基于AVR單片機(jī)的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚寧+郭朝龍+翁凌云+葛承濱

摘 ?要： 針對(duì)當(dāng)前汽車尾氣污染加重和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)日益完善的現(xiàn)狀，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量精度、穩(wěn)定性、人機(jī)操作等方面存在的不足，提出了一種基于AVR單片機(jī)的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)以ATMEGA8L為核心控制器，主要由傳感器模塊、信號(hào)采集調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及顯示模塊等組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定可靠、人機(jī)交互性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 汽車尾氣; ATMEGA8L; 紅外線; 檢測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN919?34; TP216 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）24?0118?03

Design of automobile exhaust gas detection system based on AVR

YAO Ning1， GUO Chao?long2， WENG Ling?yun1， GE Cheng?bin3

（1. NR Electric Power Electronics Co.， Ltd.， Changzhou 213025， China; 2. Yubei Steering System Co.， Ltd.， Xinxiang 453003， China;

3. CSR Qishuyan Locomotive Co.， Ltd.， Changzhou 213011， China）

Abstract： Nowadays the automotive exhaust pollution has been increasing and the detecting standard is increasingly sophisticated. A design scheme of an automobile exhaust detecting system based on AVR is proposed to overcome the shortage of traditional automotive exhaust detection systems in measuring accuracy， stability and man?machine operation. ATMEGA8L is taken as the core controller of the system， which is composed of the sensor module， signal acquisition and conditioning circuit， A/D converter， and display module. The tested results show that the system has the advantages of high?accuracy， high stability， high reliability and good human?computer interaction.

Keywords： automotive exhaust; ATMEGA8L; infrared ray; detection; system

0 ?引 ?言

伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，汽車數(shù)量與日俱增，然而汽車尾氣排放所造成的環(huán)境污染并沒(méi)有隨著汽車技術(shù)的發(fā)展而減輕，相反已漸漸成為了比較嚴(yán)峻的社會(huì)問(wèn)題[1?3]。汽車尾氣不僅會(huì)影響人的身體健康，侵蝕城市建筑物，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境也造成了難以修復(fù)的影響，并且這些影響現(xiàn)在越發(fā)嚴(yán)重（如近年來(lái)全國(guó)各地頻發(fā)的霧霾現(xiàn)象）。所以，許多國(guó)家花費(fèi)巨資研究如何減少汽車尾氣排放，并出臺(tái)了新的排放標(biāo)準(zhǔn)。

為了有效地監(jiān)控與防治汽車尾氣排放，迫切需要研制出完善的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)[4?5]。而汽車尾氣中污染物的檢測(cè)是進(jìn)行汽車尾氣控制的首要環(huán)節(jié)，長(zhǎng)久以來(lái)，國(guó)內(nèi)使用的很多汽車尾氣檢測(cè)設(shè)備大多存在測(cè)量精度不高，穩(wěn)定性較差和不易操作等缺點(diǎn)，所以很難達(dá)到當(dāng)前國(guó)內(nèi)的檢測(cè)要求。本文介紹了一種基于AVR ATMEGA8L單片機(jī)技術(shù)的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)可以檢測(cè)出尾氣中各類有害成分的濃度，如CO、CO2和HC等[6]，并優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和檢測(cè)手段，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和測(cè)量精度。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用NDIR（Non?Dispersive Infrared Analyzer）方法對(duì)汽車尾氣進(jìn)行分析，氣體先通過(guò)水分離器去除水分等雜質(zhì)，然后由粉過(guò)濾器過(guò)濾掉其中的粉塵和顆粒，再通過(guò)泵將氣體輸送到分析氣體室，分別經(jīng)過(guò)紅外傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，最后氣體排出。為了在檢測(cè)過(guò)程中消除測(cè)試儀器可能產(chǎn)生的累積誤差，需要在每次檢測(cè)前進(jìn)行一次零點(diǎn)校準(zhǔn)。

本檢測(cè)系統(tǒng)以ATMEGA8L單片機(jī)作為主要控制器[7?8]，主要由傳感器模塊、信號(hào)采集調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及顯示模塊等組成。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器是將外界輸入的被測(cè)量信號(hào)變換成電信號(hào)的元器件或裝置[9]。本系統(tǒng)使用了3種傳感器：紅外傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器。

