汽车室内空气综合检测系统

1、汽车室内空气综合检测系统摘要 近年来，随着人类活动的加剧，环境问题已经越来越受到人们的关注，对空气质量监测已经成为天气预报必备的条件之一。特别是随着雾霾天气的增加，全国各地各种各样的空气质量监测设备如雨后春笋般出现，这些设备加载了当今先进的科技技术，对于空气污染起到了很好的监测报警作用。 当代社会人们的出行离不开乘坐汽车，但汽车内的空气质量还是令人担忧的。本文研究一种基于 STM32 的汽车室内空气污染物监测系统，通过 32位嵌入式微处理器处理气体传感器采集的数据，利用报警系统及时反映车内的空气质量指数，从而使汽车驾驶人员应时采取一些手段，改善汽车室内空气质量。 本课题从以下三个方面来完成汽车

2、室内空气污染物监测：（1）监测系统硬件部分设计：采用意法半导体公司 STM32 系列中的 STM32F107 为处理核心，包含了传感器选型、数据采集电路、数模转换电路、供电电源电路、BMS(电源管理系统)、系统通讯电路、数据显示、报警电路等。（2）监测系统软件部分设计：包括系统开机自检、数据采集、数据传输、BMS(电源管理系统)、数据存储等程序设计。(3)系统关键技术分析及改善:包括传感器采集浓度准确度分析、报警装置稳定性分析、显示设备实时性分析、电池管理系统可靠性分析、系统不足之处改进等。 关键词意法半导体 STM32；空气监测；电池管理系统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 o

4、f 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 pe

5、oples 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 topic

6、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 circui

7、t, 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 analyze

8、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 mo

9、nitoring; Battery management system引言随着我国社会主义经济的发展，提高了汽车工业在我国经济发展中的产值比例。汽车工业虽然增加了我国的国民经济，但是汽车室内的环境还是让人堪忧的，目前汽车虽然已经普遍安装了空调装置，但是汽车室内的空气质量和环境舒适度仍然很差；另外，影响汽车室内环境的因素还有汽车室外的空气质量、行车路段、天气状况、昼夜温差等。因此，在设计和研发汽车时还应该注意汽车室内的设计，根据汽车自身的设备条件，控制好汽车室温，保持车内空气的新鲜度，保护车内的环境卫生，而且在采取这些措施过程中要确保乘客和汽车驾驶人员的安全，进而从源头控制汽车室内的空气污染，改

10、善汽车室内的空气质量，为人们设计一个舒适的乘车环境。所以，对汽车室内空气综合检测系统的研究是必要的，希望通过本文的研究，能够为我国汽车室内环境的治理和建立完善汽车室内空气质量标准提供一些借鉴经验。1我国汽车室内空气综合检测系统研究现状我国在汽车室内车内空气质量方面的研究落后于国外的先进国家，在2004年7月14日，我国国家环保总局开始起草、制定车内空气污染物浓度限值及测量方法，并在2007年12月开始生效并实施。2008年3月，出台了车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法，但是该检测方法不具有法律的强制规定；同年10月，限值标准讨论会议对车内空气挥发性有机物浓度要求进行补充，并明确指出了对汽

11、车室内一些污染物的控制。2009 年，中国科学技术大学研究生徐定钧运用金属氧化物气体传感器技术，针对车内有害气体进行检测研究，设计出了具有金属氧化物传感器阵列的汽车室内空气检测系统。2011年，针对汽车室内空气质量是否达标，我国颁布了于2012年3月1日生效的乘用车内部空气质量空气指南，该指南的实施，标准我国在车内空气质量检测方面有了一定的进步，也为本监测系统的设计方面提供了一定的理论基础和技术指导。2015年，我国室内车内环境监测委员会发布了一号文件,经营者、生产者必须在2015年1月1日至2015年1月31日自行检查并纠正其违规违法的生产经营活动。2015年2月1日以后，我国工商行政管理局

12、和市场监管局对于仍不采取措施调整生产经营活动的或是整改不符合国家标准的将依照相关的法律法规予以处罚；被处罚过的经营者、生产者仍不整改的，视为新的违法、犯罪行为，依照相关法律法规对其从重处罚。中国室内车内环境监测工作委员会所颁布的一号文件要求，各行各业都必须遵守行业规则、准责，加强自身的生产、经营管理，自觉遵守我国的法律法规，严格按照我国的法律法规和国家政策进行生产和经营活动，并根据我国的工商行政管理总局的要求，自行检查和调整，规范行业的发展。2汽车室内空气综合检测系统的研究随着汽车的普及和数量的增加，逐渐暴露了汽车室内污染的问题，越来越多的人注重汽车室内空气的质量，而且多家媒体也报道此问题，而

13、且我国的室内环境空气质量监测中心选取了许多型号的汽车进行研究和测试，结果表明汽车室内的空气环境较差。 2.1 汽车室内环境污染物及其发生源 2.1.1 汽车室内空气污染物及其类型 目前科学研究表明，已经发现数百种汽车室内污染物，根据污染物的来源将其分为以下三种： 1. 化学性污染物 化学性污染物主要包括从装修材料、化妆用品、座椅等地方释放或排放出来的包括氨、氮氧化物、硫氧化物、炭氧化物等无机污染物及甲醛、苯、二甲苯等有机污染物。即可以分为两类:(1)挥发性有机物；(2)无机化合物。 2. 物理性污染物 物理性污染物包括汽车室内室外产生的噪音、汽车室内灯光照明不足或过亮、温度、湿度过高或过低所引

