 2.1.2总体设计介绍.l 2.2 研究内容及设计方案12l 2.2.1单片机12l 2.2.2 13l 2.2.3.14.l 2.3拟解决的关键问题15l 2.3.1 18l 2.3.2 19l 三、拟采取的研究方法和可行性分析20l 四、预期效果与具体成果19l 五、具体安排及进度20l 六、经费预算20l 七、参考
2、文献21一、立项依据1.1立项背景与现状分析1.1.1 立项背景轿车空调作为一种舒适性空调,不仅是人民生活水平提高的标志,也是提高轿车市场竞争能力的重要手段。2004年,中国科协启动首次中国汽车内环境污染情况调查,1175辆样本车中,全部检测项目达标的只有52辆,其中新车甲醛超标的,占23.4%。2012年9月中300名车主集体投诉奔驰汽车甲醛超标4倍事件,2012年9月,一份“健康汽车检测报告”表明11款主流车型可能存在致癌风险,此次检测选取了市场上在售的32个品牌,44款车型作为检测对象,报告显示,11款主流车型内饰中的致癌物多环芳烃含量超标。2012年9月18日至9月20日盖世汽车网联合
3、21世纪经济报道,围绕车内空气质量展开了为期三天的在线调查,982位被调查者中,52%的被调查者认为90%以上的车型都存在空气污染,可能损害人体健康。同时,湿度大小又是体现空气质量的重要参数,空气中相对湿度的大小会对环境中的人和物产生相应的影响。当车内空气比较干燥,灰尘,悬浮颗粒物污染严重超标,病菌容易迅速传播,处于这种环境中,人们易感冒,皮肤过敏,集体免疫力下降,同时体内水分也加速流失,皮肤变得很干燥,因此,车内空气的净化和加湿显得尤为必要。车内空气参数主要是指汽车室内的温度,相对湿度,流动速度,空气的含尘量,CO2的含量,壁面温度等。手动控制的空调系统无法根据室外空气温度,太阳辐射强度,车
4、速,发动机热负荷以及室内人体散热等因素的变化及时地对汽车内的空气状况进行调节,控制质量也不太理想,并且手动控制需要驾驶员人工操作,这显然增加了驾驶员的工作量。在2014国际消费电子产品展览会(CES)上,汽车类手机应用软件(车载APP)吸引了众多参观者的眼球,将移动设备与车载系统协同已成为一种趋势。由于智能手机的广泛应用,人们接受并熟悉APP。车载电子平台为汽车与移动互联网的结合找到一条更简单实用的通道,去填补客户数字化生活中的缺口。而随着智能手机的普及,智能手机有比传统超控面板或者遥控器友好的人机对话界面,空气净化器状态反馈功能,智能手机可现实现在的空气污染状况和主要污染物,空气清洁效果实时
5、显示等信息,方便用户直接看到净化器的工作效果,用户通过APP,即使不在车里,也可以借助网络通过操控软件,来看车内空气净化器的相关工作状态,空气环境质量。因此,实现用手机控制汽车空调系统自动调节和净化空气是我们本次课题重点研究项目。1.1.2现状分析国内汽车空调产业起步晚,存在散、乱、差的格局。汽车空调厂家的设计力量不足,技术落后。就国内几家主要汽车空调厂而言,仍处于仿制国外空调系统的阶段。设计软件虽然也引进了UG,Catia等三维造型软件,但软件的利用率不高,设计人员基本上没有蒸发器、暖风机和鼓风机的全新开发设计能力。下面,我们就本次项目主要研究的几个方面展开论述。(1).净化技术的现状滤网式
6、空气净化器可以有效净化悬浮物和少部分有害物质,但对臭味异味、病原菌、病毒、微生物及装饰装修造成的空气污染根本无法消除。 目前我们应用到的车载空调的净化主要分为滤网式普通车厢空气净化器、静电集尘式空气净化器、臭氧车厢空气净化器、负离子式车厢空气净化器、光触媒产品等。而且各种车厢空气净化器各有其优缺点。静电集尘式空气净化器无法吸附消除臭味、无法分解有毒化学气体、需与其它器材配合才行,滤网效率会随时间递减。相当于滤网过滤空气的60%效能。需经常清洗集尘板以恢复其效率,故维修费用比较高。臭氧空气净化器在消毒的同时,对其他物体有着氧化作用,尤其对橡胶和塑料制品。高效HEPA过滤网可以过滤掉99.9%以上