（1） 紅外傳感器：選用美熱電堆紅外測(cè)溫傳感器。該傳感器是一種較為可靠精確的氣體傳感器，可直接感應(yīng)熱輻射。

（2） 壓力傳感器：選用NPC?1210系列固態(tài)壓力傳感器，其滿量程輸出為

100 mV，測(cè)量精度±0.1%。

（3） 溫度傳感器：選用Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820。此傳感器可以適應(yīng)較為惡劣的環(huán)境，抗干擾性強(qiáng)，且體積更小，更靈活方便。

紅外線光源發(fā)出周期性的射線脈沖，首先射入氣體采樣室，然后通過(guò)紅外濾光片，此濾光片由CO、CO2、HC和基準(zhǔn)信號(hào)光片組成，所以當(dāng)紅外濾光片旋轉(zhuǎn)一圈，便依次將各濾光片分別送進(jìn)采樣室一次，由于傳感器接收到變化的光強(qiáng)，最終在光電池上形成交變電壓。若所含氣體的濃度越小，在光電池上形成的交變電壓幅值越大，反之越小[10]。根據(jù)電壓幅值前后變化和此時(shí)的大氣壓和溫度數(shù)值，經(jīng)壓力和溫度補(bǔ)償后，通過(guò)計(jì)算便可得到汽車尾氣中污染物CO、CO2和HC的濃度。

2.2 ?信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理的目的是對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理以滿足后繼環(huán)節(jié)的需要[11]，一般包括放大、濾波、整形和檢波信號(hào)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)。

信號(hào)調(diào)理電路由CO、CO2、HC和基準(zhǔn)信號(hào)4路組成，包括放大電路、二階有源低通濾波放大電路和電壓跟隨器等[12]。不同之處在于放大系數(shù)略有差異，文中僅以CO2信號(hào)的調(diào)理電路（如圖2所示）為例，簡(jiǎn)述系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)思路。

由于傳感器采集到的信號(hào)非常弱，所以需要進(jìn)行放大。其放大倍數(shù)可用以下公式計(jì)算：

[Auf=1+R2R1=1 ?001] （1）

CO2信號(hào)先經(jīng)過(guò)正相放大1 001倍，但是經(jīng)過(guò)前置放大后的信號(hào)幅值較小，且?jiàn)A雜干擾信號(hào)，所以需要做進(jìn)一步的放大和濾波。同時(shí)為了消除信號(hào)源內(nèi)阻可能造成的影響，增強(qiáng)信號(hào)源帶載能力，還需增加一個(gè)電壓跟隨器。因?yàn)殡妷焊S器輸入電阻很大，輸出電阻非常小，所以將其作為阻抗變換。經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路產(chǎn)生的模擬信號(hào)需經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，以便于MCU進(jìn)行分析和處理。系統(tǒng)采用12位A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，轉(zhuǎn)換器與微處理器直接相連，簡(jiǎn)化了布線，軟件采用了SPI串行通信協(xié)議。其接口連接圖如圖3所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 ?顯示模塊設(shè)計(jì)

采用LCM240128ZK型液晶顯示器，該顯示器中內(nèi)含7 602個(gè)簡(jiǎn)體中文字型，支持4/8位6800/8080MPU接口，可根據(jù)實(shí)際需要任意設(shè)置其窗口的大小和位置。利用8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245芯片驅(qū)動(dòng)，當(dāng)片選信號(hào)以及方向信號(hào)引腳為低時(shí)，接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行前，首先要完成顯示的初始化，如設(shè)置屏面的坐標(biāo)系原點(diǎn)、屏幕顯示范圍、顯示類型和運(yùn)行方式等。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用AVR Studio+WinAVR高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編程，主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、傳感器標(biāo)定、通訊打印等模塊組成。系統(tǒng)程序先是系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入標(biāo)定程序，并分別判斷是否需要檢查、通信和打印，如不需要，便回到系統(tǒng)的初始化階段，如圖4 （a）所示。