14、起的相关问题等。即可以分为三类：(1)放射性氡及其子体；(2)噪声与振动；(3)汽车电器与照明设备引起的电磁污染。 3. 生物性污染物 生物性污染物主要是指因生物污染因子，包括细菌、真菌、花粉、病毒和生物体等引起的污染。按其性质分为两类：(1)悬浮固体污染物，灰尘、可吸入尘、微生物细胞（细菌、病毒、霉菌、尘螨等）、植物花粉、烟雾。最主要的是由汽车室外大气进入汽车室内的颗粒物，它们往往由于吸附一些能导致人体癌变的化学物质而被人类所普遍关注；(2)气体污染物，SO、NO、O、NH、VOC (甲醛、苯系物)、氡气、射线等1。 依据污染物的形成原因和形成方式，以及污染物以何种方式进入汽车内，将汽车室内

15、污染物的源于概括为两种：一是来源汽车自身，二是汽车室外污染物的进入。 2.2 汽车室内空气污染的特点 汽车室内污染有如下特点： 1.人为因素致使汽车室内空气被污染，即汽车室内污染物不是自然现象引发的，也不是天气变化和社会条件致使的。2.影响范围大。汽车室内空气污染与重工业对环境的污染是不相同的，而且与局部区域的河流污染、土壤污染等环境污染是有区别的，由于我国经济的快速发展推动了汽车工业进一步发展，扩大了汽车对社会的影响范围，至今已涉及到各个年龄段的人。 3.接触时间较长。随着汽车的普遍使用，增加了人们乘坐汽车的时间，尤其是汽车驾驶员、上班族、有车族、工人和学生，即使短时间的乘车也要2-4 小时

16、，而长时间呆在有污染物的汽车内将会影响人们的健康。4.污染物种类多。汽车室内污染物的种类不是单一的，而是多种多样的，包括固体颗粒状污染物、分子状污染物、放射性污染物以及微生物污染，它们都可能存在于汽车室内，并在室内相互作用和抵抗。 5.污染物浓度低。汽车室内空气污染物的类型是多样的，与其它环境污染相比，其污染程度要低得多，而且只针对单一的污染物来讲，其污染浓度比较微弱，但多种类型的污染物混合在一起就会增加污染浓度，对人体的危害也是很大的。 6.污染物危害大。虽然室外的空气遭受污染时浓度较大，但是大气对其有较强的吸附能力，经过一段时间空气质量就会明显变好，但是室内空气受到污染并不好改善，安装的空

17、调设备等只能在一定程度上降低空气污染，并不能从根本上解决室内空气污染问题，而且还消耗能源，提高了室内污染物对人体的危害。7.健康危害不清。室内空气污染虽然浓度较低，但是人们长时间处在空气受污染的室内，致使人体健康受到威胁，但产生的后果并不是明确的。 2.3汽车室内空气污染物的来源 汽车室内污染物的来源主要有以下五种：1.发动机 汽车发动机产生的CO、NO、SO、可吸入颗粒物、甲醛、多环芳烃等。 2.汽车尾气 汽车排放的尾气中含有大量氮氧化物、一氧化碳、多环芳香烃等，汽车在高速公路行驶过程中，尤其在经过复杂的路段时，由于整体车厢的封闭，这些有害气体进入汽车室内，也没有采取一些措施降低污染浓度，反

18、而严重影响车内驾驶人员和乘员的身体健康。 3.HAVC系统 汽车空调设备及系统管理不善和不当操作也会引起汽车室内空气的污染，如空调设备中新风采集口受到污染；空调设备的过滤器出现故障，无法过滤受污染的空气；气流组织不合理，导致污染物在某些地方得到积累，引发室内空气的污染；空调系统的凝结水盘和冷却水中有可能存在的一些污染物，致使室内的空气受到污染2。 4. 车内装饰材料 车内装饰材料和化学品释放的甲醛和挥发性有机化合物、氡及其子体等。 5. 乘客 乘客本身也是室内空气污染的来源。人体活动过程中呼出的气体和排出的汗液都是污染物的来源，包括氮化物、乳酸、角质层、二氧化碳等。此外，人们说话、咳嗽、打喷嚏

19、将呼吸道中存在的各种病原体、细菌排入到室内空气中。而且一些乘客在车内吸烟，致使汽车室内的空气受到污染。下表说明了每根香烟产生的污染物浓度3。每根香烟产生的烟雾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 羟基硫化物 18-42 g 苯 12-48 g 甲苯 100-200 g 甲醛 70-100 g 氨 50-130 g 氮氧化物 100-600 g2.4汽车室内空气品质的定义及影响因素 2.4.1 室内空气品质的概念 汽车室内的环境影响人们的身体健康，随着人们对室内环境认知程度的加深，提出了室内空气品质理论。室内空气品质是指,某个环境内的空气对人们日常生活的

