1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.车内空气污染产生原因概述

随着经济社会的快速发展，家用轿车开始进入大众消费期。人们车内停留的时间大大增加，由此而引发的车内污染损害事件也频频发生，车内PM2.5、VOC气体、甲醛是常见且危害大、释放周期较长的污染物，针对目前车载空气净化器效果不尽如人意的现状，开发一种安全环保节能的车内除甲醛净化器势在必行。[1]

2.污染物简介及处理方法

2.1 VOC气体及PM2.5对人体的危害

VOC的危害主要体现在对大气的污染(如汽车尾气)和对人身体健康的危害，但根据其不同的种类、挥发含量，其危害是不同的。如苯系物、甲醛都属于可疑致癌物，即使是少量也会对人体产生危害，但如酒精等其危害就很小，所以不能一概以VOC的大小而论其危害性。当车中的VOC达到一定浓度时，短时间内人们会感到头痛、恶心等，严重时会出现抽搐，并会伤害到人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统。

2.2我国车内VOC气体含量现状

VOC具有易挥发(易干燥)、亲油性(容易去油污)等特VOC具有易挥发(易干燥)、亲油性(容易去油污)等特点，利用这些特点，在产业界被广泛用作涂料、粘合剂等的溶剂或清洗剂。这些化学物质会对人的神经系统、免疫系统和内分泌系统等造成侵害，严重的还可能致癌。随着我国汽车销量的快速增长，汽车车内环境污染问题突出。

2.3 车内VOC气体及PM2.5污染严重的原因

车内VOC主要来源于汽车地毯、仪表板的塑料件、车顶毡、座椅和其他装饰时使用的胶水等。由于汽车空间窄小，车内空气量本就不多，加上汽车密闭性好，因此汽车内有害气体超标比房屋室内有害气体超标对人体的危害程度更大。新车内装饰材料中含有的有毒气体主要包括苯、甲醛、丙酮及二甲苯等，会使人出现头痛、乏力等中毒症状，内部装饰豪华的轿车更容易产生污染，其内部装饰使用的真皮、桃木、电镀、金属、油漆、工程塑材等材料，如果处理不当，都会产生有害物质。另外，对汽车制造厂商没有形成约束和指导也是当前我国车内VOC含量不容乐观的原因之一。[2]

2.4 VOC气体及PM2.5的主要检测方式

检测依据

目前，对大气中PM2.5的监测方法主要有p射线法、微量振荡天平法和光散射法。

(1)β射线法：是利用日射线发生源产生β射线透过采集有灰尘的滤膜，以PM2.5颗粒物对β射线的吸收程度来测定颗粒物的浓度。

(2)微量振荡天平法：是将采集有灰尘的滤膜用于振荡，由于振荡原件振荡的频率是由振荡的物理的特性、参加振荡的滤膜质量和沉积在滤膜上的颗粒物质量决定，因此通过测定系统振荡频率的变化可测得对应的颗粒物浓度。

(3) 光散射法：封闭空间内的浮游粉尘照射光时，在粉尘物理性质一定的条件下，粉尘的散射光强度正比于粉尘的质量浓度。将散射光强度转换成脉冲计数即可测出粉尘的相对质量浓度，通过预置K值，便可直接显示粉尘质量浓度。[3]

2.5 减少车内VOC气体及PM2.5含量的主要方法

VOC气体：今后在汽车制造过程中将减少挥发性化学物质的使用，特别是从我国有关部门已规定室内浓度指导值的化学物质开始降低其使用量。例如，粘合剂或涂料中所含的溶剂是导致VOC产生的原因之一，为此我们推动材料的水性化和无溶剂化等。另外，汽车内VOC是汽车内各种零部件挥发成分的混合物，因此需要整机厂与零部件厂商和材料厂商合作而采取各种举措。 [4]