ATMEGA8L內(nèi)部集成有異步串行通信接口USART、同步串行接口SPI以及兩線串行接口TWI，其中USART一般用于板級(jí)芯片之間以及系統(tǒng)之間的通信;SPI和TWI接口主要用在系統(tǒng)板上芯片之間的短距離通信，但是TWI通信對(duì)時(shí)序要求更嚴(yán)格，而且協(xié)議也相對(duì)復(fù)雜。因此，本文中ATMEGA8L與TLC2543采用SPI通信，程序流程圖如圖4（b）所示，其中SPI通信是在同步時(shí)鐘作用下進(jìn)行串行移位，串行時(shí)鐘SCK速率設(shè)置為系統(tǒng)時(shí)鐘的128分頻，而ATMEGA8L的[SS]引腳會(huì)影響到SPI的工作方式，在初始化中設(shè)置為輸出方式。

圖4 整體流程圖和ATMEGA8L與TLC2543 SPI通信流程圖

為了能較為精確地獲取得外部輸入進(jìn)來(lái)的模擬信號(hào)，需要循環(huán)讀取TLC2543數(shù)據(jù)，每組讀取8次數(shù)據(jù)，并將8次所得到的值進(jìn)行平均化處理，將此作為模數(shù)轉(zhuǎn)化的一次結(jié)果，發(fā)送并保存至緩沖區(qū)中。TLC2543在同一時(shí)刻可以接收上次所得的數(shù)據(jù)，并將此次的通道地址發(fā)送出去。

TLC2543內(nèi)部有輸入和輸出2個(gè)數(shù)據(jù)寄存器。加電后，片選信號(hào)必須從高到低，才能開(kāi)始一次的工作周期，模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志DRDY為低，輸入數(shù)據(jù)寄存器置0，輸出數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容隨機(jī)。開(kāi)始時(shí)，片選信號(hào)為高，禁止I/OCLOCK、DATA INPUT，DATAOUT呈高阻狀態(tài)，DRDY為低; 片選信號(hào)變低，I/O CLOCK、DATA INPUT使能，DATAOUT脫離高阻狀態(tài)。12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)依次加入I/O CLOCK端，并隨著時(shí)鐘信號(hào)的加入，當(dāng)其時(shí)鐘處于上升沿時(shí)，在DATA INPUT將控制字送給TLC2543芯片，按高位低位逐位送入，同時(shí)對(duì)應(yīng)地在DATAOUT處將前一周期的轉(zhuǎn)化結(jié)果，以同樣的方式傳輸給ATmega8L單片機(jī)。在4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之后，可以保證TLC2543芯片收到了通道信息，因此，此時(shí)TLC芯片便開(kāi)始采樣此通道的模擬量，一直到第12個(gè)時(shí)鐘之后結(jié)束采樣。

通常情況下，為了保證采樣后的信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化，需在數(shù)據(jù)采集器的模擬轉(zhuǎn)換器ADC前加一個(gè)采樣保持放大器。在第12個(gè)時(shí)鐘的下降沿，DRDY變高，進(jìn)行本次采樣的模擬量的A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間約需10 μs，轉(zhuǎn)換完成DRDY變低，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，等待下一個(gè)工作周期輸出。本系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)分析，并經(jīng)過(guò)對(duì)大氣壓力和溫度補(bǔ)償處理后得到汽車尾氣中污染物的最終檢測(cè)數(shù)據(jù)。濃度分別為4%，35%，3 500 ppm的CO、CO2和HC的標(biāo)準(zhǔn)氣體實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量求平均值，檢測(cè)到CO的濃度為4.02（1±0.10%），CO2的濃度為34.95（1±2.10%），HC的濃度為3 525 ppm±13 ppm。由此可見(jiàn)本系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)汽車尾氣檢測(cè)的現(xiàn)狀，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了汽車尾氣排放物測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。本測(cè)試系統(tǒng)基于AVR單片機(jī)技術(shù)，可以方便檢測(cè)汽車尾氣中CO、CO2和HC的濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，檢測(cè)結(jié)果既可以用于監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)車的性能，也可以為治理當(dāng)前日益嚴(yán)重的汽車尾氣污染問(wèn)題提供參考數(shù)據(jù)。另外利用液晶屏的優(yōu)點(diǎn)，可 ? ? ?向用戶提供豐富的信息，更加方便用戶的使用。

