汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)

1、汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)摘要近年來，隨著人類活動的加劇，環(huán)境問題已經越來越受到人們的關注，對 空氣質量監(jiān)測已經成為天氣預報必備的條件之一。特別是隨著霧霾天氣的增加， 全國各地各種各樣的空氣質量監(jiān)測設備如雨后春筍般出現，這些設備加載了當今 先進的科技技術，對于空氣污染起到了很好的監(jiān)測報警作用。當代社會人們的出行離不開乘坐汽車，但汽車內的空氣質量還是令人擔憂 的。本文研究一種基于STM32的汽車室內空氣污染物監(jiān)測系統(tǒng)，通過32位嵌 入式微處理器處理氣體傳感器采集的數據，利用報警系統(tǒng)及時反映車內的空氣質 量指數，從而使汽車駕駛人員應時采取一些手段，改善汽車室內空氣質量。本課題從以下三個方面來完成汽車

2、室內空氣污染物監(jiān)測：（1）監(jiān)測系統(tǒng)硬件 部分設計：采用意法半導體公司STM32系列中的STM32F107為處理核心，包含 了傳感器選型、數據采集電路、數模轉換電路、供電電源電路、BMS（電源管理系 統(tǒng)）、系統(tǒng)通訊電路、數據顯示、報警電路等。（2）監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分設計：包 括系統(tǒng)開機自檢、數據采集、數據傳輸、BMS（電源管理系統(tǒng)）、數據存儲等程序 設計。（3）系統(tǒng)關鍵技術分析及改善:包括傳感器采集濃度準確度分析、報警裝置 穩(wěn)定性分析、顯示設備實時性分析、電池管理系統(tǒng)可靠性分析、系統(tǒng)不足之處改 進等。關鍵詞意法半導體STM32 ；空氣監(jiān)測；電池管理系統(tǒng)AbstractIn recent years

3、, with the intensification of human activities, environmental problems have attracted more and more attention, the air quality monitoring has become one of the necessary conditions of weather forecast. Especially with the increase in haze weather, air quality monitoring equipment across a wide range

4、 of loading such as bamboo shoots after a spring rain like appearance, these devices in todays advanced science and technology, the air pollution has played a good role in monitoring alarm.The car as one of the modern life can not lack of transportation, the indoor air quality problem also attracts

5、peoples attention. This paper presents a STM32 car indoor air pollutant monitoring system based on embedded microprocessor through the 32 bit data acquisition and processing of gas sensor, the alarm system to alert the driver to take measures to improve the indoor air quality of automobile.This topi

6、c from the following three aspects to complete the car indoor air pollution monitoring: (1) monitoring system hardware design: semiconductor STM32 series of STM32F107 as the processing core by STMicroelectronics, including sensor selection, data acquisition circuit, analog-to-digital conversion circ

7、uit, power supply circuit, BMS (power management system), system communication circuit, data display and alarm circuit etc. (2) monitoring system software design: including system boot, data acquisition, data transmission, BMS (power management system), data storage and program design. (3) to analyz

8、e and improve the key technologies of the system including: sensor concentration accuracy analysis, alarm analysis, display and analysis, real-time analysis, equipment reliability of the battery management system deficiencies and improvement of device stability.Key wordSTMicroelectronics STM32; Air

9、monitoring; Battery management system 引言隨著我國社會主義經濟的發(fā)展，提高了汽車工業(yè)在我國經濟發(fā)展中的產值比 例。汽車工業(yè)雖然增加了我國的國民經濟，但是汽車室內的環(huán)境還是讓人堪憂的， 目前汽車雖然已經普遍安裝了空調裝置，但是汽車室內的空氣質量和環(huán)境舒適度 仍然很差；另外，影響汽車室內環(huán)境的因素還有汽車室外的空氣質量、行車路段、 天氣狀況、晝夜溫差等。因此，在設計和研發(fā)汽車時還應該注意汽車室內的設計， 根據汽車自身的設備條件，控制好汽車室溫，保持車內空氣的新鮮度，保護車內 的環(huán)境衛(wèi)生，而且在采取這些措施過程中要確保乘客和汽車駕駛人員的安全，進 而從源頭控制汽

10、車室內的空氣污染，改善汽車室內的空氣質量，為人們設計一個 舒適的乘車環(huán)境。所以，對汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)的研究是必要的，希望通 過本文的研究，能夠為我國汽車室內環(huán)境的治理和建立完善汽車室內空氣質量標 準提供一些借鑒經驗。1我國汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)研究現狀我國在汽車室內車內空氣質量方面的研究落后于國外的先進國家，在2004 年7月14日，我國國家環(huán)?？偩珠_始起草、制定車內空氣污染物濃度限值及 測量方法，并在2007年12月開始生效并實施。2008年3月，出臺了車內揮 發(fā)性有機物和醛酮類物質采樣測定方法，但是該檢測方法不具有法律的強制規(guī) 定；同年10月，限值標準討論會議對車內空氣揮發(fā)性有機物

11、濃度要求進行 補充，并明確指出了對汽車室內一些污染物的控制。2009年，中國科學技術大 學研究生徐定鈞運用金屬氧化物氣體傳感器技術，針對車內有害氣體進行檢測研 究，設計出了具有金屬氧化物傳感器陣列的汽車室內空氣檢測系統(tǒng)。2011年， 針對汽車室內空氣質量是否達標，我國頒布了于2012年3月1日生效的乘用 車內部空氣質量空氣指南，該指南的實施，標準我國在車內空氣質量檢測方面 有了一定的進步，也為本監(jiān)測系統(tǒng)的設計方面提供了一定的理論基礎和技術指 導。2015年，我國室內車內環(huán)境監(jiān)測委員會發(fā)布了一號文件,經營者、生產者必 須在2015年1月1日至2015年1月31日自行檢查并糾正其違規(guī)違法的生產經