7、的尘埃微粒、花粉、细微毛发、螨虫尸体、烟雾等,另外吸入适量的臭氧对人预防流行性感冒、肺炎、鼻炎、哮喘等呼吸道疾病也有帮助。光触媒产品自身又无毒无害无味,不会像有的空气净化产品本身还会带来副作用,而且携带、操作方便。实际应用当中也有很多的实例:比如说非典盛行期间,台湾政府办公楼就用光触媒进行了处理 负离子式空气净化器属于复合型。同上功能:高效HEPA过滤网可以过滤掉99.9%以上的尘埃微粒、花粉、细微毛发、螨虫尸体、烟雾等,另外吸入适量的臭氧对人预防流行性感冒、肺炎、鼻炎、哮喘等呼吸道疾病也有帮助。(2).APP技术应用现状随着互联网的兴起,越来越多的互联网企业,电商平台将APP作为销售的主战场
8、之一,数据表明,目前APP给手机电商带来的流量远远超过了传统互联网(PC端)的流量,各大电商平台向移动APP的倾斜也是十分明显的,原因不仅是每天增加的流量更重要的是由于手机移动终端的便捷,为企业积累了更多的用户,更有一些用户体验不错的APP使得用户的忠诚度,活跃度都得以了很大程度的提升,为企业的创收和未来的发展起到了关键性作用。综上由此可见,我国的车载空调应用技术还没有达到理想的状态,随着消费者对其要求的提高,我们要与现实生活问题相结合,解决目前环境污染对人体的伤害问题及增加人们的方便性,结合高端智能技术,创建APP与车载空调相连接,使人们能够事先得知车内的空气质量指数,空气湿度,从而及时进行
9、控制调整车内环境,使驾驶员与乘客都有一个健康良好的环境。1.2市场前景近年来我国汽车数量急剧增加,根据中国国家汽车行业“十五”规划研究组预测:2005年和2010年轿车保有量将分别达到843869万辆和14231543万辆,轿车需求量110121万辆和193220万辆。到2020年,我国轿车保有量将达到1亿辆。我国于2012年3月正式实施乘用车内空气质量评价指南。乘用车内空气质量评价指南根据车内空气重挥发性有机物的种类,来源和对车辆主要内饰材料本身挥发特性的分析,确定了8种主要被控制物质,规定了车内空气中苯,甲苯,二甲苯,乙苯,苯乙烯,甲醛,乙醛,丙烯醛的浓度要求。虽然这不是强制性措施,但是表
10、明车内空气质量问题已受到国家关注。在美国,91的轿车天天要进行消毒杀菌处理;在日本,96的私家车天天使用车内净化产品;在中国,47%的车主用香水掩盖车内各种异味。中国科协工程学会环境专业委员会检测报告指出:中国国内有超过9成的车内空气质量超标,汽车车内空气污染问题非常令人担忧。因车内空气的有害物质引起的白血病等案例数以千计。以上的事实和数字却实实在在地告诉我们一种汽车用品的消费趋势正在形成。所以,我们的研究是非常有必要的,而且是与发展的实际情况相结合,将车内设置与智能手机利用APP连接,一定会受到广大消费者的青睐,为这个快速发展的社会提供便利,进一步提高国内车载空调的水平。1.3已有实践基础1
11、、小组成员完成了模拟电子线路基础、数字电子线路基础、算法与数据结构、面向对象程序设计、C+面向对象程序设计教程、Linux基础教程等基础课程的学习,因此小组成员对硬件和软件的学习都有一定的认识,对此次研究提供了良好的理论基础。 2、小组成员均完成了本专业已开的课程及其安排的实验,并且完成了电子工艺实习。成员在学习的过程中,掌握了理论联系实践的方法;通过各个学科开设的实验,锻炼了动手操作能力。因此,在此次研究中,有良好的实践基础。3、小组成员之前已经查阅过相关资料,对项目所需的各项技术有所了解,并与老师沟通交流。1.4成员优势我队有五名成员,均是二年级学生,涉及两个专业,分别是电子、自动化,可针