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100 mV，測(cè)量精度±0.1%。

（3） 溫度傳感器：選用Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820。此傳感器可以適應(yīng)較為惡劣的環(huán)境，抗干擾性強(qiáng)，且體積更小，更靈活方便。

紅外線光源發(fā)出周期性的射線脈沖，首先射入氣體采樣室，然后通過(guò)紅外濾光片，此濾光片由CO、CO2、HC和基準(zhǔn)信號(hào)光片組成，所以當(dāng)紅外濾光片旋轉(zhuǎn)一圈，便依次將各濾光片分別送進(jìn)采樣室一次，由于傳感器接收到變化的光強(qiáng)，最終在光電池上形成交變電壓。若所含氣體的濃度越小，在光電池上形成的交變電壓幅值越大，反之越小[10]。根據(jù)電壓幅值前后變化和此時(shí)的大氣壓和溫度數(shù)值，經(jīng)壓力和溫度補(bǔ)償后，通過(guò)計(jì)算便可得到汽車尾氣中污染物CO、CO2和HC的濃度。

2.2 ?信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理的目的是對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理以滿足后繼環(huán)節(jié)的需要[11]，一般包括放大、濾波、整形和檢波信號(hào)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)。

信號(hào)調(diào)理電路由CO、CO2、HC和基準(zhǔn)信號(hào)4路組成，包括放大電路、二階有源低通濾波放大電路和電壓跟隨器等[12]。不同之處在于放大系數(shù)略有差異，文中僅以CO2信號(hào)的調(diào)理電路（如圖2所示）為例，簡(jiǎn)述系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)思路。

由于傳感器采集到的信號(hào)非常弱，所以需要進(jìn)行放大。其放大倍數(shù)可用以下公式計(jì)算：

[Auf=1+R2R1=1 ?001] （1）

CO2信號(hào)先經(jīng)過(guò)正相放大1 001倍，但是經(jīng)過(guò)前置放大后的信號(hào)幅值較小，且?jiàn)A雜干擾信號(hào)，所以需要做進(jìn)一步的放大和濾波。同時(shí)為了消除信號(hào)源內(nèi)阻可能造成的影響，增強(qiáng)信號(hào)源帶載能力，還需增加一個(gè)電壓跟隨器。因?yàn)殡妷焊S器輸入電阻很大，輸出電阻非常小，所以將其作為阻抗變換。經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路產(chǎn)生的模擬信號(hào)需經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，以便于MCU進(jìn)行分析和處理。系統(tǒng)采用12位A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，轉(zhuǎn)換器與微處理器直接相連，簡(jiǎn)化了布線，軟件采用了SPI串行通信協(xié)議。其接口連接圖如圖3所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 ?顯示模塊設(shè)計(jì)

采用LCM240128ZK型液晶顯示器，該顯示器中內(nèi)含7 602個(gè)簡(jiǎn)體中文字型，支持4/8位6800/8080MPU接口，可根據(jù)實(shí)際需要任意設(shè)置其窗口的大小和位置。利用8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245芯片驅(qū)動(dòng)，當(dāng)片選信號(hào)以及方向信號(hào)引腳為低時(shí)，接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行前，首先要完成顯示的初始化，如設(shè)置屏面的坐標(biāo)系原點(diǎn)、屏幕顯示范圍、顯示類型和運(yùn)行方式等。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用AVR Studio+WinAVR高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編程，主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、傳感器標(biāo)定、通訊打印等模塊組成。系統(tǒng)程序先是系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入標(biāo)定程序，并分別判斷是否需要檢查、通信和打印，如不需要，便回到系統(tǒng)的初始化階段，如圖4 （a）所示。

