汽车室内空气综合检测系统.docx

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汽车室内空气综合检测系统

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

Abstract

Inrecentyears,withtheintensificationofhumanactivities,environmentalproblemshaveattractedmoreandmoreattention,theairqualitymonitoringhasbecomeoneofthenecessaryconditionsofweatherforecast.Especiallywiththeincreaseinhazeweather,airqualitymonitoringequipmentacrossawiderangeofloadingsuchasbambooshootsafteraspringrainlikeappearance,thesedevicesintoday'sadvancedscienceandtechnology,theairpollutionhasplayedagoodroleinmonitoringalarm.

Thecarasoneofthemodernlifecannotlackoftransportation,theindoorairqualityproblemalsoattractspeople'sattention.ThispaperpresentsaSTM32carindoorairpollutantmonitoringsystembasedonembeddedmicroprocessorthroughthe32bitdataacquisitionandprocessingofgassensor,thealarmsystemtoalertthedrivertotakemeasurestoimprovetheindoorairqualityofautomobile.

Thistopicfromthefollowingthreeaspectstocompletethecarindoorairpollutionmonitoring:

（1）monitoringsystemhardwaredesign:

semiconductorSTM32seriesofSTM32F107astheprocessingcorebySTMicroelectronics,includingsensorselection,dataacquisitioncircuit,analog-to-digitalconversioncircuit,powersupplycircuit,BMS（powermanagementsystem）,systemcommunicationcircuit,datadisplayandalarmcircuitetc..

（2）monitoringsystemsoftwaredesign:

includingsystemboot,dataacquisition,datatransmission,BMS（powermanagementsystem）,datastorageandprogramdesign.（3）toanalyzeandimprovethekeytechnologiesofthesystemincluding:

sensorconcentrationaccuracyanalysis,alarmanalysis,displayandanalysis,real-timeanalysis,equipmentreliabilityofthebatterymanagementsystemdeficienciesandimprovementofdevicestability.

Keyword

STMicroelectronicsSTM32;Airmonitoring;Batterymanagementsystem

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，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10-23mg

二氧化碳20-40mg

羟基硫化物18-42µg

苯12-48µg

甲苯100-200µg

甲醛70-100µg

氨50-130µg

氮氧化物100-600µg

2.4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，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]。

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0.1253mg/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

含量呼吸时间与症状

％mg/L

0.0040.19短时间作用无明显反应

0.0060.29短时间作用气管感到刺激

0.0100.48短时间内就会咳嗽，长时间对生命有危险

0.0251.20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

20001h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。

同时WHOGuideline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

0.022-3h，感到轻微头疼

0.041-2h，前头疼；2.5-3.5h，后头疼

0.0845min，头疼，随着呕吐；2h，神智昏迷

0.1620min，头疼，随着呕吐；2h，死亡

0.325-10min，头疼；30min，死亡

0.641-2min，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

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500mg/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