12、營活動。2015年2月1日以后，我國工商行政管理局和市場監(jiān)管局對于仍不采 取措施調整生產經營活動的或是整改不符合國家標準的將依照相關的法律法規(guī) 予以處罰；被處罰過的經營者、生產者仍不整改的，視為新的違法、犯罪行為， 依照相關法律法規(guī)對其從重處罰。中國室內車內環(huán)境監(jiān)測工作委員會所頒布的一 號文件要求，各行各業(yè)都必須遵守行業(yè)規(guī)則、準責，加強自身的生產、經營管理， 自覺遵守我國的法律法規(guī)，嚴格按照我國的法律法規(guī)和國家政策進行生產和經營 活動，并根據我國的工商行政管理總局的要求，自行檢查和調整，規(guī)范行業(yè)的發(fā) 展。2汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)的研究隨著汽車的普及和數量的增加，逐漸暴露了汽車室內污染的問題，

13、越來越多 的人注重汽車室內空氣的質量，而且多家媒體也報道此問題，而且我國的室內環(huán) 境空氣質量監(jiān)測中心選取了許多型號的汽車進行研究和測試，結果表明汽車室內 的空氣環(huán)境較差。2.1汽車室內環(huán)境污染物及其發(fā)生源2.1.1汽車室內空氣污染物及其類型目前科學研究表明，已經發(fā)現數百種汽車室內污染物，根據污染物的來源將 其分為以下三種：化學性污染物化學性污染物主要包括從裝修材料、化妝用品、座椅等地方釋放或排放出來 的包括氨、氮氧化物、硫氧化物、炭氧化物等無機污染物及甲醛、苯、二甲苯等 有機污染物。即可以分為兩類：（1）揮發(fā)性有機物；（2）無機化合物。物理性污染物物理性污染物包括汽車室內室外產生的噪音、汽車室

14、內燈光照明不足或過 亮、溫度、濕度過高或過低所引起的相關問題等。即可以分為三類：（1）放射性 氡及其子體；（2）噪聲與振動；（3）汽車電器與照明設備引起的電磁污染。生物性污染物生物性污染物主要是指因生物污染因子，包括細菌、真菌、花粉、病毒和生 物體等引起的污染。按其性質分為兩類：（1）懸浮固體污染物，灰塵、可吸入塵、 微生物細胞（細菌、病毒、霉菌、塵螨等）、植物花粉、煙霧。最主要的是由汽 車室外大氣進入汽車室內的顆粒物，它們往往由于吸附一些能導致人體癌變的化 學物質而被人類所普遍關注；（2）氣體污染物，SO2、NO x、O3、NH3、VOC （甲 醛、苯系物）、氡氣、射線等1依據污染物的形成原

15、因和形成方式，以及污染物以何種方式進入汽車內，將 汽車室內污染物的源于概括為兩種：一是來源汽車自身，二是汽車室外污染物的 進入。2.2汽車室內空氣污染的特點汽車室內污染有如下特點：人為因素致使汽車室內空氣被污染，即汽車室內污染物不是自然現象引發(fā) 的，也不是天氣變化和社會條件致使的。影響范圍大。汽車室內空氣污染與重工業(yè)對環(huán)境的污染是不相同的，而且 與局部區(qū)域的河流污染、土壤污染等環(huán)境污染是有區(qū)別的，由于我國經濟的快速 發(fā)展推動了汽車工業(yè)進一步發(fā)展，擴大了汽車對社會的影響范圍，至今已涉及到 各個年齡段的人。接觸時間較長。隨著汽車的普遍使用，增加了人們乘坐汽車的時間，尤其 是汽車駕駛員、上班族、有車

16、族、工人和學生，即使短時間的乘車也要2-4小 時，而長時間呆在有污染物的汽車內將會影響人們的健康。污染物種類多。汽車室內污染物的種類不是單一的，而是多種多樣的，包 括固體顆粒狀污染物、分子狀污染物、放射性污染物以及微生物污染，它們都可 能存在于汽車室內，并在室內相互作用和抵抗。污染物濃度低。汽車室內空氣污染物的類型是多樣的，與其它環(huán)境污染相 比，其污染程度要低得多，而且只針對單一的污染物來講，其污染濃度比較微弱， 但多種類型的污染物混合在一起就會增加污染濃度，對人體的危害也是很大的。污染物危害大。雖然室外的空氣遭受污染時濃度較大，但是大氣對其有較 強的吸附能力，經過一段時間空氣質量就會明顯變好

17、，但是室內空氣受到污染并 不好改善，安裝的空調設備等只能在一定程度上降低空氣污染，并不能從根本上 解決室內空氣污染問題，而且還消耗能源，提高了室內污染物對人體的危害。健康危害不清。室內空氣污染雖然濃度較低，但是人們長時間處在空氣受 污染的室內，致使人體健康受到威脅，但產生的后果并不是明確的。2.3汽車室內空氣污染物的來源汽車室內污染物的來源主要有以下五種：發(fā)動機汽車發(fā)動機產生的CO、NO2、SO2、可吸入顆粒物、甲醛、多環(huán)芳烴等。汽車尾氣汽車排放的尾氣中含有大量氮氧化物、一氧化碳、多環(huán)芳香烴等，汽車在高 速公路行駛過程中，尤其在經過復雜的路段時，由于整體車廂的封閉，這些有害 氣體進入汽車室內，

18、也沒有采取一些措施降低污染濃度，反而嚴重影響車內駕駛 人員和乘員的身體健康。HAVC系統(tǒng)汽車空調設備及系統(tǒng)管理不善和不當操作也會引起汽車室內空氣的污染，如 空調設備中新風采集口受到污染；空調設備的過濾器出現故障，無法過濾受污染 的空氣；氣流組織不合理，導致污染物在某些地方得到積累，引發(fā)室內空氣的污 染；空調系統(tǒng)的凝結水盤和冷卻水中有可能存在的一些污染物，致使室內的空氣 受到污染2車內裝飾材料車內裝飾材料和化學品釋放的甲醛和揮發(fā)性有機化合物、氡及其子體等。乘客乘客本身也是室內空氣污染的來源。人體活動過程中呼出的氣體和排出的汗 液都是污染物的來源，包括氮化物、乳酸、角質層、二氧化碳等。此外，人們說