ATMEGA8L內(nèi)部集成有異步串行通信接口USART、同步串行接口SPI以及兩線串行接口TWI，其中USART一般用于板級(jí)芯片之間以及系統(tǒng)之間的通信;SPI和TWI接口主要用在系統(tǒng)板上芯片之間的短距離通信，但是TWI通信對(duì)時(shí)序要求更嚴(yán)格，而且協(xié)議也相對(duì)復(fù)雜。因此，本文中ATMEGA8L與TLC2543采用SPI通信，程序流程圖如圖4（b）所示，其中SPI通信是在同步時(shí)鐘作用下進(jìn)行串行移位，串行時(shí)鐘SCK速率設(shè)置為系統(tǒng)時(shí)鐘的128分頻，而ATMEGA8L的[SS]引腳會(huì)影響到SPI的工作方式，在初始化中設(shè)置為輸出方式。

圖4 整體流程圖和ATMEGA8L與TLC2543 SPI通信流程圖

為了能較為精確地獲取得外部輸入進(jìn)來(lái)的模擬信號(hào)，需要循環(huán)讀取TLC2543數(shù)據(jù)，每組讀取8次數(shù)據(jù)，并將8次所得到的值進(jìn)行平均化處理，將此作為模數(shù)轉(zhuǎn)化的一次結(jié)果，發(fā)送并保存至緩沖區(qū)中。TLC2543在同一時(shí)刻可以接收上次所得的數(shù)據(jù)，并將此次的通道地址發(fā)送出去。

TLC2543內(nèi)部有輸入和輸出2個(gè)數(shù)據(jù)寄存器。加電后，片選信號(hào)必須從高到低，才能開(kāi)始一次的工作周期，模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志DRDY為低，輸入數(shù)據(jù)寄存器置0，輸出數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容隨機(jī)。開(kāi)始時(shí)，片選信號(hào)為高，禁止I/OCLOCK、DATA INPUT，DATAOUT呈高阻狀態(tài)，DRDY為低; 片選信號(hào)變低，I/O CLOCK、DATA INPUT使能，DATAOUT脫離高阻狀態(tài)。12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)依次加入I/O CLOCK端，并隨著時(shí)鐘信號(hào)的加入，當(dāng)其時(shí)鐘處于上升沿時(shí)，在DATA INPUT將控制字送給TLC2543芯片，按高位低位逐位送入，同時(shí)對(duì)應(yīng)地在DATAOUT處將前一周期的轉(zhuǎn)化結(jié)果，以同樣的方式傳輸給ATmega8L單片機(jī)。在4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之后，可以保證TLC2543芯片收到了通道信息，因此，此時(shí)TLC芯片便開(kāi)始采樣此通道的模擬量，一直到第12個(gè)時(shí)鐘之后結(jié)束采樣。

通常情況下，為了保證采樣后的信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化，需在數(shù)據(jù)采集器的模擬轉(zhuǎn)換器ADC前加一個(gè)采樣保持放大器。在第12個(gè)時(shí)鐘的下降沿，DRDY變高，進(jìn)行本次采樣的模擬量的A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間約需10 μs，轉(zhuǎn)換完成DRDY變低，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，等待下一個(gè)工作周期輸出。本系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)分析，并經(jīng)過(guò)對(duì)大氣壓力和溫度補(bǔ)償處理后得到汽車尾氣中污染物的最終檢測(cè)數(shù)據(jù)。濃度分別為4%，35%，3 500 ppm的CO、CO2和HC的標(biāo)準(zhǔn)氣體實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量求平均值，檢測(cè)到CO的濃度為4.02（1±0.10%），CO2的濃度為34.95（1±2.10%），HC的濃度為3 525 ppm±13 ppm。由此可見(jiàn)本系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)汽車尾氣檢測(cè)的現(xiàn)狀，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了汽車尾氣排放物測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。本測(cè)試系統(tǒng)基于AVR單片機(jī)技術(shù)，可以方便檢測(cè)汽車尾氣中CO、CO2和HC的濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，檢測(cè)結(jié)果既可以用于監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)車的性能，也可以為治理當(dāng)前日益嚴(yán)重的汽車尾氣污染問(wèn)題提供參考數(shù)據(jù)。另外利用液晶屏的優(yōu)點(diǎn)，可 ? ? ?向用戶提供豐富的信息，更加方便用戶的使用。

