基于QS―01的汽车内空气质量检测系统

随着经济的飞速发展，城市汽车保有量逐年递增，汽车内空气质量问题与人们的健康之间的关系越来越受到重视，研究汽车内空气质量的检测显得尤为重要，本文通过使用QS-01空气质量传感器检测汽车内的CO2、CO、苯、酒精等污染性气体，通过16位AD7705模数转换将信号从QS-01传入单片机控制整个系统，完成空气检测及报警显示，仿真结果显示基于QS-01的汽车内空气质量检测系统能够对汽车内空气质量进行检测，并具有一定的准确性。

一、研究背景及意义

随着人们生活水平的提高，汽车正迅速步入家庭，汽车内的空气污染问题逐渐受到人们的重视。汽车内产生的病毒、甲烷、苯、一氧化碳等污染气体能使人产生的困倦，无力、胸闷、精神恍惚，严重的可以猝死。所以汽车给人们带来便利的同时也给人们带来了很多安全隐患，而不断提升的生活质量要求和日益增强的健康关注程度使得人们对汽车内空气环境与舒适性的要求越来越高。本设计利用QS-01空气质量检测器对汽车内的空气质量进行检测，该空气质量检测系统利用QS-01空气质量检测传感器对有害空气的感应灵敏度原理，对电路进行开发设计，传感器感测到高浓度空气污染物时发出报警，并及时对有害空气进行净化处理；当空气质量符合要求时，发出语音提示空气质量正常。

二、QS-01空气质量检测的实现

（1）QS-01空气质量检测工作原理

QS-01是一种二氧化锡半导体气体传感器，对各种空气污染源具有较高的灵敏度，并具有快速响应的特点，其振动频率为100cmp，震动垂直高度为4nm，感应部位为二氧化锡（SnO2）。它在正常工作前需要预热4-5分钟，给加热丝Rh供电，待内部温度高达200～300℃时（传感器外壳微热，不会烫手），污染源气体和空气中的氧气会在高温中发生氧化反应，这时敏感体表面电阻Rs中的游离子会捕捉反应中的离子形成电子，相继形成电流，相对应的就是RS的电阻值会降低，这时候取其RS两端的电阻值与洁净空气中的Rs值做对比，结合“灵敏度特性曲线图”可知道其污染程度，污染越大，反应中离子越多，捕捉形成电流越大，其阻值相对越小，反之亦然。

图1 空气检测原理图

图2所示的灵敏度曲线，是传感器电阻Rs与气体浓度之间的关系的灵敏度特性，传感器阻值减少与气体浓度增加之间呈现对数关系。

（2）传感器测量误差分析

当空气质量传感器置于污染物中时，其阻值

中负载电压Vrl的变化是由传感器内部的敏感体表面电阻Rs变化引起的，其Rs易受温度和湿度的影响。但考虑到本设计的工作环境是在汽车内，对系统信号采集不会产生较大影响，可只考虑温度对传感器的影响，只考虑温度对传感器的影响。

QS-01的工作温度是0℃～40℃且在相对湿度于95%、温度为20±2℃时灵敏度最好，其灵敏度为Rs（混合）/Rs（空气）。当温湿度变化较大时会对Rs及灵敏度产生影响。当汽车封闭一段时间后，本系统在不同温度的测试结果如表1所示：

表格1 测试数据结果

三、硬件电路设计

（1）传感器内部电路分析

本系统选用的日本进口QS-01空气质量传感器，高灵敏度、低污染，响应时间快速。其外部采用塑料外壳，3个引脚，内部的光敏半导体材料分布在铝基上，铝基上引出电极，在基底背面镀了一层氧化钌作为加热器，他们都封装于塑料壳内，可在极低的功耗下获得极好的感应数据，对于轿车内以及室内的空气质量检测非常适合。硬件原理图如图3所示，引脚1用于5V电源供电，引脚2接负载电阻与单片机进行通信，引脚3为接地端或者接电源负极。

图3 传感器内部电路连接

（2）传感器电路设计模块

当空气中污染物浓度发生变化时，光敏半导体感应到变化导致其电阻变化，从而引起RL上的电压值发生变化，我们将电路设计为数字输出和模拟输出。电路设计图如图4所示。

（一）数字信号输出：将传感器的输出电压信号送入LM393单限电压比较器，调节Rz设定参考电压Ut，当空气中的污染气体浓度合格时UnUt，DOUT输出低电平。

（二）模拟信号输出：传感器将采集到的模拟浓度信号直接在AOUT输出，经过AD7705进行模数转换，将信号送入单片机处理。使用这种输出方式我既可以计算出污染气体的浓度，还可以确定出污染气体的种类。

通过分析采用两种输出相结合的方法。在DOUT输出的一个高（低）电平到单片机去请求中断。若为低电平，此时单片机响应中断请求并启动AOUT端数据的采集，AOUT端口输出的模拟信号，经过AD7705模数转换芯片将信号送入单片机进行分析处理后，便可在显示屏显示出相应污染物的浓度，同时启动语音播报模块；若为高电平，则表示气体合格。此电路具有很好的抗干扰能力，而且所用芯片的灵敏度也较高，完全可以满足本系统的设计要求。

图4 传感器电路设计图

（3）模数转换AD7705模块

此系统选用16位∑-A/D转换器AD7705，此A/D转换芯片由缓冲器、增益可编程放大器、调节器、可编程数字滤波器等组成，能够直接将传感器检测到的微弱小信号进行A/D转换，它具有高分辨率，宽动态范围，自动校准，优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点，适合于轿车内空气质量检测中微小信号处理的需要。其电路设计如下图5所示。

图5 A/D转换模块电路图

（4）语音播报模块

语音播报模块使用中文语音合成芯片SYN6658[7]进行语音播报。SYN6658语音合成芯片与单片机通信示意图如图6所示：

图6 语音播报示意图

该语音合成芯片SYN6658提供一组全双工的异步串行通信接口，利用TXD和RXD实现与单片机进行数据传输，通过UART接口接收单片机发送的命令和数据，实现文本信息的语音合成输出，由扬声器进行语音播报。当单片机接收到信号判断出空气质量是否合格时启动该语音模块。

四、软件设计

本系统的软件设计主要包括了轿车内的空气浓度数据采集、按键扫描、语音报警以及LCD12864液晶显示。首先单片机初始化，按键扫描进行标准值的设定，传感器检测汽车内空气质量，传感器采集环境数据并进行线性拟合数据，LCD显示空气浓度值；当前值与标准值比较，当超出允许范围时，进行报警提示。主程序的流程设计如图7所示。

五、结论

本文运用QS-01传感器阻值与空气浓度的灵敏度关系原理，进行了检测系统的设计，对传感器内部电路进行了分析，对硬件电路进行了设计，包括数字信号输出模块、模拟信号输出模块、模数转换AD7705模块、语音播报模块。结合空气浓度数据采集、按键扫描、语音报警以及LCD12864液晶显示等相关的软件设计，实现基于QS-01的汽车内空气质量检测系统，该系统在检测车内有害空气浓度正常时，发出语音报警，提示空气质量合格；当检测出气体浓度超标时，发出报警，并启动净化处理环节。

（作者单位：曲阜师范大学信息科学与工程学院）