19、 話、咳嗽、打噴嚏將呼吸道中存在的各種病原體、細菌排入到室內空氣中。而且 一些乘客在車內吸煙，致使汽車室內的空氣受到污染。下表說明了每根香煙產生 的污染物濃度。每根香煙產生的煙霧中的污染物含量成分含量一氧化碳10-23 mg二氧化碳20-40 mg羥基硫化物18-42 Mg苯12-48 Mg甲苯100-200 Mg甲醛70-100 Mg氨50-130 Mg氮氧化物100-600 Mg2.4汽車室內空氣品質的定義及影響因素2.4.1室內空氣品質的概念汽車室內的環(huán)境影響人們的身體健康，隨著人們對室內環(huán)境認知程度的加 深，提出了室內空氣品質理論。室內空氣品質是指，某個環(huán)境內的空氣對人們日 常生活的影

20、響程度，顯現了人們對環(huán)境的要求，是供人們呼吸的空氣，包括影響 人體的溫度、濕度、氣候、晝夜溫差、氣流結構和空氣濃度。熱濕環(huán)境是大部分 人群認為最適宜的室內環(huán)境，且這種環(huán)境的空氣新鮮度和空氣質量較好，以滿足 人體舒適和健康的需要。2.4.3影響汽車室內空氣質量的因素基于室內空氣品質的概念來分析汽車室內空氣品質受哪些方面的影響，具體 概括出以下四點：新風的質量。汽車窗口流入的空氣的質量和空調的新風口吸入空氣的質量 直接決定了汽車室內空氣品質的好壞。汽車室內和室外的溫度、濕度及汽車室內空氣組織結構，這些都影響著車 內的空氣品質。汽車室內空氣污染物的濃度。如固體懸浮物、氣體污染物等生物性污染物， 有揮

21、發(fā)的有機物、無機化合物的化學性污染物，放射性氡、噪聲、汽車照明等物 理性污染物，這些污染物在綜合作用下影響著汽車室內空氣的濃度。汽車室內的氣流組織結構。良好的氣流組織結構既可以降低汽車室內污染 物的濃度，又可以減少污染物對人體的損害，如果沒有一個合理的氣流組織結構， 污染物將會長時間作用于人體，帶來不利的后果。2.5汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)的建立2.5.1汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)建立的意義和目的汽車室內空氣污染降低了人們的生活和工作質量，也致使人們的身體健康遭 受危害。這主要是因為，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，交通工具也變得多樣化，如汽車、 火車、地鐵、高鐵、飛機和輪船，方便了人們的出行，從而增加了人

22、們的車車時 間；而且汽車室內污染物的來源、種類以及濃度不斷上升，室內環(huán)境每況愈下； 再加上汽車等都通常采用車廂密封的方法來減少耗能，而且有的汽車內空調設備 比較落后或安裝時間較長，降低了空調的作用，促使汽車室內的污染物濃度不減 反而增加，污染物不能及時排出車外，導致汽車室內環(huán)境變差。汽車室內空氣污染物不僅產生于汽車室內，而且還可能是由于汽車室外環(huán)境 中的污染物進入汽車室內的導致的。汽車室內的污染物來自于汽車的車座、裝飾 物品等，以及車主自身產生的污染物。汽車室外的污染物來自汽車室外空氣環(huán)境 中的污染物，如工業(yè)廢氣、汽車尾氣等。目前，我國并沒有完善的針對汽車室內空氣質量標準方面的法律法規(guī)，為對

23、汽車室內空氣污染進行防控與提高汽車室內的空氣品質，需要依據我國的汽車室 內空氣質量的現狀，借鑒國外先進國家對汽車室內空氣質量標準，研發(fā)先進的、 完善的汽車室內空氣質量綜合檢測系統(tǒng)，并為完善我國汽車室內空氣質量標準方 面相關的法律法規(guī)提供借鑒方案。2.5.2汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)各參數標準值的確定為了使確定的汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)參數值標準化，筆者對汽車室內污 染物進行了相關調查，同時參考世界衛(wèi)生組織汽車室內空氣質量標準和我國汽車 室內空氣質量標準來確定系統(tǒng)參數值，即確定標準化的二氧化硫、二氧化氮、一 氧化碳、二氧化碳、氨、甲醛、苯、甲苯、二甲苯、TVOC、溫度、相對濕度和空 氣流速的參數值

24、5二氧化硫二氧化硫是一種無色的氣體，且有刺激性氣味，影響人們的呼吸，并刺激人 體的呼吸道。二氧化硫濃度為10-15ppm，就會開始影響呼吸道的正常功能；二 氧化硫濃度為20ppm，人們就會開始咳嗽，還對人們的眼睛有一定的刺激性；當 人們在8小時到24小時之內吸入濃度為100ppm的二氧化硫時，便會嚴重影響人 們的支氣管和肺，致使人們呼吸不暢、咳嗽加重，甚至使支氣管和肺受損癥狀； 當二氧化硫濃度高達400ppm時，會致使人們呼吸困難。如果人們不僅吸入了二 氧化硫，還吸入了固體顆粒漂浮物，則會擴大3-4倍二氧化硫對肺的損傷。世 界衛(wèi)生組織對室內空氣質量標準的規(guī)定為每24小時二氧化硫的濃度為 0.1

25、253mg/m3。我國環(huán)境保護部和質量監(jiān)督檢驗檢疫總局在201年聯(lián)合發(fā)布了編 號為GB3095-2012的環(huán)境空氣質量標準，并對二氧化硫進行二級濃度限值， 限定二氧化硫1小時的平均濃度為0.50mg/m3 ；我國GBT18883-2002室內空氣 質量標準規(guī)定二氧化硫1小時平均濃度為0.50mg/m3。二氧化硫的存在只是致使汽車室內空氣污染的一個小因素，所以，對二氧化 硫濃度參數值的確定按照我國GBT18883-2012室內空氣質量標準規(guī)定的二級 濃度限定值采取樣本為1小時平均濃度為0.50mg/ m3。二氧化氮二氧化氮是一種棕紅色氣體，且有臭味，具有一定的刺激性和腐蝕性。二氧 化氮對于呼吸系

