基于NDIR的汽車尾氣檢測系統設計

吳曉燕，焦玉成

（1.南京化工職業技術學院，江蘇 南京 210048；2.三江學院，江蘇 南京 210012）

0 引言

伴隨著汽車工業的發展，汽車已經成為人類不可缺少的交通運輸工具，然而由于汽車尾氣排放所造成的環境破壞已發展成為嚴重的社會問題［1］。汽車尾氣危害人體健康，腐蝕城市建筑，破壞城市景觀，對人類生存環境造成了嚴重影響。因此，在環境意識倍增的今天，加強對汽車尾氣的檢測及治理顯得尤為重要。長久以來，國內使用的很多尾氣分析儀由于精度低、檢測時間長、體積大和不便于攜帶等缺點，無法滿足現代社會發展的需求。因此，介紹了一種基于非分光紅外吸收技術的尾氣檢測系統，能同時測量汽車尾氣中有害成分的濃度，并從系統的原理和結構等多方面考慮，來提高整個尾氣分析系統的穩定性和精確性。

1 系統原理

汽車尾氣是在發動機利用空氣中的氧氣與燃油燃燒，把熱能轉化為車輛動力機械能的過程中生成的產物。其中對人體有害和影響自然環境的成分有CO2，CO，HC化合物，SO2，NOX以及微粒物質等。

系統采用非分光紅外NDIR（non-dispersive infrared ray）技術對汽車尾氣進行分析。NDIR的工作原理是：當紅外光通過充有氣體的氣室時，氣體會吸收特定波長的紅外光的能量，導致接收器接收到的光線強度變弱，其吸收關系服從朗伯-比爾定律，即

E0為入射紅外線能量；E為出射紅外線能量；ΔE為紅外線能量的減少量；L為氣室長度；C為氣體濃度；K為吸收系數。

式（1）表明，光強在氣室中隨濃度C及長度L按指數規律衰減。由于各種氣體的吸收系數各不相同，因此，對于混合氣體，為了分析特定組分，應該在傳感器或紅外光源的前面安裝紅外帶通濾光片，使傳感器的信號變化只反映被測氣體的濃度變化［2］。

2 系統硬件設計

系統采用ATMEL公司的單片機AT89C52作為核心控制器，由傳感器、信號調理電路、A／D轉換模塊和人機接口模塊等組成。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統結構

2.1 傳感器模塊

系統在設計時直接利用單片機來控制光源的調制電壓，可以避免因機械轉動而導致的抗振性差和功耗大，同時便于攜帶。為了測控尾氣中有害成分（主要是CO，CO2和HC）的濃度，系統采用紅外傳感器、大氣壓力傳感器和溫度傳感器。紅外光源發出的紅外線波長在2～7μm之間，紅外線經過氣室后，通過旋轉的紅外濾光片（紅外濾光片由CO，CO2，HC和基準信號4個光片組成）到達光電池產生電信號。當紅外濾光片旋轉一周，CO，CO2，HC和基準信號4個濾光片分別通過濾光窗口一次，在光電池上產生2個正半周期的正弦波形，氣體的濃度越高，波形的幅值越小，反之越大［3］。根據通過氣室光強的幅值變化、大氣壓力傳感器測得的大氣壓和溫度傳感器測得的溫度，經過大氣壓力和溫度補償處理后，得到尾氣中各組分含量的檢測結果。

2.2 信號調理模塊

由于紅外傳感器采集到的原始信號非常弱，為了改善信號質量，提高測量精度，需要對信號進行調理。調理電路一般由前置放大電路、二階有源低通濾波放大電路和電壓跟隨器組成，信號調理電路如圖2所示。

圖2 信號調理電路

信號正相放大3334倍，但是，信號波形仍然很小，且含有干擾信號。因此，需要進一步濾波。經前置放大電路放大的信號經過隔直電容C1，濾除原始信號中的受溫度影響較大的直流電壓，得到類似正弦的交流信號，輸出信號為一平滑、穩定的正弦信號。為了排除信號源內阻的影響，增強信號源帶負載能力，再連接一個電壓跟隨器，較好地實現了信號的放大、濾波功能，滿足了信號處理后續環節的要求。