20、影响程度，显现了人们对环境的要求，是供人们呼吸的空气，包括影响人体的温度、湿度、气候、昼夜温差、气流结构和空气浓度。热湿环境是大部分人群认为最适宜的室内环境，且这种环境的空气新鲜度和空气质量较好，以满足人体舒适和健康的需要4。 2.4.3 影响汽车室内空气质量的因素 基于室内空气品质的概念来分析汽车室内空气品质受哪些方面的影响，具体概括出以下四点： 1.新风的质量。汽车窗口流入的空气的质量和空调的新风口吸入空气的质量直接决定了汽车室内空气品质的好坏。 2.汽车室内和室外的温度、湿度及汽车室内空气组织结构，这些都影响着车内的空气品质。 3.汽车室内空气污染物的浓度。如固体悬浮物、气体污染物等生物

21、性污染物，有挥发的有机物、无机化合物的化学性污染物，放射性氡、噪声、汽车照明等物理性污染物，这些污染物在综合作用下影响着汽车室内空气的浓度。 4.汽车室内的气流组织结构。良好的气流组织结构既可以降低汽车室内污染物的浓度，又可以减少污染物对人体的损害，如果没有一个合理的气流组织结构，污染物将会长时间作用于人体，带来不利的后果。 2.5汽车室内空气综合检测系统的建立 2.5.1 汽车室内空气综合检测系统建立的意义和目的 汽车室内空气污染降低了人们的生活和工作质量，也致使人们的身体健康遭受危害。这主要是因为，随着汽车工业的发展，交通工具也变得多样化，如汽车、火车、地铁、高铁、飞机和轮船，方便了人们的

22、出行，从而增加了人们的车车时间；而且汽车室内污染物的来源、种类以及浓度不断上升，室内环境每况愈下；再加上汽车等都通常采用车厢密封的方法来减少耗能，而且有的汽车内空调设备比较落后或安装时间较长，降低了空调的作用，促使汽车室内的污染物浓度不减反而增加，污染物不能及时排出车外，导致汽车室内环境变差。 汽车室内空气污染物不仅产生于汽车室内，而且还可能是由于汽车室外环境中的污染物进入汽车室内的导致的。汽车室内的污染物来自于汽车的车座、装饰物品等，以及车主自身产生的污染物。汽车室外的污染物来自汽车室外空气环境中的污染物，如工业废气、汽车尾气等。目前，我国并没有完善的针对汽车室内空气质量标准方面的法律法规，

23、为对汽车室内空气污染进行防控与提高汽车室内的空气品质，需要依据我国的汽车室内空气质量的现状，借鉴国外先进国家对汽车室内空气质量标准，研发先进的、完善的汽车室内空气质量综合检测系统，并为完善我国汽车室内空气质量标准方面相关的法律法规提供借鉴方案。 2.5.2 汽车室内空气综合检测系统各参数标准值的确定 为了使确定的汽车室内空气综合检测系统参数值标准化，笔者对汽车室内污染物进行了相关调查，同时参考世界卫生组织汽车室内空气质量标准和我国汽车室内空气质量标准来确定系统参数值，即确定标准化的二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、氨、甲醛、苯、甲苯、二甲苯、TVOC、温度、相对湿度和空气流速的参数值5。

24、 1. 二氧化硫 二氧化硫是一种无色的气体，且有刺激性气味，影响人们的呼吸，并刺激人体的呼吸道。二氧化硫浓度为10-15ppm，就会开始影响呼吸道的正常功能；二氧化硫浓度为20ppm，人们就会开始咳嗽，还对人们的眼睛有一定的刺激性；当人们在8小时到24小时之内吸入浓度为100ppm的二氧化硫时，便会严重影响人们的支气管和肺，致使人们呼吸不畅、咳嗽加重，甚至使支气管和肺受损症状；当二氧化硫浓度高达400ppm 时，会致使人们呼吸困难。如果人们不仅吸入了二氧化硫，还吸入了固体颗粒漂浮物，则会扩大3-4 倍二氧化硫对肺的损伤。世界卫生组织对室内空气质量标准的规定为每24小时二氧化硫的浓度为0.125

25、3mg/m。我国环境保护部和质量监督检验检疫总局在201年联合发布了编号为GB3095-2012的环境空气质量标准，并对二氧化硫进行二级浓度限值，限定二氧化硫1小时的平均浓度为0.50mg/m；我国GBT18883-2002室内空气质量标准规定二氧化硫 1 小时平均浓度为0.50mg/m。二氧化硫的存在只是致使汽车室内空气污染的一个小因素，所以，对二氧化硫浓度参数值的确定按照我国GBT18883-2012室内空气质量标准规定的二级浓度限定值采取样本为 1 小时平均浓度为0.50mg/ m。 2. 二氧化氮 二氧化氮是一种棕红色气体，且有臭味，具有一定的刺激性和腐蚀性。二氧化氮对于呼吸系统有病症

26、的人有较大的危害性，二氧化氮能加重哮喘患者的病情，也会影响青少年的成长。经研究表明，长时间处在有二氧化氮存在的空气污染环境中，可能会诱发肺部的病变。然而，汽车室内的二氧化氮主要是来源于汽车自身排放的尾气和汽车室外空气中存在的二氧化氮进入了车内。 世界卫生组织曾用动物做实验，验证二氧化氮的危害以及浓度数值，确定二氧化氮的浓度为0.943mg/m就会影响到动物的健康，并将此浓度设定为标准浓度值。后期又经过多次的试验，结果证明了0.80-1.00mg/ m浓度的二氧化氮就会危害到动物自身，0.31-0.62mg/m浓度的二氧化氮便可威胁人们身体健康。空气中不同NO含量对人体的危害空气中NO含量 呼吸

