基于微電腦技術的紅外汽車尾氣分析儀設計

馮波

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院電子工程學院，陜西西安 710300）

隨著我國經(jīng)濟以及科技的迅速發(fā)展，近年來，汽車行業(yè)的發(fā)展勢頭以及建設規(guī)模在眾多行業(yè)領域中越來越突出，平均家家戶戶都能擁有一輛汽車作為代步工具，在很大程度上促進我國國民進一步走向小康生活，但是，汽車為人類帶來了極大便利的同時，也導致環(huán)境問題日漸嚴重，其原因是汽車在運作過程中會產(chǎn)生汽車尾氣，而汽車尾氣中含有大量CO2、CO 等有害氣體，這些氣體直接導致氣候變暖、冰川融化、動物們流離失所等現(xiàn)象，這一系列的現(xiàn)象都在預示著人類該有所作為了。因此，必須快速尋找一款更精準、方便的方法去監(jiān)控汽車尾氣的排放。該次研究的檢測分析儀將顛覆以往的檢測時間長、體積大的缺點，它更輕便、可靠并且不受限制。

1 紅外汽車尾氣檢測原理

該儀器利用氣體吸收譜帶和特征頻率的特性，當外界有光源靠近儀器時，會產(chǎn)生強烈的反應，用戶可以通過儀器吸收光源的強弱來檢測汽車尾氣的含量以及成分[1]。分析儀原理如圖1 所示。

圖1 紅外氣體分析儀原理圖

當被檢測氣體進入到檢測儀中時，經(jīng)過紅外線的照射會劃分出兩束不同的光源，其中一束光源會進入到樣品室，另一束光源進入到參比室，經(jīng)過系統(tǒng)對光源的檢測分析，將光源轉(zhuǎn)移到探測器上，安裝在探測器上的濾光片對光源的中心波長有著特定要求，只有滿足條件后光源才能通過濾光片。通過的光束會代表相應的汽車尾氣，在參比室中如果無法識別該氣體，探測器會自動響應，直接將直流現(xiàn)象通過探測器顯示出來，反之，當樣品室中通過的氣體與標準室中通過的氣體濃度不同，則被檢測氣體會形成突變輻射，從而產(chǎn)生不同的輸出信號，通過輸出信號與定標值的比較，便可以檢測出相應氣體的含量[2-3]。

2 紅外汽車尾氣分析儀整體架構(gòu)分析

2.1 紅外汽車尾氣分析儀結(jié)構(gòu)組成

首先，檢測氣體通過主濾過器濾除雜質(zhì)，再通過粉濾過器濾除對測量結(jié)果有影響的粉塵，在保證完全濾除影響因素之后，進行壓力檢測步驟，主要實現(xiàn)過程是將氣泵產(chǎn)生的氣體通過多種裝置進行檢測，最終排出，整個過程完成。該過程中需要用到的裝置有三通電磁閥門、NDIR 四通道三氣體分析檢測裝置以及氧氣傳感器和NOx傳感器，如圖2 所示。（PS:系統(tǒng)中特意設計了質(zhì)量檢測、溫度檢測、壓力檢測三大檢測工序，利用這些工序更好地保障測量結(jié)果能滿足國家標準要求。）

圖2 系統(tǒng)框圖

為了更準確地測量結(jié)果，每次檢測完成之后都要進行一次校正處理，目的是消除儀器長時間使用所造成的誤差。其校正檢測方法為向儀器內(nèi)注入干凈的空氣，空氣注入完畢后，為保證該過程無任何干擾因素，將空氣進行沖洗步驟，該過程主要用到的檢測裝置是三通電磁閥門，沖洗完成后將修正儀器歸零，即可完成操作[4-5]。

單憑這些遠遠不能滿足通過零點校正來修正誤差，在儀器長時間飛速運轉(zhuǎn)后，會造成許多問題，例如：器件老化、零件磨損等。該過程可以采取對比的方式進行檢測，其實現(xiàn)過程為在紅外汽車尾氣分析儀中引入標準氣體，在校正儀器過程中，將已知濃度的氣體經(jīng)檢測后與標準氣體進行對比，從而分析出該儀器的準確程度。而儀器進入校正狀態(tài)時，此時的氣泵處于停止運轉(zhuǎn)狀態(tài)，用戶利用微電腦技術在紅外汽車尾氣分析儀中輸入標準氣體濃度，紅外汽車尾氣分析儀會自動對儀器進行校正，一系列過程由微電腦技術完成[6-7]。