2.3 A／D轉換模塊

A／D轉換模塊是對調理電路產生的模擬信號進行多次轉換，經過限值濾波和滑動濾波后得到傳感器的電壓A／D值，以便于 MCU進行分析和處理。工作時，傳感器將CO濃度信號轉換成標準的工業信號，系統采用TLC2543作為A／D轉換器，與微處理器直接相連，簡化了布線。其接口連接如圖3所示［5］。

由于紅外傳感器檢測出的CO，CO2，HC信號以及基準信號的調理電路結構完全相同，圖3中只給出其中一路（以CO信號為例）的調理電路，放大器選用TLC2252，其具有高阻抗、低噪聲和開環增益大等特點。

CO信號先經過前置放大電路，其放大倍數計算公式為［4］：

圖3 TLC2543與單片機的連接

2.4 人機接口模塊

為了控制檢測系統的工作狀態，實現簡單的人機會話，人機接口設備選用北京青云創新科技有限公司生產的LCM 240128ZK液晶顯示模塊［6］。該顯示模塊內置中文字庫，提供8／4位數據并行方式傳輸，實現與外部的通信，其與AT89C52的連接如圖4所示。利用液晶顯示時，先要設定液晶顯示屏面上的直角坐標系原點、屏幕范圍、顯示模式和光標狀態，完成顯示的初始化［7］。

圖4 AT89C52與LCM 240128ZK的連接

3 系統軟件設計

軟件設計采用模塊化的設計思想，由主程序和若干子程序模塊組成。主程序主要由系統主循環構成，如圖5所示。通過不斷查詢，完成系統的各個功能。系統的檢測子模塊是系統的核心，其中，測量數據利用拉格朗日插值算法。

圖5 主程序流程

由于紅外傳感器輸出的信號實際上是非線性的，因此，在實際檢測氣體前，需要先建立Δ與標準氣體含量Y的對應表格。分別通入不同濃度的標準氣體，設某一組分含量為Y，則由標定程序計算得其對應的Δ。由于標準氣體有限，所以，可先對有限標準氣體標定，然后用插值法，再插入若干個點，作為最終的標定數據。將標定數據制成表格存在單片機的Falsh存儲器中，當系統進行實測時，根據單片機內的表格即可算出被測氣體中各組分的含量。

4 系統界面

汽車尾氣檢測系統界面包括：讀取數據，數據的顯示與保存等，如圖7所示。汽車尾氣檢測系統中最后將顯示數據輸入到了Excel中，可以對測得數據進一步處理。運行程序時，程序主要有6個步驟：開始、系統初始化（包括標定程序）、檢測、數據存檔、通訊打印和停止。狀態顯示用來顯示程序的運行狀態，點擊開始按鈕后，開始狀態燈變亮，直到點擊停止按鈕后變暗，同時結束狀態燈變亮。波形圖上方分別顯示被測氣體濃度的平均值。通訊可以實現與單片機的通信以及打印檢測結果。

系統采用標準氣體進行對比實驗，測量結果經過大氣壓力及溫度補償處理后得到檢測值。用濃度分別為3%，20%，3×10-3的 CO，CO2，CH 化合物的標準氣體實驗，經過多次測量求平均值，檢測到CO的濃度為3.02%，CO2的濃度為19.95%，CH化合物的濃度為3.025×10-3。所有檢測值與標準值極為接近，系統具有較高的穩定性和測量精度。

5 結束語

通過NDIR技術原理實現的汽車尾氣檢測系統，可以方便地檢測CO，CO2，HC的濃度，不僅具有較高的穩定性和測量精度，而且結構緊湊、便于攜帶。系統在實際應用中效果良好，其檢測結果既可以對機動車的性能進行監測評價，也可以為治理大氣環境污染提供參考數據。

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［5］孫傳友.測控電路及裝置［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2000.

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