27、时间与症状 mg /L 0.004 0.19 短时间作用无明显反应 0.006 0.29 短时间作用气管感到刺激 0.010 0.48 短时间内就会咳嗽，长时间对生命有危险 0.025 1.20 短时间内会迅速死亡我国 GBT18883-2002室内空气质量标准规定二氧化氮浓度的标准值为 1 小时平均0.243mg/m。 二氧化氮也是汽车室内污染物的一小部分，所以，对汽车室内二氧化氮参数标准化取值依照我国的GBT18883-2002室内空气质量标准的规定浓度，确定二氧化氮参数为1小时平均浓度为0.24mg/m。 3. 一氧化碳 一氧化碳是通过血液作用于人体的，其与血液中的血红蛋白相互融合、相互

28、作用，形最终形成了碳氧血红蛋白（COHb）, 一氧化碳与血红蛋白结合的能力远超过氧气与血红蛋白结合的能力，从而降低了血液输送氧的能力，造成低氧血症，引起组织缺氧。缺氧首先损害大脑和心肌。若碳氧血红蛋白在人体内的浓度达到10，就会引发心血管疾病，导致中枢神经紊乱；若浓度为2.5，则会增加胸痛的程度6。 在 CO气体中暴露8h后出现的症状CO 浓度（ppm） 症状50 无症状 100 前额有紧绷感，轻微头疼 200 头痛且太阳穴跳动 300 严重头痛、眩晕、呕吐及虚脱 2000 1h 内死亡 世界贸易组织确定的标准是空气中一氧化碳浓度应该与血红蛋白结合成的COHb在人体血液中的浓度为2.5%以内。

29、同时WHO Guideline规定一氧化碳浓度指标为103mg/m。 空气中不同 CO含量对人体的危害CO 含量（） 呼吸时间与症状0.02 2-3h，感到轻微头疼0.04 1-2h，前头疼；2.5-3.5h，后头疼0.08 45min，头疼，随着呕吐；2h，神智昏迷0.16 20min，头疼，随着呕吐；2h，死亡0.32 5-10min，头疼；30min，死亡0.64 1-2min，头疼；10-15min，死亡1.28 吸入几次即昏迷，1-3min，死亡我国GB3095-2012环境空气质量标准对一氧化碳的浓度进行了二级浓度的限值，限定为1小时平均10mg/m。 经过上面的分析，结果表明了一

30、氧化碳不是致使汽车室内空气污染的最直接的污染物，对于汽车室内空气综合检测系统中一氧化碳参数值的确定，选取了浓度为1 小时平均10mg/m，即约为9ppm。 4. 二氧化碳 人们活动产生了大量的二氧化碳，室内的容积以及通风状况都会涌向二氧化碳的浓度，二氧化碳的浓度达到一定数值就会危害人体健康，而且二氧化碳与其它污染物相互作用会加剧室内空气污染的恶化。 通常来说，室内的二氧化碳浓度低于0.07%对人体是不会有任何影响的， 0.1%时个别敏感者有不舒适感；0.15%时不舒适感明显。 二氧化碳浓度对人的影响二氧化碳浓度（） 生理心理影响0.3 对人体生理没有影响0.5-0.8 长期暴露对肌体影响轻微

31、1.0 人体每分钟呼吸量和潮气量增加 60，胃酸酸度升高，心力储备下降2.0 运动适应能力开始下降 3.0 人体每分钟呼吸量和潮气量增加 100-130，基本生理功能改变 7.0-9.0 人体耐受极限 10.0 意识丧失，呼吸变弱，血压下降，甚至死亡 GB/T17094-1997中国室内空气质量标准规定二氧化碳浓度0.10%（2000mg/m）。GBT18883-2002室内空气质量标准规定二氧化碳的标准浓度值为1260mg/m。 为了人们的安全、身体健康和乘车环境更好，对于汽车室内空气综合检测系统中二氧化碳浓度的参数值的确定，选用浓度1200mg/m，即1000ppm。 5. 氨 氨遇到其它

32、一些物质容易发生溶解，对人的眼睛、呼吸道和皮肤的有刺激性。Saifutdinov（1966）测定 22 位最敏感者嗅阈为0.5-0.55mg/m。氨还具有腐蚀性，当室内氨的浓度太高，就会严重损害中枢神经系统和三叉神经，导致休克，人体停止呼吸、心脏停止跳动。人们能够接受的氨的浓度在0.5-1mg/m之间，若是浓度超过50mg/m，就会强烈刺激鼻子、咽喉、眼睛，当浓度超过了500 mg/m，就会出现强烈刺激症状，当浓度超过1500mg/m，就会威胁到生命安全，3500mg/m以上可即时死亡，而且人们若是处在缺氧状态下，则会加大氨的毒性7。 我国GBT18883-2002室内空气质量标准规定氨的浓度