12、对不同情况从不同角度分析问题。3名男生,2名女生:男生具有较强动手能力和吃苦耐劳精神,女生具有细腻的心思和较强的思辨能力,优势互补,各自的能力可最大程度发挥。1.团队成员学科成绩优秀,其中两名成员获得专业二等奖学金,并且学过c、c+、数据库、java等多种汇编语言,具有一定的知识储备和动手实战经验。2.团队成员分别来电子信息工程、自动化专业,在软件、硬件方面都有了解。我们可以充分利用这两个专业的专业特点进行再次创新设计。张校铖(队长):担任本班班长,对于软件的编写很感兴趣,参加过民大虚拟校园设计室和TB2项目,熟悉电路焊接,动手能力强有一定的协调组织能力,统筹分工合作,进度安排,确保了团队的凝
13、聚力和研究进度。马昊:在电子工艺实习中有不俗的表现,善于理论分析,思想深刻,对项目有很好的认识,有良好的专业素养,态度认真,热情有干劲,有一定的文字工作经验,有利于资料的整合、归纳和总结。石麒歆:有很强的团队协作精神,思维敏捷细腻,对于项目细节方面有着不同的见解。自学能力很强,吃苦耐劳,有刻苦钻研的品质。因此小组成员在理论知识和实践上有能力完成此课题。3.小组成员积极主动,相互配合,有较强的集体意识和团结合作的精神。 4.学院配有专门的专业实验室、专业基础实验室、创新研究实验室及实验器材,并有指导老师进行指导。5.课题中所用的关键性元器件在市场中提供的种类全、多,可很好的运用在项目的研究中。6
14、.小组成员对项目有浓厚的学习和探究兴趣。二、研究内容、目标、拟解决的关键问题2.1 研究目标2.1.1阶段目标前期目标:设计并开发一套车载便携式空气智能加湿净化系统,系统核心为STC12C5A60S2型号单片机,主要元件:AM2302 DHT22温湿度传感器,温湿度传感器驱动模块电路,纯净型车载加湿器,MS1100 甲醛VOC传感器,PPD42NS粉尘灰尘颗粒浓度检测传感器 PM2.5空气质量检测模块,HEPA滤网式车载空气净化器;MS1100 甲醛VOC传感器模块可以监测以甲醛为主的挥发性有机污染气体,如苯,甲苯,二甲苯等。PPD42NS粉尘灰尘颗粒浓度检测传感器 PM2.5空气质量检测模块
15、可以监测最大到8000pcs/283ml(1um以上粒子),对车内空气中的颗粒污染物精准监测,与设定的标准对比,智能控制净化器开启及工作时风扇风速,实时控制空气净化器工作; 因冬季空气干燥,车内空气由于车载空调对车内空气的加热作用会使车内水分大量散失,这种高温干燥的空气环境不仅会使人感到不适,而且会使司机眼部易疲劳,对交通安全产生危害;但过度加湿会使车内过量的水蒸汽在温度较低的车窗上凝结,影响司机视线。所以合理控制车内温湿度高效净化车内空气使司机能够舒适安全的驾驶是本系统的宗旨。 后期目标: 实现对系统进行远程手机监测控制,当车内无人时系统自动处于休眠状态,只启动空气监测模块,当车内空气污染时
16、提醒司机,司机可以根据自己何时驾车定时启动空气加湿净化模块,系统在司机进入车内驾驶前智能调控车内空气环境。主要元件:蓝牙及网卡驱动模块,智能手机。由于蓝牙有效范围有限,当司机不在车内时换用网卡驱动模块,超远程智能控制系统。2.1.2总体设计介绍温湿度传感器驱动模块电路温湿度传感器纯净型车载加湿器微控制器HEPA滤网式车载空气净化器MS1100甲醛VOC传感器PPD42NS粉尘灰尘颗粒浓度检测传感器PM2.5空气质量检测模块远程手机控制信号收发部分【无线收发】【网卡】手机应用软件设计总体构想:设计一款车载空气检测净化系统,检测功能主要由温湿度传感器、甲醛VOC传感器、粉尘灰尘颗粒浓度检测传感器等
17、实现,这些传感器将采集到的信息传到微控制器,微控制器根据预先设定的污染物浓度标准和空气湿度标准判别车内空气质量,若空气有污染或过于干燥则通过远程手机控制信号收发装置将该信息发送到车主手机,车主决定是否开启净化或加湿功能;车主所用手机APP还将具有控制车内系统是否休眠的功能,若遇到车辆限行或长期不用车的情况,则通过手机将系统设置为休眠状态,在车主再次用车前一小时再通过手机唤醒系统,开始工作。各设计部分技术支持介绍(目前设计规划阶段暂时选定以下型号器件)(1) 微控制器(MSP430单片机):MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大,主要取决于以下的特点。强大的处理能力MSP430系列