26、統(tǒng)有病癥的人有較大的危害性，二氧化氮能加重哮喘患者的病 情，也會影響青少年的成長。經研究表明，長時間處在有二氧化氮存在的空氣污 染環(huán)境中，可能會誘發(fā)肺部的病變。然而，汽車室內的二氧化氮主要是來源于汽 車自身排放的尾氣和汽車室外空氣中存在的二氧化氮進入了車內。世界衛(wèi)生組織曾用動物做實驗，驗證二氧化氮的危害以及濃度數值，確定二 氧化氮的濃度為0.943mg/m就會影響到動物的健康，并將此濃度設定為標準濃度 值。后期又經過多次的試驗，結果證明了 0.80-1.00mg/m3濃度的二氧化氮就會 危害到動物自身，0.31-0.62mg/m3濃度的二氧化氮便可威脅人們身體健康?？諝庵胁煌琋O含量對人體的危

27、害空氣中NO含量呼吸時間與癥狀%mg /L0.0040.19短時間作用無明顯反應0.0060.29短時間作用氣管感到刺激0.0100.48短時間內就會咳嗽，長時間對生命有危險0.0251.20短時間內會迅速死亡我國GBT18883-2002室內空氣質量標準規(guī)定二氧化氮濃度的標準值為1 小時平均0.243mg/m 3。二氧化氮也是汽車室內污染物的一小部分，所以，對汽車室內二氧化氮參數 標準化取值依照我國的GBT18883-2002室內空氣質量標準的規(guī)定濃度，確定 二氧化氮參數為1小時平均濃度為0.24mg/m 3。一氧化碳一氧化碳是通過血液作用于人體的，其與血液中的血紅蛋白相互融合、相互 作用，

28、形最終形成了碳氧血紅蛋白（COHb）, 一氧化碳與血紅蛋白結合的能力遠 超過氧氣與血紅蛋白結合的能力，從而降低了血液輸送氧的能力，造成低氧血癥， 引起組織缺氧。缺氧首先損害大腦和心肌。若碳氧血紅蛋白在人體內的濃度達到 10%，就會引發(fā)心血管疾病，導致中樞神經紊亂；若濃度為2.5%，則會增加胸 痛的程度6在CO氣體中暴露8h后出現的癥狀CO 濃度（ppm）癥狀50無癥狀100前額有緊繃感，輕微頭疼200頭痛且太陽穴跳動300嚴重頭痛、眩暈、嘔吐及虛脫20001h內死亡世界貿易組織確定的標準是空氣中一氧化碳濃度應該與血紅蛋白結合成的COHb在人體血液中的濃度為2.5%以內。同時WHO Guidel

29、ine規(guī)定一氧化碳濃度 指標為103mg/m 3。空氣中不同CO含量對人體的危害CO含量（）呼吸時間與癥狀0.022-3h，感到輕微頭疼0.041-2h，前頭疼；2.5-3.5h，后頭疼0.0845min，頭疼，隨著嘔吐；2h，神智昏迷0.1620min，頭疼，隨著嘔吐；2h，死亡0.325T0min，頭疼；30min，死亡0.641-2min，頭疼；10-15min，死亡1.28吸入幾次即昏迷，1-3min，死亡我國GB3095-2012環(huán)境空氣質量標準對一氧化碳的濃度進行了二級濃度的限值，限定為1小時平均10mg/m 3。經過上面的分析，結果表明了一氧化碳不是致使汽車室內空氣污染的最直接

30、的污染物，對于汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)中一氧化碳參數值的確定，選取了濃 度為1小時平均10mg/m3，即約為9ppm。二氧化碳人們活動產生了大量的二氧化碳，室內的容積以及通風狀況都會涌向二氧化 碳的濃度，二氧化碳的濃度達到一定數值就會危害人體健康，而且二氧化碳與其 它污染物相互作用會加劇室內空氣污染的惡化。通常來說，室內的二氧化碳濃度低于0.07%對人體是不會有任何影響的， 0.1%時個別敏感者有不舒適感；0.15%時不舒適感明顯。二氧化碳濃度對人的影響二氧化碳濃度（）生理心理影響0.3對人體生理沒有影響0.5-0.8長期暴露對肌體影響輕微1.0人體每分鐘呼吸量和潮氣量增加60%,胃酸酸度升高

31、，心力儲備下降2.0運動適應能力開始下降3.0人體每分鐘呼吸量和潮氣量增加100%-130%，基本生理功能改變7.0-9.0人體耐受極限10.0意識喪失，呼吸變弱，血壓下降，甚至死亡GB/T17094-1997中國室內空氣質量標準規(guī)定二氧化碳濃度W 0.10% (2000mg/m3 )。GBT18883-2002室內空氣質量標準規(guī)定二氧化碳的標準濃度 值為 1260mg/m 3。為了人們的安全、身體健康和乘車環(huán)境更好，對于汽車室內空氣綜合檢測系 統(tǒng)中二氧化碳濃度的參數值的確定，選用濃度1200mg/m 3，即1000ppm。氨氨遇到其它一些物質容易發(fā)生溶解，對人的眼睛、呼吸道和皮膚的有刺激性。

32、 Saifutdinov (1966)測定22位最敏感者嗅閾為0.5-0.55mg/m3。氨還具有腐 蝕性，當室內氨的濃度太高，就會嚴重損害中樞神經系統(tǒng)和三叉神經，導致休克， 人體停止呼吸、心臟停止跳動。人們能夠接受的氨的濃度在0.5-1mg/m3之間， 若是濃度超過50mg/m3，就會強烈刺激鼻子、咽喉、眼睛，當濃度超過了 500 mg/m 3，就會出現強烈刺激癥狀，當濃度超過1500mg/m 3，就會威脅到生命安全， 3500mg/m3以上可即時死亡，而且人們若是處在缺氧狀態(tài)下，則會加大氨的毒性 7我國GBT18883-2002室內空氣質量標準規(guī)定氨的濃度值為0.20mg/m3。在對汽車室