33、值为0.20mg/m。 在对汽车室内空气综合检测系统的设计中，确定氨的浓度的参数值为0.20mg/m。 6.甲醛 甲醛有很强的毒性，在我国有毒化学品排行榜中中占据第二名。并且世界卫生组织也将甲醛列为致癌物质及致畸形物质，甲醛严重威胁着人类的安全。 长期处在被甲醛污染的汽车室内环境中，会诱发许多状况。汽车室内甲醛气味不易消散，长时间作用于人体；降低了人体免疫力，易引发病情；感觉嗓子不舒服，而且呼吸不畅；有群发性的皮肤过敏现象；在汽车室内的乘客们都感觉有些不舒服，离开汽车后却明显缓解不适。 短时间甲醛暴露的人体急性刺激反应人体健康效应 空气甲醛浓度水平（mg/m） 报道范围 中位数 嗅觉 0.06

34、-1.2 0.1 眼刺激感 0.01-1.9 0.5 咽刺激感 0.1-3.1 0.6 眼刺激感 2.5-3.7 3.1 流泪(30 分钟暴露 5.0-6.2 5.6 强烈流泪(1 小时暴露) 12-25 17.8 危及生命:水肿、炎症、肺炎 37-60 37.5 死亡 60-125 125 我国GBT18883-2002室内空气质量标准规定了甲醛浓度的标准数值为1小时平均0.10mg/m。世界卫生组织以人们嗅觉的承受浓度值的中间数作为浓度标准值，制定甲醛在室内空气浓度为0.10mg/m。汽车室内的空间是有限的，且甲醛造成汽车室内空气污染的重要因素，参考世界卫生组织的室内空气质量标准和我国的室

35、内空气质量标准，确定本文设计的汽车室内空气综合检测系统内甲醛的参数值，选取值为0.12mg/m，即0.1ppm。 7.苯 世界卫生组织在1993年将苯纳入致癌物质行列。苯的毒性是剧烈的，其不仅能够致使人们患上癌症，还对血液和遗传方面有损害，严重影响人们的身体健康。苯中毒损伤人体的中枢神经、神经以及造血器官、造血干细胞。 如果一个人在很少的时间内吸入4000ppm 以上的苯，就会刺激到人体的短时间除黏膜及肺，还会抑制中枢神经，此时人们就会感到头痛、恶心、抽痉及心律不整，甚至陷入昏迷状态。吸入 14000ppm以上的苯会立即死亡。GBT18883-2002室内空气质量标准规定苯为 0.11mg/m

36、。 吸入苯蒸汽引起的健康效应效应 描述 暴露 水平（20） 来源时间 /（mg/m） 死亡 5-10min 64800 Thienes(1972 年) 中枢神经系统 头晕，困倦，头痛，恶心 数小时 810-1620 Clayton(1994 年) 致突变 染色体变异 整年 64.8-324 EBS(1996 年) 致癌 急性非淋巴白血病（ANLL） 整年 64.8-162 EBS(1996 年) 参照我国 GBT18883-2002室内空气质量标准，考虑到苯是污染汽车室内空气的重要污染物，汽车室内空气综合检测系统中对苯的取值略低于我国室内空气质量标准中规定的标准数值，采用0.10mg/m。 8

37、. 甲苯 甲苯是一种无色的、透明的物质，而且极易挥发。当汽车室内的甲苯浓度达到一定的数值，汽车内的人就会感到头晕目眩，甚至引起头痛，威胁了人们的安全。 人们吸入甲苯后，虽然会有一半的甲苯随着人体的新陈代谢而排出体外，但是在排出体外的过程中人会对人体产生不小的损害，当人体血液中甲苯浓度达到1250mg/m时，明显会出现人们记忆能力减退、注意力不集中等现象。 我国GBT18883-2002室内空气质量标准规定甲苯为0.20mg/m。 依据我国室内空气质量标准中甲苯的标准浓度值，汽车室内空气综合检测系统内对甲苯的参数值采用0.20mg/m。 9. 二甲苯 二甲苯与苯有着一定的相同之处，但二甲苯还具有

38、苯不具有的特性，即麻醉作用。二甲苯的这一特性不但可以损坏造血干细跑，致使造血器官受损，还可能致使人们神经紊乱。二甲苯的毒性与苯比较相近，中毒者往往会感觉到浑身无力、头晕目眩，像喝醉酒了一样，而且呼吸困难、浑身颤抖，有时候还伴随着恶心、呕吐，甚至严重的时候会导致休克。汽车室内的二甲苯浓度若是过高，易引发汽车驾驶员的安全性问题。根据我国的GBT18883-2002室内空气质量标准规定的二甲苯标准值为0.20mg/m，对于本文汽车室内空气综合检测系统中二甲苯的参数值采样为0.20mg/m。 10. TVOC 以前人们认为人们自身新陈代谢排出的废物是污染室内空气的主要原因，并选取室内二氧化碳浓度值作为

39、衡量室内空气质量的标准。汽车工业的发展促使生产汽车车内的装饰品等行业的发展，但是对于这些装饰品的使用反增加了室内的污染物，其中具有挥发性的有机化合物（VOCs）的类型显著增多。而且现在很多权威组织均提议，用室内存在的所有的挥发性有机物（TVOC）作为衡量室内空气质量的指标，并分析TVOC对人体健康的影响和作用8。 VOC 的危害主要包括五个方面：(1)嗅味不舒适；(2)感觉性刺激；(3)局部组织炎症反应；(4)过敏反应；(5)神经毒性作用。 TVOC对人体健康的影响效果浓度范围（mg/m） 健康效应 25 除头痛外，可能出现其他的神经毒性作用 按照世界贸易组织在1989年提出的挥发性有机化合物