18、单片机是一个16位的单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令;有较高的处理速度,在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。(2) 温湿度传感器(DHT22):DHT22数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位
19、单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗,信号传输距离可达20米以上。产品为4针单排引脚封装。连接方便,特殊封装形式可根据用户需求而提供。(技术参数):相对湿度和温度测量 超长的信号传输距离全部校准,数字输出 超低能耗卓越的长期稳定性 无需额外部件 (3) MS1100甲醛VOC传感器(MS1100):MS1100-P111传感器模块选用MS1100为核心传感器探头,MS1100是一款原装进口的半导体式VOC气体传感器,具有极高的灵敏度和稳定性,能够侦测0.1ppm以上的气体,适用于检测空气中
20、的甲醛、苯、二甲苯等多种有机挥发成分,同时具有体积小巧、价格便宜、响应速度,改传感器广泛应用于通风机,空气过滤器、风帽、排风罩以及小家电等各种需要进行空气治理的电器设备上,能够很好的帮助提高室内生活环境质量。 (技术参数):工作电压:5V2%(DC); 负载电阻:1K(可调)工作电流:100mA(max); 模块功耗:430mW;响应时间:5S(预热3-5分钟); 回复时间:10S;灵敏度:3%; 工作温度:-1060C(标称温度20C);检测浓度范围:0-1000ppm(0-1343/mg)。(模块特点):具有模拟信号和电平信号同时输出模拟信号输出范围05V,模拟信号可以直接接AD采集数字电
21、平信号输出,有效电平为低电平,LED等亮,可直接接单片机的I/O口感应灵敏度可以调节,可设置感应阈值,有气体输出低电平,可直接接单片机可用于空气质量定性检测(4) 灰尘颗粒浓度及空气质量检测(PPD42ns粉尘传感器):结构紧凑,质量轻(W59x H45x D20 mm, 35g) PWM (pulse width modulation) 输出 (低脉冲输出) 能够区分室内香烟等小颗粒和灰尘(花粉,尘埃,毛屑)等大颗粒 低脉冲的宽度比例表示颗粒物大小和浓度 粉尘传感器通过加热电阻形成恒定的气流 无铅和ROHS认证 (典型应用):空气中的粉尘监测,室内空气质量监控 空气过滤器,空气净化机,空调
22、室外灰尘监测(需要客户特殊的外形结构设计) 烟雾报警 (5) 纯净型车载加湿器(6) 车载空气净化器:(7) 远程手机控制信号收发:在无线数据接收和发送部分,我们决定用串口服务器模块实现,串口服务器提供串口转网络功能,能够将RS-232/485/422串口转换成TCP/IP网络接口,实现RS-232/485/422串口与TCP/IP网络接口的数据双向透明传输。使得串口设备能够立即具备TCP/IP网络接口功能,连接网络进行数据通信,极大的扩展串口设备的通信距离。实现,经过调研,我们目前决定用单片机上网卡,串口服务器TU8000-TTL模块来实现,该模块具有体积小,功耗低,搭载ARM处理器,速度快
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