參考文獻(xiàn)

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100 mV，測(cè)量精度±0.1%。

（3） 溫度傳感器：選用Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820。此傳感器可以適應(yīng)較為惡劣的環(huán)境，抗干擾性強(qiáng)，且體積更小，更靈活方便。

紅外線光源發(fā)出周期性的射線脈沖，首先射入氣體采樣室，然后通過(guò)紅外濾光片，此濾光片由CO、CO2、HC和基準(zhǔn)信號(hào)光片組成，所以當(dāng)紅外濾光片旋轉(zhuǎn)一圈，便依次將各濾光片分別送進(jìn)采樣室一次，由于傳感器接收到變化的光強(qiáng)，最終在光電池上形成交變電壓。若所含氣體的濃度越小，在光電池上形成的交變電壓幅值越大，反之越小[10]。根據(jù)電壓幅值前后變化和此時(shí)的大氣壓和溫度數(shù)值，經(jīng)壓力和溫度補(bǔ)償后，通過(guò)計(jì)算便可得到汽車尾氣中污染物CO、CO2和HC的濃度。

2.2 ?信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理的目的是對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理以滿足后繼環(huán)節(jié)的需要[11]，一般包括放大、濾波、整形和檢波信號(hào)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)。

信號(hào)調(diào)理電路由CO、CO2、HC和基準(zhǔn)信號(hào)4路組成，包括放大電路、二階有源低通濾波放大電路和電壓跟隨器等[12]。不同之處在于放大系數(shù)略有差異，文中僅以CO2信號(hào)的調(diào)理電路（如圖2所示）為例，簡(jiǎn)述系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)思路。

由于傳感器采集到的信號(hào)非常弱，所以需要進(jìn)行放大。其放大倍數(shù)可用以下公式計(jì)算：

[Auf=1+R2R1=1 ?001] （1）

CO2信號(hào)先經(jīng)過(guò)正相放大1 001倍，但是經(jīng)過(guò)前置放大后的信號(hào)幅值較小，且?jiàn)A雜干擾信號(hào)，所以需要做進(jìn)一步的放大和濾波。同時(shí)為了消除信號(hào)源內(nèi)阻可能造成的影響，增強(qiáng)信號(hào)源帶載能力，還需增加一個(gè)電壓跟隨器。因?yàn)殡妷焊S器輸入電阻很大，輸出電阻非常小，所以將其作為阻抗變換。經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路產(chǎn)生的模擬信號(hào)需經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，以便于MCU進(jìn)行分析和處理。系統(tǒng)采用12位A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，轉(zhuǎn)換器與微處理器直接相連，簡(jiǎn)化了布線，軟件采用了SPI串行通信協(xié)議。其接口連接圖如圖3所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 ?顯示模塊設(shè)計(jì)

采用LCM240128ZK型液晶顯示器，該顯示器中內(nèi)含7 602個(gè)簡(jiǎn)體中文字型，支持4/8位6800/8080MPU接口，可根據(jù)實(shí)際需要任意設(shè)置其窗口的大小和位置。利用8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245芯片驅(qū)動(dòng)，當(dāng)片選信號(hào)以及方向信號(hào)引腳為低時(shí)，接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行前，首先要完成顯示的初始化，如設(shè)置屏面的坐標(biāo)系原點(diǎn)、屏幕顯示范圍、顯示類型和運(yùn)行方式等。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用AVR Studio+WinAVR高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編程，主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、傳感器標(biāo)定、通訊打印等模塊組成。系統(tǒng)程序先是系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入標(biāo)定程序，并分別判斷是否需要檢查、通信和打印，如不需要，便回到系統(tǒng)的初始化階段，如圖4 （a）所示。