40、（VOC）的概念来理解，VOC是指沸点为50-100与240-260之间的有机化合物。 国外或国际组织相关法规标准国家 美国 芬兰 德国 新加坡 香港 TVOC 0.2 S3: 0.6 0.3 3ppm S2: 0.6（mg /m） 来源 US-EPA FIsIAQ Seifert ENV（1996） (1995) (1990) (1996) EHS Consultants Limited 挪威学者 Elmund Skaret 在此基础上，推荐出一套建筑物设计目标要求，VOC具体浓度指标如表所示。 建筑物 VOC 浓度设计目标典型本底水平 设计目标范围室内VOC浓度（g/m） 300 300

41、楼板VOC浓度（g/m） 100-5000 200-500 墙壁VOC释放量（g/m） 20-1000 40-100 室内通风量（L/sm） 0.1-4.6 0.2-0.5(0.7*) 其中（0.7*）为北欧建筑法规委员会推荐值。我国GBT18883-2002室内空气质量标准规定，TVCO每8小时平均浓度值为0.6 mg/m。经过上面的分析，确定了挥发性有机物质是造成汽车室内控室污染最大的因素，也是对人体危害最大的污染物。因为TVOC是多种多样的并，在对其确定参数值时参考了新加坡、芬兰的室内空气质量标准，并依据我国的室内空气质量标准，采取汽车室内综合检测系统中TVOC的参数值为的0.30mg/

42、m。 11. 温度 我国GBT18883-2002室内空气质量标准对室内温度进行标准化规定，夏季在开空调的情形下室内温度应保持在22到28之间，冬季供热时室内温度应保持在16到24之间。 台湾地区室内空气质量标准对室内温度标准值确定为23-28，德国室内空气质量标准规定室内的温度的应该控制在18至20之间。依据台湾、德国的空气质量标准，并结合我国室内环境现状，对汽车室内空气综合检测系统中温度值进行设定，设置冬季温度在18至20之间，夏季温度在23到28之间。 12. 相对湿度 我国GBT18883-2002室内空气质量标准对室内相对湿度标准数值的规定，夏季在开空调的情形下室内相对湿度应保持在4

43、0-80之间，冬季供热时室内温度应保持在30-60之间。美国室内空气质量标准对室内的相对湿度值进行规定，确定标准的相对温度值为20-60。日本室内空气质量标准规定室内的相对湿度应该控制在40-70。根据美国、日本的空气质量标准的规定，结合我国室内温度的情况，汽车室内空气综合检测系统中相对湿度值确定为，冬季的室内温度为25-60，夏季的室内温度为40-70。 13. 空气流速 我国GBT18883-2002室内空气质量标准规定了标准的室内空气流速数值，即夏季在空调作用下的空气流速为0.3m/s，冬季在供暖情形下的空气流速为0.2m/s。 台湾室内空气质量标准对室内空气流速数值进行了规定，设定的标

44、准值为0.15-0.5 m/s。日本室内空气质量标准设定的空气流速为小于0.5 m/s。根据台湾、日本的空气质量标准，并考虑我国的气候、地理位置和地形，汽车室内空气质量综合检测系统中空气流速参数值采用日本室内空气质量标准规定的数值，规定为小于0.5 m/s。 4.4 汽车室内空气综合检测系统通过上文对汽车室内污染物来源、类型、影响以及空气品质的总结和系统参数的分析，对汽车室内空气质量综合检测系统参数值进行标准化确定，各参数值如下表。汽车室内空气品质评价体系序号 参数类别 参数 单位 标准值 1 化学性 二氧化硫 mg/m 0.50 2 二氧化氮 mg/m 0.24 3 一氧化碳 mg/m 10

45、 4 二氧化碳 mg/m 1200 5 氨 mg/m 0.20 6 甲醛 mg/m 0.12 7 苯 mg/m 0.10 8 甲苯 mg/m 0.20 9 二甲苯 mg/m 0.20 10 化学性TVOC mg/m 0.30 11 物理性 温度 18-20（冬） 23-28（夏） 12 相对湿度 25-60（冬季采暖）40-70（夏季空调）13 空气流速 m/s 0.52.6 本章小结 本章先行论述了汽车室内污染物的类别、特征、来源以及对人们身体健康的危害，又介绍了室内空气品质的相关理论，并对影响汽车室内空气质量的因素进行梳理，最后说明建立汽车室内综合检测系统的目的和意义，以及系统参数的确定。

46、3 汽车室内空气综合检测系统软件设计本检测系统的软件部分采用模块化设计，在分析 STM32 系列产品架构的基础上，运用 C 语言及 MDK 开发平台，设计了以下程序：检测系统整体程序设计、采集模块程序、电源管理模块程序及输入输出模块程序。 3.1 STM32 系统架构分析 本系统采用的核心芯片 STM32F107 是基于 Cortex-M3 内核，属于互联型产品，该芯片的系统架构五个驱动单元：分别是 Cortex-M3 内核、Dcode 总线(D-bus)、系统总线(S-bus) 、通用 DMA1 和通用 DMA2 、以太网 DMA ，这些驱动单元。三个被动单元分别是：SRAM、内部 FLAS