PM2.5：提高燃料净化效率，加强能源清洁利用，优化能源结构，控制煤炭使用，改进用煤方式，推进煤炭清洁化利用;大力发展风能，推广使用地热能;采取有效的措施控制移动源的排放，强化汽车尾气的催化氧化;减少柴油机尾气PM2. 5排放，增加油品的环保性能;采用覆膜滤袋除尘器处理工业烟气中的粉尘颗粒物;加强施工扬尘的监督和管理。[5]

3.气体检测

重量检测法：

现在我国对PM2.5的主要检测手段是重量法。重量法是用一定特征的采样器，以某一速度收集定量体积空气，并用滤膜截留空气中的PM2.5在采样前和采样后分别测量滤膜质量，根据测量的质量之差和采样的空气体积，就可以计算得到PM2.5在空气中的浓度值。

重量法的计算公式为：

C：质量浓度，mg/m3 ;

W2 ：采样后滤膜质量，mg;

W1 ：采样前滤膜质量，mg;

V：采样体积，m

室内空气质量检测的方法有很多，目前常用的检测方法有传感器检测法、化学分析法、气体消耗量法。

传感器检测法:即用现成传感器检测相应气体浓度，在电路接口读取传感器检测得到的数据，通过处理器对数据进行分析，转换为室内空气中某种气体的浓度值。有害气体传感器按照测量原理划分，主要有四种:电容检测法、电感检测法、电阻检测法和电化学检测法。

化学分析方法:通过采样装置采集一定体积的气体，让气体样品与其他化学试剂发生化学反应，分析计算实验得到的数据，获得空气样品中有害气体的浓度值。

气体耗氧量法:这种方法是检测结果最接近真实值的检测方法，检测原理是气体的氧化还原性质，即对空气样品中的还原性气体进行氧化还原反应，检测消耗的氧化性物质(如氧气)体积，然后通过计算得到有害气体的浓度值。

通过分析对比上述四种主流的有害气体检测方法，可以知道传感器检测方法具有集成度高、操作简单、结果可信度高等优点，所以本设计中对气体的检测方法选用了传感器检测法。[3]

污染气体常用检测仪器

1) PM2.5：

该传感器模块的红外发光二极管(IRED)和光敏三极管(PD)呈对称结构分布。其检测原理为灰尘或烟雾颗粒通过防尘通气孔进入装置，红外发光二极管发射红外线到颗粒物上，光敏三极管接收其反射光信号，并通过放大电路转换为电信号。

2) O₃:

本设计可采用英国进口半导体O₃传感器MS2610对O₃的浓度进行检测，该传感器采用在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO₂)作为气敏材料。其检测原理为:当传感器所处环境中存在O₃气体时，传感器的电导率随检测环境O₃浓度的增加而增大。传感器模块使用简单的转换电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。该O₃传感器对检测的O₃灵敏度高，对酒精和烟雾等污染气体有一定的抗干扰性。

3) SO₂:

二氧化硫传感器模块在国内市场上种类较少且价格较为昂贵，本设计可选择了AERI系列产品中的4502-5气体传感器探头。该传感器为电化学传感器，利用电化学原理，即利用待测气体在电解池中工作电极电位上的电化学氧化过程，待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律，通过检测电流大小确定待测气体浓度。由于只有传感器探头，所以本系统还将设计二氧化硫传感器硬件电路模块、绘制传感器模块电路图、制作传感器模块电路板。该传感器的特点为:输出信号与气体浓度呈线性关系。

4) NO₂:

本设计可采用WSP1110型半导体N0₂传感器对NO₂:的浓度进行检测，该传感器采用先进的平面生产工艺，在微型Al₂O₃陶瓷基片上形成加热器和金属氧化物半导体气敏材料，用电极引线引出，封装在金属管座、管帽内。当有被检测气体存在时，空气中该气体的浓度越高，传感器的电导率就越高。模块使用了简单的电路即可将这种电导率的变化转换为与气体浓度对应的输出信号。该传感器适用于车库、地下停车场和家庭等环境，并被广泛运用到二氧化氮检测自动排风装置、空气清新机等设备中。