33、內空氣綜合檢測系統(tǒng)的設計中，確定氨的濃度的參數值為 0.20mg/m 3。甲醛甲醛有很強的毒性，在我國有毒化學品排行榜中中占據第二名。并且世界衛(wèi) 生組織也將甲醛列為致癌物質及致畸形物質，甲醛嚴重威脅著人類的安全。長期處在被甲醛污染的汽車室內環(huán)境中，會誘發(fā)許多狀況。汽車室內甲醛氣 味不易消散，長時間作用于人體；降低了人體免疫力，易引發(fā)病情；感覺嗓子不 舒服，而且呼吸不暢；有群發(fā)性的皮膚過敏現象；在汽車室內的乘客們都感覺有 些不舒服，離開汽車后卻明顯緩解不適。短時間甲醛暴露的人體急性刺激反應人體健康效應空氣甲醛濃度水平（mg/m3）報道范圍中位數嗅覺0.06-1.20.1眼刺激感0.01-1.90

34、.5咽刺激感0.1-3.10.6眼刺激感2.5-3.73.1流淚（30分鐘暴露5.0-6.25.6強烈流淚（1小時暴露）12-2517.8危及生命:水腫、炎癥、肺炎37-6037.5死亡60-125125我國GBT18883-2002室內空氣質量標準規(guī)定了甲醛濃度的標準數值為1小時平均0.10mg/m3。世界衛(wèi)生組織以人們嗅覺的承受濃度值的中間數作為濃度標準值，制定甲醛 在室內空氣濃度為0.10mg/m3。汽車室內的空間是有限的，且甲醛造成汽車室內空氣污染的重要因素，參考 世界衛(wèi)生組織的室內空氣質量標準和我國的室內空氣質量標準，確定本文設計的 汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)內甲醛的參數值，選取值為0

35、.12mg/m3，即0.1ppm。苯世界衛(wèi)生組織在1993年將苯納入致癌物質行列。苯的毒性是劇烈的，其不 僅能夠致使人們患上癌癥，還對血液和遺傳方面有損害，嚴重影響人們的身體健 康。苯中毒損傷人體的中樞神經、神經以及造血器官、造血干細胞。如果一個人在很少的時間內吸入4000ppm以上的苯，就會刺激到人體的短 時間除黏膜及肺，還會抑制中樞神經，此時人們就會感到頭痛、惡心、抽痙及心 律不整，甚至陷入昏迷狀態(tài)。吸入14000ppm以上的苯會立即死亡。GBT18883-2002室內空氣質量標準規(guī)定苯為0.11mg/m3。吸入苯蒸汽引起的健康效應效應 描述暴露水平（20。0來源時間 / （mg/m3 ）

36、死亡一5-10min64800 Thienes（1972 年）中樞神經系統(tǒng) 頭暈，困倦，頭痛，惡心數小時810-1620 Clayton（1994年）致突變染色體變異整年64.8-324EBS（1996年）致癌急性非淋巴白血?。ˋNLL） 整年64.8-162EBS（1996年）參照我國GBT18883-2002室內空氣質量標準，考慮到苯是污染汽車室內 空氣的重要污染物，汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)中對苯的取值略低于我國室內 空氣質量標準中規(guī)定的標準數值，采用0.10mg/m3。甲苯甲苯是一種無色的、透明的物質，而且極易揮發(fā)。當汽車室內的甲苯濃度達 到一定的數值，汽車內的人就會感到頭暈目眩，甚至引

37、起頭痛，威脅了人們的安 全。人們吸入甲苯后，雖然會有一半的甲苯隨著人體的新陳代謝而排出體外，但 是在排出體外的過程中人會對人體產生不小的損害，當人體血液中甲苯濃度達到 1250mg/m 3時，明顯會出現人們記憶能力減退、注意力不集中等現象。我國GBT18883-2002室內空氣質量標準規(guī)定甲苯為0.20mg/m3。依據我國室內空氣質量標準中甲苯的標準濃度值，汽車室內空氣綜合檢 測系統(tǒng)內對甲苯的參數值采用0.20mg/m3。二甲苯二甲苯與苯有著一定的相同之處，但二甲苯還具有苯不具有的特性，即麻醉 作用。二甲苯的這一特性不但可以損壞造血干細跑，致使造血器官受損，還可能 致使人們神經紊亂。二甲苯的毒

38、性與苯比較相近，中毒者往往會感覺到渾身無力、 頭暈目眩，像喝醉酒了一樣，而且呼吸困難、渾身顫抖，有時候還伴隨著惡心、嘔吐，甚至嚴重的時候會導致休克。汽車室內的二甲苯濃度若是過高，易引發(fā)汽 車駕駛員的安全性問題。根據我國的GBT18883-2002室內空氣質量標準規(guī)定的二甲苯標準值為0.20mg/m3，對于本文汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)中二甲苯的參數值采樣為 0.20mg/m 3。TVOC以前人們認為人們自身新陳代謝排出的廢物是污染室內空氣的主要原因，并 選取室內二氧化碳濃度值作為衡量室內空氣質量的標準。汽車工業(yè)的發(fā)展促使生 產汽車車內的裝飾品等行業(yè)的發(fā)展，但是對于這些裝飾品的使用反增加了室內的

39、污染物，其中具有揮發(fā)性的有機化合物（VOCs）的類型顯著增多。而且現在很多 權威組織均提議，用室內存在的所有的揮發(fā)性有機物（TVOC）作為衡量室內空氣 質量的指標，并分析TVOC對人體健康的影響和作用8VOC的危害主要包括五個方面：（1）嗅味不舒適；（2）感覺性刺激；（3）局部 組織炎癥反應；（4）過敏反應；（5）神經毒性作用。TVOC對人體健康的影響效果濃度范圍（mg/m3）健康效應25除頭痛外，可能出現其他的神經毒性作用按照世界貿易組織在1989年提出的揮發(fā)性有機化合物（VOC）的概念來理解，VOC是指沸點為50-100C與240-260C之間的有機化合物。國外或國際組織相關法規(guī)標準國家