47、H、AHB 到 APB 的桥(AHB2APBx)9。由一个多级的 AHB 总线构架完成上面驱动单元和被动单元的连接，其结构如图。STM32 互联型产品系统架构图中，在ICode总线上完成指令预取，且通过此总线架起Cortex-M3内核的指令总线与 FLASH 接口之间的桥梁；在 DCode总线上完成 Cortex-M3内核的 DCode 总线与FLASH 的数据接口的连接；在系统总线上完成 Cortex-M3 内核的系统总线(外设总线)与总线矩阵的连接；Cortex-M3 内核与 DMA 间连接由总线矩阵协调完成；DMA 总线的作用是连接 DMA 的 AHB 接口和总线矩阵；总线矩阵协调着CP

48、U的DCode和DMA到SRAM、闪存和外设的访问；总线矩阵协调内核系统总线和 DMA 主控总线之间的访问仲裁。另外两个AHB/APB 桥在AHB 和2个APB总线间提供同步连接10。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速(最高 72MHz)。在每一次复位以后，所有除SRAM 和FLITF以外的外设都被关闭，在使用一个外设之前，必须设置寄存器RCC_AHBENR来打开该外设的时钟。从图中可以看出，STM32 系列中的互联型产品系统结构非常丰富，因此在设计本系统软件时，需要配置到很多相应的结构，这在后文模块化软件设计中会有详细介绍。 3.2 开发环境及功能介绍 本检测系统的软件部分开

49、发设计选用了目前最通用的编程语言C 语言，C 语言灵活性和结构化程序大大提高了本系统软件部分的设计效率。因此，在使用 MDK 作为嵌入式开发工具时，我们需要选用 ST 公司在开发芯片的时候为了方便用户开发所提供的 STM32 固件库，这些固件库在官方网站可以下载，所以在进行后面程序编写的同时，我们需要采用和 51 单片机编程的方式一样，需要把有关头文件和库函数包含在我们所编写的工程里面，这样大大加速了开发进程11。我们的开发步骤如下： （1）下载好 STM32 官方库包，目前官方库的版本是 V3.5。由于在官方库里有许多芯片出厂前配置好的文件，这些文件我们可以在后面的软件设计过程中方便的调用。

50、 （2）打开MDK软件，新建一个工程，保存好工程文件到指定文件夹。此时会有一个选择 Device 的选择界面，选择我们的芯片型号STMF107VC,选好后会有添加启动代码的对话框，我们可以不选，因为前面官方库文件V3.5版本中已经包含了我们芯片所需的启动文件。 （3）配置好官方库里面自带的文件后，我们就可以用 C 语言进行程序编写，打开MDK软件，并点击其中的Build 按钮进行程序编译，若编译的语法与结构有不对之处，软件会自动地位定位到出错位置，可以方便的查找和修改。（4)当编译没有出现问题后，我们单个程序下载到做好的系统核心控制板，这里运用仿真器就可以完成。下图为 KeilVision 软

51、件编译界面：KeilVision 软件编译界面3.3 仿真调试工具介绍 作为一款功能齐全的互联型芯片，拥有强大的硬件接口和编辑的软件编译是十分有利于芯片的开发及利用，仿真调试工具也是必不可少的。本课题采用的是 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，与IAR EWARM集成开发环境无缝连接；采用USB接口供电，无需外接电源；而且 J-LINK 支持对目标板 5V（300mA），3.3V(400mA)供电；带USB连接线和20芯扁平电缆；支持RDI接口，J-LINK可用于具有RDI接口的开发环境，支持主流的开发

52、环境12。本文已将系统核心板与 JTAG 仿真工具间的连接电路介绍，仿真器是连接系统硬件电路与PC机之间的桥梁，其连接如图所示。仿真器使用连接示意图3.4 系统整体程序设计 本系统的主程序主要用于时钟的设定，各功能模块的寄存器进行上电后的初始化操作，Main 函数程序执行步骤如下：（1)系统初始化；(2)复位和时钟设定；（3) I/O 口配置；（4)传感器模块初始化；(5电源管理系统初始化；(6)系统自带 AD 初始化；（7)浓度误差分析；(8)执行循环程序。在这里先分别介绍系统初始化和复位和时钟设定，其他功能的配置在后文模块化程序设计中有详细介绍。 1.系统初始化 STM32F107芯片的启

53、动模式有三种，不同的启动模式是通过 BOOT1:0引脚来控制改变。系统时钟的第四个上升沿会锁存 BOOT 引脚的值在系统复位后，开发者需要设置BOOT0 和 BOOT1 引脚的状态来选择不同的启动方式，当处理器一旦退出待机模式，BOOT引脚的状态就会被锁存；所以我们需要配置 BOOT 引脚来选择启动模式，我们在一般使用时选用从主闪存存储器启动，下图为启动模式13。三种启动模式2复位和时钟设定 本系统芯片的复位形式有系统复位、上电复位和备份区域复位三种，在本课题中采用的系统复位，产生系统复位的情况很多，比如：（1）当 STM32F107 芯片的复位引脚上出现一个低电平，一般是在人工复位的时候；（