2.2 硬件系統(tǒng)優(yōu)化設計

該系統(tǒng)控制核心采用微處理器MSP430F149I，它的溫度范圍和極其厲害的抗干擾性能，能夠有效地確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[8-9]，控制硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 控制電路硬件圖

該次優(yōu)化針對用戶能更直觀地了解該儀器的用處，盡可能地采取通俗易懂的方法，特別設計鍵盤輸入，僅有6 個按鍵，分別為P1.0～P1.5，當用戶需要使用儀器時只需按指定操作，屏幕上便會出現(xiàn)液晶LCD 顯示，按指令即可完成優(yōu)化過程[10]。

該紅外汽車尾氣分析儀系統(tǒng)主要由信號調(diào)理放大模塊以及壓力檢測模塊、NDIR 四通道三組分氣體分析模塊、流量檢測模塊等組成。MSP430F149I 內(nèi)部提供8 路、12 位以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC AD0～AD7，系統(tǒng)采用其中的四路來測量流量、氧氣濃度、NOx濃度、氣體壓力（其中NOx包含NO、NO2等氮氧化合物）[11-12]。

氧氣傳感器是一種利用電化學方式的儀器，該氧氣傳感器可以利用輸出電壓與氧氣的輸入濃度進行對比分析，并觀察輸出電壓與氧氣的輸入濃度的關系情況，經(jīng)一系列研究發(fā)現(xiàn)二者成線性關系，例如：若氧氣濃度等于零，輸出電壓也等于零。若此時空氣中氧氣濃度基本不變，保持在21.97%上下浮動，可以將得出的數(shù)值與測量結(jié)果進行比較。

NDIR 四通道三組分氣體分析模塊的應用有利于通過紅外汽車尾氣分析儀分析氣體的組成成分，經(jīng)研究顯示該模塊共包含了4 個通道，其中3 個通道為核心要素，主要對HC、CO2、CO、NO、NO25 種主要氣體進行分析，而另一個通道用作參考范圍。該過程主要采用RS-232 接口與主控單元作為核心測量進行控制命令，測量步驟包括系統(tǒng)校正、檢測命令發(fā)送、單一氣體標定和測量數(shù)據(jù)的通訊，起始溫度、各氣體溫度、檢測的原始數(shù)據(jù)等為測量的結(jié)果[13]。

NOx傳感器的輸出電壓與氧氣濃度之比屬于非線性，經(jīng)過圖4 所示的電路調(diào)理信號，將會得到電壓信號，實驗結(jié)果表明電壓信號與NOx濃度呈線性關系。詳細過程如圖4 中的NOx傳感器信號調(diào)理電路所示。

圖4 NOx 傳感器信號調(diào)理電路

2.2.1 紅外氣體分析傳感器

根據(jù)上述內(nèi)容制成的紅外氣體分析傳感器如圖5 所示，檢測氣體經(jīng)水分離器和濾清器濾除雜質(zhì)后通過進氣口進入取樣室。當傳感器上的數(shù)據(jù)顯示的氣體濃度越低，它的波值越大，反之氣體濃度越高，波值越小。過程如圖5 紅外氣體分析傳感器所示[14]。

圖5 紅外氣體分析傳感器

2.2.2 傳感器標定

該過程針對實測對傳感器進行標定，實驗表明傳感器啟動后會發(fā)出輸出信號，將輸出信號通過A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)處理，再使不同濃度的標準氣體進入儀器，達到對儀器進行標定的目的，將所有測定的數(shù)據(jù)匯總成表格封存于單片機中，當需要儀器進行實測時，根據(jù)表格就可以迅速算出實測值。如表1、表2所示。

表1 HC標準氣體濃度與A/D測量值

表2 CO標準氣體濃度與A/D測量值

2.3 軟件設計

該軟件將采取模塊化形式進行數(shù)據(jù)分析、標定、測量、通訊、打印等步驟，反復分析數(shù)據(jù)得出最準確的結(jié)果。軟件框圖如圖6 所示。

圖6 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 電路系統(tǒng)優(yōu)化分析

電路系統(tǒng)主要包括利用紅外氣體分析信號后通過A/D 轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)處理，通過鍵盤控制儀器顯示，最后由打印機輸出。汽車尾氣分析儀原理框圖如圖7 所示。