40、美國 芬蘭 德國 新加坡 香港TVOC 0.2S3: 0.60.3 3ppm S2: 0.6(mg /m3)來源 US-EPA FIsIAQ Seifert ENV(1996)(1995)(1990)(1996) EHS ConsultantsLimited挪威學者Elmund Skaret在此基礎上，推薦出一套建筑物設計目標要求，VOC具體濃度指標如表所示。建筑物VOC濃度設計目標典型本底水平設計目標范圍室內VOC濃度（四g/m3300300樓板VOC濃度（四g/m 3）100-5000200-500墻壁VOC釋放量（四g/m 3）20-100040-100室內通風量（L/s m2 ）0.1

41、-4.60.2-0.5(0.7*)其中（0.7*）為北歐建筑法規(guī)委員會推薦值。我國GBT18883-2002室內空氣質量標準規(guī)定，TVCO每8小時平均濃度值 為 0.6 mg/m3。經過上面的分析，確定了揮發(fā)性有機物質是造成汽車室內控室污染最大的因 素，也是對人體危害最大的污染物。因為TVOC是多種多樣的并，在對其確定參 數值時參考了新加坡、芬蘭的室內空氣質量標準，并依據我國的室內空氣質量標 準，采取汽車室內綜合檢測系統(tǒng)中TVOC的參數值為的0.30mg/m3。溫度我國GBT18883-2002室內空氣質量標準對室內溫度進行標準化規(guī)定，夏 季在開空調的情形下室內溫度應保持在22C到28C之間，

42、冬季供熱時室內溫度 應保持在16C到24C之間。臺灣地區(qū)室內空氣質量標準對室內溫度標準值確定為23-28C，德國室 內空氣質量標準規(guī)定室內的溫度的應該控制在18C至20C之間。依據臺灣、德國的空氣質量標準，并結合我國室內環(huán)境現狀，對汽車室內空 氣綜合檢測系統(tǒng)中溫度值進行設定，設置冬季溫度在18C至20C之間，夏季溫 度在23C到28C之間。相對濕度我國GBT18883-2002室內空氣質量標準對室內相對濕度標準數值的規(guī)定， 夏季在開空調的情形下室內相對濕度應保持在40-80%之間，冬季供熱時室內溫 度應保持在30-60%之間。美國室內空氣質量標準對室內的相對濕度值進行規(guī)定，確定標準的相對 溫度

43、值為20-60%。日本室內空氣質量標準規(guī)定室內的相對濕度應該控制在 40-70%。根據美國、日本的空氣質量標準的規(guī)定，結合我國室內溫度的情況，汽車室 內空氣綜合檢測系統(tǒng)中相對濕度值確定為，冬季的室內溫度為25-60%，夏季的 室內溫度為40-70%。空氣流速我國GBT18883-2002室內空氣質量標準規(guī)定了標準的室內空氣流速數值， 即夏季在空調作用下的空氣流速為0.3m/s，冬季在供暖情形下的空氣流速為 0.2m/s。臺灣室內空氣質量標準對室內空氣流速數值進行了規(guī)定，設定的標準值 為0.15-0.5 m/s。日本室內空氣質量標準設定的空氣流速為小于0.5 m/s。根據臺灣、日本的空氣質量標準

44、，并考慮我國的氣候、地理位置和地形，汽 車室內空氣質量綜合檢測系統(tǒng)中空氣流速參數值采用日本室內空氣質量標準規(guī) 定的數值，規(guī)定為小于0.5 m/s。4.4 汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)通過上文對汽車室內污染物來源、類型、影響以及空氣品質的總結和系統(tǒng)參 數的分析，對汽車室內空氣質量綜合檢測系統(tǒng)參數值進行標準化確定，各參數值 如下表。汽車室內空氣品質評價體系序號參數類別參數單位標準值1化學性二氧化硫mg/m 30.502二氧化氮mg/m 30.243一氧化碳mg/m 3104二氧化碳mg/m 312005氨mg/m 30.206甲醛mg/m 30.127苯mg/m 30.108甲苯mg/m 30.209

45、二甲苯mg/m 30.2010化學性TVOCmg/m 30.3011物理性溫度C18-20 （冬）23-28 （夏）12相對濕度%25-60(冬季采暖)40-70(夏季空調)13空氣流速m/s0.52.6本章小結本章先行論述了汽車室內污染物的類別、特征、來源以及對人們身體健康的 危害，又介紹了室內空氣品質的相關理論，并對影響汽車室內空氣質量的因素進 行梳理，最后說明建立汽車室內綜合檢測系統(tǒng)的目的和意義，以及系統(tǒng)參數的確 定。3汽車室內空氣綜合檢測系統(tǒng)軟件設計本檢測系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化設計，在分析STM32系列產品架構的基 礎上，運用C語言及MDK開發(fā)平臺，設計了以下程序：檢測系統(tǒng)整體程序設

46、計、 采集模塊程序、電源管理模塊程序及輸入輸出模塊程序。3.1 STM32系統(tǒng)架構分析本系統(tǒng)采用的核心芯片STM32F107是基于Cortex-M3內核，屬于互聯(lián)型產 品，該芯片的系統(tǒng)架構五個驅動單元：分別是 Cortex-M3內核、Dcode總線 (D-bus)、系統(tǒng)總線(S-bus)、通用DMA1和通用DMA2、以太網DMA，這些驅 動單元。三個被動單元分別是：SRAM、內部FLASH、AHB到APB的橋 (AHB2APBx) 9由一個多級的AHB總線構架完成上面驅動單元和被動單元的連 接，其結構如圖。flit 2Fl ashDCode/DM A請求現住1 缽援DMAi/i.KSRAMFl