5) CO:

本设计可采用MQ-7一氧化碳传感器对CO浓度进行检测。其检测原理是依据CO能够吸收波长为4.67 μm的红外辐射能量，红外辐射能量的改变会引起振幅压力脉冲改变，改变后的压力脉冲经过毛细管作用在差动式薄膜微音器上，导致电容量的变化，放大器把电容信号放大，再转变为与浓度成正相关的直流电流测量值

4.控制电路设计

单片机又称单片微控制器，是在一块芯片中集成了CPU(中央处理器)、RAM(数据存储器)、ROM(程序存储器)、定时器/计数器和多种功能的I/O接口等一台计算机所需要的基本功能部件，从而可以完成复杂的运算、逻辑控制、通信等功能。[8]

图1 单片机最小系统

模数转换电路的作用就是将模拟量转换成数字量，以便于单片机进行处理A/D转换芯片选用LM393，它比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小;但其响应速度快，传输延迟时间短，而且不需外加限幅电路就可直接驱动。[6]

图2 模数转换电路

5.车载空气净化器的应用前景

空气污染向来是全球共同关注的话题，中国作为世界上最大的煤炭生产国和消费国。煤的直接燃烧是中国最重要，也是最主要的人为空气污染源。加上随着国民经济的快速发展及生活水平的提高，汽车数量更是以庞大的数量剧增，从而产生的汽车尾气也与空气质量息息相关，城市空气污染引起了中国社会各界的高度关注，雾霾、PM2.5成为人们挂在嘴边的话题。

随着国民观念的转换，人们开始逐渐意识到车内空气同样存在严重污染，进而也促使车载空气净化技术得到重视以及发展。[7]

[1] 肖艳红 车载氧化催化除甲醛净化器的设计研究[D] 西南大学 2012

[2] 王新华 车内有害气体（VOC）应对策略 哈飞汽车股份有限公司汽车研究发展中心车身室 [C] 2008

[3] 兰冰芯 移动式环境空气质量检测仪的设计与实现[D] 西南石油大学 2015

[4] 谢祖峰 汽车座椅挥发性有机物(VOC)对车内空气质量影响的试验研究[D] 华南理工大学 2012

[5] 沈惠 陈前火 PM2.5的来源、现状、危害及防控措施[C] 福建师范大学环境科学与工程学院，福建省污染控制与资源循环利用重点实验室 福州 2014

[6] 毛飞 曹妮 范梦颖 陈付毅 基于单片机的便携式车载空气净化器[J] 温州医科大学生物医学工程系 浙江温州 2014

[7] 黄锦文 新型车载智能空气净化器系统的开发设计与实现[D] 江西理工大学 2011

[8] 赵亮 单片机最小系统组成与I/O输出控制[M] 2011

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一．本课题要解决的问题,预期达到的成果和水平：

本课题所设计的新型车载智能空气净化器，要求检测pm2.5、voc气体、温湿度等空气环境信息，设计相应的传感器采集电路，采集车内空气质量信息，利用微处理器、净化装置来对车内空气进行净化。本设计要求学生掌握车内空气净化装置的相关原理和要求，完成空气质量采集、净化控制等功能的整体设计方案，保证车载空气净化器全天候可靠、稳定地工作。学生应根据各传感器的测量原理，进行传感器选型，设计电源电路、信号调理电路和主控电路，设计电路原理图和印制电路板，开发相应的系统软件。要求软硬件模块简单可靠，扩展性好，具有一定的实用性。毕业论文要求介绍系统的软硬件设计方案，并结合具体要求，详细阐述软硬件的各个组成模块，并进行相应的软硬件设计，完成相关调试；论文长度控制在一万字左右，格式要符合规范。

二．本课题研究总方案，设计思路，实现方法：