ATMEGA8L內(nèi)部集成有異步串行通信接口USART、同步串行接口SPI以及兩線串行接口TWI，其中USART一般用于板級(jí)芯片之間以及系統(tǒng)之間的通信;SPI和TWI接口主要用在系統(tǒng)板上芯片之間的短距離通信，但是TWI通信對(duì)時(shí)序要求更嚴(yán)格，而且協(xié)議也相對(duì)復(fù)雜。因此，本文中ATMEGA8L與TLC2543采用SPI通信，程序流程圖如圖4（b）所示，其中SPI通信是在同步時(shí)鐘作用下進(jìn)行串行移位，串行時(shí)鐘SCK速率設(shè)置為系統(tǒng)時(shí)鐘的128分頻，而ATMEGA8L的[SS]引腳會(huì)影響到SPI的工作方式，在初始化中設(shè)置為輸出方式。

圖4 整體流程圖和ATMEGA8L與TLC2543 SPI通信流程圖

為了能較為精確地獲取得外部輸入進(jìn)來(lái)的模擬信號(hào)，需要循環(huán)讀取TLC2543數(shù)據(jù)，每組讀取8次數(shù)據(jù)，并將8次所得到的值進(jìn)行平均化處理，將此作為模數(shù)轉(zhuǎn)化的一次結(jié)果，發(fā)送并保存至緩沖區(qū)中。TLC2543在同一時(shí)刻可以接收上次所得的數(shù)據(jù)，并將此次的通道地址發(fā)送出去。

TLC2543內(nèi)部有輸入和輸出2個(gè)數(shù)據(jù)寄存器。加電后，片選信號(hào)必須從高到低，才能開(kāi)始一次的工作周期，模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志DRDY為低，輸入數(shù)據(jù)寄存器置0，輸出數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容隨機(jī)。開(kāi)始時(shí)，片選信號(hào)為高，禁止I/OCLOCK、DATA INPUT，DATAOUT呈高阻狀態(tài)，DRDY為低; 片選信號(hào)變低，I/O CLOCK、DATA INPUT使能，DATAOUT脫離高阻狀態(tài)。12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)依次加入I/O CLOCK端，并隨著時(shí)鐘信號(hào)的加入，當(dāng)其時(shí)鐘處于上升沿時(shí)，在DATA INPUT將控制字送給TLC2543芯片，按高位低位逐位送入，同時(shí)對(duì)應(yīng)地在DATAOUT處將前一周期的轉(zhuǎn)化結(jié)果，以同樣的方式傳輸給ATmega8L單片機(jī)。在4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之后，可以保證TLC2543芯片收到了通道信息，因此，此時(shí)TLC芯片便開(kāi)始采樣此通道的模擬量，一直到第12個(gè)時(shí)鐘之后結(jié)束采樣。

通常情況下，為了保證采樣后的信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化，需在數(shù)據(jù)采集器的模擬轉(zhuǎn)換器ADC前加一個(gè)采樣保持放大器。在第12個(gè)時(shí)鐘的下降沿，DRDY變高，進(jìn)行本次采樣的模擬量的A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間約需10 μs，轉(zhuǎn)換完成DRDY變低，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，等待下一個(gè)工作周期輸出。本系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)分析，并經(jīng)過(guò)對(duì)大氣壓力和溫度補(bǔ)償處理后得到汽車尾氣中污染物的最終檢測(cè)數(shù)據(jù)。濃度分別為4%，35%，3 500 ppm的CO、CO2和HC的標(biāo)準(zhǔn)氣體實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量求平均值，檢測(cè)到CO的濃度為4.02（1±0.10%），CO2的濃度為34.95（1±2.10%），HC的濃度為3 525 ppm±13 ppm。由此可見(jiàn)本系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)汽車尾氣檢測(cè)的現(xiàn)狀，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了汽車尾氣排放物測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。本測(cè)試系統(tǒng)基于AVR單片機(jī)技術(shù)，可以方便檢測(cè)汽車尾氣中CO、CO2和HC的濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，檢測(cè)結(jié)果既可以用于監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)車的性能，也可以為治理當(dāng)前日益嚴(yán)重的汽車尾氣污染問(wèn)題提供參考數(shù)據(jù)。另外利用液晶屏的優(yōu)點(diǎn)，可 ? ? ?向用戶提供豐富的信息，更加方便用戶的使用。

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