47、ahli SyKCt?mDr JUU怦和時討 控制（汗8） ZELgQPIPCQPIDDIJEARTl GPIQESPI 1JTITIM1A noPIOAQPIOBdm： gPtag PWR SPG L2G rkp iwr-s CAN 1 Ng C*NRTCI2CNT1V?leCrUAFTT5 咕 UflRT4 TlM-t U&AHTJ -IM3 I.I!- MH 11 IMy4沖1STM32互聯(lián)型產品系統(tǒng)架構圖中，在ICode總線上完成指令預取，且通過此總線架起Cortex-M3內核的 指令總線與FLASH接口之間的橋梁；在DCode總線上完成Cortex-M3內核的 DCode總線與FLA

48、SH的數據接口的連接；在系統(tǒng)總線上完成Cortex-M3內核的 系統(tǒng)總線（外設總線）與總線矩陣的連接；Cortex-M3內核與DMA間連接由總線 矩陣協(xié)調完成；DMA總線的作用是連接DMA的AHB接口和總線矩陣；總線矩陣 協(xié)調著CPU的DCode和DMA到SRAM、閃存和外設的訪問；總線矩陣協(xié)調內核系 統(tǒng)總線和DMA主控總線之間的訪問仲裁。另外兩個AHB/APB橋在AHB和2個 APB總線間提供同步連接10APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速（最高 72MHz）。在每一次復位以后，所有除SRAM和FLITF以外的外設都被關閉，在使 用一個外設之前，必須設置寄存器RCC_AHBEN

49、R來打開該外設的時鐘。從圖中可 以看出，STM32系列中的互聯(lián)型產品系統(tǒng)結構非常豐富，因此在設計本系統(tǒng)軟件 時，需要配置到很多相應的結構，這在后文模塊化軟件設計中會有詳細介紹。3.2開發(fā)環(huán)境及功能介紹本檢測系統(tǒng)的軟件部分開發(fā)設計選用了目前最通用的編程語言一一C語言， C語言靈活性和結構化程序大大提高了本系統(tǒng)軟件部分的設計效率。因此，在使 用MDK作為嵌入式開發(fā)工具時，我們需要選用ST公司在開發(fā)芯片的時候為了 方便用戶開發(fā)所提供的STM32固件庫，這些固件庫在官方網站可以下載，所以 在進行后面程序編寫的同時，我們需要采用和51單片機編程的方式一樣，需要 把有關頭文件和庫函數包含在我們所編寫的工程

50、里面，這樣大大加速了開發(fā)進程 11我們的開發(fā)步驟如下：（1）下載好STM32官方庫包，目前官方庫的版本是V3.5。由于在官方庫 里有許多芯片出廠前配置好的文件，這些文件我們可以在后面的軟件設計過程中 方便的調用。（2）打開MDK軟件，新建一個工程，保存好工程文件到指定文件夾。此時 會有一個選擇Device的選擇界面，選擇我們的芯片型號STMF107VC，選好后會 有添加啟動代碼的對話框，我們可以不選，因為前面官方庫文件V3.5版本中已 經包含了我們芯片所需的啟動文件。（3）配置好官方庫里面自帶的文件后，我們就可以用C語言進行程序編寫， 打開MDK軟件，并點擊其中的Build按鈕進行程序編譯，若

51、編譯的語法與結構 有不對之處，軟件會自動地位定位到出錯位置，可以方便的查找和修改。（4）當編譯沒有出現問題后，我們單個程序下載到做好的系統(tǒng)核心控制板， 這里運用仿真器就可以完成。下圖為KeiluVision軟件編譯界面：KeiluVision軟件編譯界面3.3仿真調試工具介紹作為一款功能齊全的互聯(lián)型芯片，擁有強大的硬件接口和編輯的軟件編譯是 十分有利于芯片的開發(fā)及利用，仿真調試工具也是必不可少的。本課題采用的是 JLINK V8 仿真器，支持全系列 ARM 7/9/11, Cortex_M0/M1/M3 ARM 核，包括 Thumb模式，與IAREWARM集成開發(fā)環(huán)境無縫連接；采用USB接口供

52、電，無需外 接電源；而且J-LINK支持對目標板5V (300mA)，3.3V(400mA)供電；帶USB 連接線和20芯扁平電纜；支持RDI接口，J-LINK可用于具有RDI接口的開發(fā)環(huán) 境，支持主流的開發(fā)環(huán)境本文已將系統(tǒng)核心板與JTAG仿真工具間的連接電 路介紹，仿真器是連接系統(tǒng)硬件電路與PC機之間的橋梁，其連接如圖所示。本系統(tǒng)的主程序主要用于時鐘的設定，各功能模塊的寄存器進行上電后的初 始化操作，Main函數程序執(zhí)行步驟如下：（1）系統(tǒng)初始化；（2）復位和時鐘設定;（3）I/O 口配置；（4）傳感器模塊初始化；（5電源管理系統(tǒng)初始化；（6）系統(tǒng)自 帶AD初始化；（7）濃度誤差分析；（8）

53、執(zhí)行循環(huán)程序。在這里先分別介紹系統(tǒng)初 始化和復位和時鐘設定，其他功能的配置在后文模塊化程序設計中有詳細介紹。1.系統(tǒng)初始化STM32F107芯片的啟動模式有三種，不同的啟動模式是通過BOOT1:0引腳 來控制改變。系統(tǒng)時鐘的第四個上升沿會鎖存BOOT引腳的值在系統(tǒng)復位后，開 發(fā)者需要設置BOOT0和BOOT1引腳的狀態(tài)來選擇不同的啟動方式，當處理器一 旦退出待機模式，BOOT引腳的狀態(tài)就會被鎖存；所以我們需要配置BOOT引腳 來選擇啟動模式，我們在一般使用時選用從主閃存存儲器啟動，下圖為啟動模式 13J啟功模式迷擇由腳啟劫攬式說羽B(yǎng)oonBOOT0X0土可存存隔潞i.閃存存儲服被選為R動區(qū)域G