54、2）当窗口设置了防护程序，定时计数器终止计数的时候；（3）系统设置了独立的防护程序，定时计数器终止计数的时候；（4）当通过软件设置复位的时候；（5）当系统管理耗能的时候；这些都能产生系统复位。 本系统芯片时钟可以被 HSI 振荡器时钟、HSE 振荡器时钟、PLL 时钟三个时钟源驱动，系统时钟源的速度为 72MHz，从上图中结构可以看出，可以设置高速 AHB 时钟 APB2为系统时钟 72MHz；低速 AHB 时钟 APB1 为四分之一模式 72MHz/4=18MHz。另外控制系统使用了 1个 ADC，2 个转换通道。其中利用PA1通道来采集空气污染物的浓度，利用PA2通道来采集蓄电池电压。AD

55、C是以72M作为时钟源，对2个通道都进行模式的设定，采取样本的周期为55.5个14。在该检测系统中，核心的程序控制了整个系统，并引导各个模块的连接。这样不仅方便各程序模块的编写，同时也为整个系统有条理的运行打下了良好的基础，当系统通电，STM32开始初始化，然后传感器和电源管理系统开始准备启动程序，启动后系统开始数据采集，然后通过数据处理、分析判断数据是否超标并显示出来。未超标继续监测，如果超标启动报警装置，等待司机动作，完后继续开始系统采集。3.5 数据采集模块程序设计 当传感器上电后，通过传感器模块电路输出的模拟信号，经过 OP07 电压跟随电路进入STM32F107芯片的 ADC 通道，

56、由自带 AD 进行转换。然后由处理器判断数据校验。通过 AD 转换公式计算得出所测数据，最后显示出来。STM32F107芯片的18个通道可以分别测量外部16个信号源和2个内部信号源。每个通道间的A/D 转换可以通过单次模式、连续模式、扫描模式、间断模式来执行。每次 ADC 转换的结果可以存储在内部 16 的数据寄存器，这些数据可以采取左对齐或者右对齐的方式。ADC还具有模拟窗口防护功能，比如判断执行的程序的输入电压是否超出了用户定义的标准值。虽然 STM32 系统时钟频率是可以达到 72MHz,但是ADC的输入时钟频率不能达到14MHz,这种时钟频率可以通过PCLK2 的分频达到，下图为 AD

57、C 模块的框图。ADC 模块的框图由于本模块需要采集 2 个传感器的的数据，所以要选用连续的单次转换模式，当第一个 ADC 的转换时间结束，另一个 ADC 就马上启动。一般这种功能可以通过外部触发的方式来获得，还可以通过 ADC 寄存器设定 ADON 位为 1 时来获得。EOC(转换结束)标志被设置；如果设置了EOCIE，则产生中断。如果一个注入通道被转换：则转换数据被储存在16位的ADC_DRJ1寄存器中；JEOC(注入转换结束)标志被设置； 如果设置了 JEOCIE位，则产生中断。设置一个比较稳定的时间tSTAB，确保ADC的转换更加精准。在开始ADC转换和14个时钟周期后，EOC标志被设

58、置，16位ADC数据寄存器包含转换的结果。总转换时间如下计算：TCONV= 采样时间+12.5个周期。 通过上面的简单寄存器介绍，我们可以通过使用库函数的函数来设定本节程序设计中使用ADC1的通道1进行AD转换，其详细步骤如下： （1）开启STM32F107芯片的PA口时钟和 ADC1时钟，设置PA1为模拟输入状态，同时需要使能GPIOA和ADC时钟。 （2）先行开启ADC1时钟，然后对ADC1分频因子进行设置，并保证分频因子能够控制ADC1时钟不超过14Mhz。这里设置分频因子位6，时钟即为系统时钟的六分之一，为12MHz。 (3初始化ADC1参数，可以分为配置ADC1的模式为单次转换模式和

59、设置 ADC1规则序列，在这里设置规则的序列，并设立1和0两个通道，并利用通道0对周期时间进行样本的采取。 (4）在前面的设置工作都做好后，开启AD转换器，并执行复位校准和AD校准，为确保结果的准确性，对这项内容的执行时不可缺少的。 (5）对模拟输入、分频因子、参数设置和校准后，ADC的准备工作就完成了。然后再对0通道进行规则序列设置，设置好后便可启动ADC转换。转换结束后就可对ADC1_DR里面的值进行读取了。 3.6 电源管理模块程序设计 电源管理模块的目的是监测汽车蓄电池电压，该部分的程序主要是采集蓄电池电压，通过转化电路转化为系统芯片能够承受的 3.3V。(1）汽车启动自检：当汽车点火

60、后，发动机开始工作，此时系统供电由汽车蓄电池提供，发送自检程序，主要检验此时汽车电池的稳定性。 (2）响应程序：自检程序完成后等待系统命令，如果电压达到系统设定范围，则开始响应程序，响应确定后开始监测电压数据。 （3）电压数据读取：此处程序启动 ADC 转换程序，配置 ADC 等在前面已经介绍。当ADC 转换成功后，由核心处理器开始数据校验，检验数据是否符合设定值。如果出错则返回等待命令程序，数据校验正确则继续运行。 （4）数据计算和输出，这里将校验好的数据通过公式计算转换后传输到显示屏显示。 3.7 输入输出模块程序设计 本系统采用的 STM32F107 芯片不支持可变静态存储控制器技术，所