54、1系統(tǒng)存飴器條鴕存砰器被也為啟動區(qū)域11內段SRAM內賢SRAM被出為啟劫腋域三種啟動模式2.復位和時鐘設定本系統(tǒng)芯片的復位形式有系統(tǒng)復位、上電復位和備份區(qū)域復位三種，在本課 題中采用的系統(tǒng)復位，產生系統(tǒng)復位的情況很多，比如：（1）當STM32F107芯 片的復位引腳上出現一個低電平，一般是在人工復位的時候；（2）當窗口設置了 防護程序，定時計數器終止計數的時候；（3）系統(tǒng)設置了獨立的防護程序，定時 計數器終止計數的時候；（4）當通過軟件設置復位的時候；（5）當系統(tǒng)管理耗能 的時候；這些都能產生系統(tǒng)復位。本系統(tǒng)芯片時鐘可以被HSI振蕩器時鐘、HSE振蕩器時鐘、PLL時鐘三個 時鐘源驅動，系統(tǒng)時

55、鐘源的速度為72MHz，從上圖中結構可以看出，可以設置高 速AHB時鐘APB2為系統(tǒng)時鐘72MHz ；低速AHB時鐘APB1為四分之一模式 72MHz/4=18MHz。另外控制系統(tǒng)使用了 1個ADC，2個轉換通道。其中利用PA1 通道來采集空氣污染物的濃度，利用PA2通道來采集蓄電池電壓。ADC是以72M 作為時鐘源，對2個通道都進行模式的設定，采取樣本的周期為55.5個14在該檢測系統(tǒng)中，核心的程序控制了整個系統(tǒng)，并引導各個模塊的連接。這 樣不僅方便各程序模塊的編寫，同時也為整個系統(tǒng)有條理的運行打下了良好的基 礎，當系統(tǒng)通電，STM32開始初始化，然后傳感器和電源管理系統(tǒng)開始準備啟動 程序，

56、啟動后系統(tǒng)開始數據采集，然后通過數據處理、分析判斷數據是否超標并 顯示出來。未超標繼續(xù)監(jiān)測，如果超標啟動報警裝置，等待司機動作，完后繼續(xù) 開始系統(tǒng)采集。3.5數據采集模塊程序設計當傳感器上電后，通過傳感器模塊電路輸出的模擬信號，經過OP07電壓跟 隨電路進入STM32F107芯片的ADC通道，由自帶AD進行轉換。然后由處理器 判斷數據校驗。通過AD轉換公式計算得出所測數據，最后顯示出來。STM32F107芯片的18個通道可以分別測量外部16個信號源和2個內部信號 源。每個通道間的A/D轉換可以通過單次模式、連續(xù)模式、掃描模式、間斷模 式來執(zhí)行。每次ADC轉換的結果可以存儲在內部16的數據寄存器

57、，這些數據 可以采取左對齊或者右對齊的方式。ADC還具有模擬窗口防護功能，比如判斷執(zhí) 行的程序的輸入電壓是否超出了用戶定義的標準值。雖然STM32系統(tǒng)時鐘頻率 是可以達到72MHz,但是ADC的輸入時鐘頻率不能達到14MHz,這種時鐘頻率可以 通過PCLK2的分頻達到，下圖為ADC模塊的框圖。ADC模塊的框圖hffi竺fs站束Kfti有物牢憎機而i#iu占 此牡帖聚一 潤tfl向!（“心】 閥怕誨取聘卜RDCflMU 亡IGPICl 調n:W嘻傳哆養(yǎng) Wrefe耽訓通道琨.抓布存皆 I1E-I2. ：s境來 *|注久詭道* WEMiffina模擬至敷字擇換期fiDCCLKJEJC-TEELIM

58、J 理?W 位TiMi_TFtOC TIM i cmTIM2： TFLGG TIM? CM3 TlM Ci-14 TILIq TRQDEKTI I* rJI蠟融發(fā)T LL成甲1JEXTTPIG控制位QE7TPGINJ PIMIURP 控 Hl 在TrMiTIM1T M1T I。愴 T M9 T1M+EXTI J 1 O-HKfFFKjW ChiCMSCH3TRQO：； - .L段辿EXTTRIG|Ei|j!f3：TIMl THGO TWll CH Tll4 M3JEMTTFKll 挎刮位(ilAJfLJTllrfJl_CHaTllwieCH*TIW5_THGOTlMD CH4FKTSBLPOI

59、險割他TiM；J._GH 1Time EmTlMl_CH：3TIMHTllJG_CHlTIM5 CH3ETHCREC nSMAF SIADC或）的削辰蓊自由于本模塊需要采集2個傳感器的的數據，所以要選用連續(xù)的單次轉換模 式，當第一個ADC的轉換時間結束，另一個ADC就馬上啟動。一般這種功能可 以通過外部觸發(fā)的方式來獲得，還可以通過ADC寄存器設定ADON位為1時來 獲得。EOC（轉換結束）標志被設置；如果設置了 EOCIE，則產生中斷。如果一個 注入通道被轉換：則轉換數據被儲存在16位的ADC_DRJ1寄存器中；JEOC（注入 轉換結束）標志被設置；如果設置了 JEOCIE位，則產生中斷。設置

60、一個比較穩(wěn) 定的時間tSTAB，確保ADC的轉換更加精準。在開始ADC轉換和14個時鐘周期 后，EOC標志被設置，16位ADC數據寄存器包含轉換的結果。總轉換時間如下計 算：TCONV二采樣時間+12.5個周期。通過上面的簡單寄存器介紹，我們可以通過使用庫函數的函數來設定本節(jié)程 序設計中使用ADC1的通道1進行AD轉換，其詳細步驟如下：開啟STM32F107芯片的PA 口時鐘和ADC1時鐘，設置PA1為模擬輸入 狀態(tài)，同時需要使能GPIOA和ADC時鐘。先行開啟ADC1時鐘，然后對ADC1分頻因子進行設置，并保證分頻因 子能夠控制ADC1時鐘不超過14Mhz。這里設置分頻因子位6,時鐘即為系統(tǒng)