圖7 汽車尾氣分析儀原理框圖

3.1 信號處理

在針對紅外汽車尾氣分析儀電路系統(tǒng)進行分析的過程中發(fā)現(xiàn)輸出信號不能滿足要求，因此將針對電路系統(tǒng)進行優(yōu)化分析，為保證結(jié)果的準確性，特將輸出信號較原來相比放大50 倍，在此基礎上再配合單片機，利用直流放大器完成電平轉(zhuǎn)換。該過程對汽車尾氣檢測分析儀的精準度要求極高，為了達到標準特別采用12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。

3.2 數(shù)據(jù)存儲

通過多次實驗得出的實驗結(jié)果表明，單憑單片機的存儲器很難滿足系統(tǒng)大規(guī)模的程序與數(shù)據(jù)的要求，為此特意擴展了片外存儲器，在單片機內(nèi)存不足時解燃眉之急。

系統(tǒng)中采用液晶LCD顯示數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將自動保存紅外汽車尾氣分析儀的電路系統(tǒng)進行優(yōu)化分析過程中產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)，其保存位置為數(shù)據(jù)存儲器，除此之外，為避免數(shù)據(jù)庫內(nèi)存使用過大，將菜單顯示的臨時數(shù)據(jù)存儲在RAM中，可以有效避免不利因素的產(chǎn)生。數(shù)據(jù)存儲不能通過單一測量來標定數(shù)據(jù)，需要建立特定的數(shù)據(jù)庫后注入測量標準，方便觀察菜單動態(tài)及測量數(shù)據(jù)。

3.3 結(jié)果顯示與輸出

利用LCD 顯示結(jié)果和操作界面，通過標準打印機輸出報告，也可以通過將RS232 與計算機連接來備份數(shù)據(jù)。

3.3.1 液晶LCD顯示

在紅外汽車尾氣分析儀電路系統(tǒng)優(yōu)化分析的結(jié)果顯示與輸出中，將采用液晶LCD 顯示，除此之外，在結(jié)果顯示與輸出中設計用戶界面，有利于用戶直觀地觀察數(shù)據(jù)變化情況，全屏采用中文字幕，操作者不需要看說明書也能熟練地掌握儀器的使用方法，電路如圖8 所示。

圖8 液晶顯示電路圖

想要采用液晶LCD 顯示，需要詳細地設定顯示屏的模式、屏幕范圍，完成初始化操作。當操作者操作儀器時，屏幕會顯示緩沖區(qū)的地址，用戶只需要讀出相應地址的顯示緩沖即可。

3.3.2 串行通信

隨著社會的發(fā)展，數(shù)據(jù)的儲存不能局限于此，漸漸地趨向于計算機數(shù)據(jù)儲存，也就是將計算機接口與RS232 串行接口進行連接，相對于以往的方式來講更經(jīng)濟可靠[15]。

3.3.3 打印機標準接口

該模塊針對系統(tǒng)檢測結(jié)果的輸出，特別配置了標準針式打印機接口，操作簡單快速，只需要將普通打印機的數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)進行連接，即可完成整項操作。目前，市面上的打印機通常采用并行接口、數(shù)據(jù)線以及忙線BUSY、信號線STROBE。當操作者需要查詢數(shù)據(jù)時，首先輸入信號BUSY，若結(jié)果顯示BUSY=0，即可利用打印機輸出數(shù)據(jù)，將打印機輸出的數(shù)據(jù)接入到DATA 上，并通過STROBE 通知打印機進行信號傳輸，該過程中若系統(tǒng)出現(xiàn)BUSY=0 的信號,再從接口接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收完畢并存儲于打印機的緩沖器中，在數(shù)據(jù)存儲過程中會發(fā)送ASK 信號，該行為向操作者表示打印機已準備好接收新的數(shù)據(jù)，操作接收到信號指令后撤銷BUSY 信號即可[16]。

4 紅外汽車尾氣檢測分析系統(tǒng)測試

利用與標準氣體進行對比實驗得出結(jié)論，并且通過N次實驗證明了該設計測量精度高于以往設計，誤差小于5%，倘若儀器誤差超過標準規(guī)定，則會對儀器進行更準確地標定，將采用高、中、低不同濃度的混合氣體，分別加入儀器后，向儀器內(nèi)輸入標準的測量值，經(jīng)過一系列測量、校正后，最終驗證了基于微電腦技術的紅外汽車尾氣分析儀可以達到實際要求。

5 結(jié)束語

當前，世界上檢測儀的發(fā)展包括兩方面：一是硬件，指儀器本身的質(zhì)量和技術水平；二是軟件，指計算機在檢測方面的應用。近年來，軟件開發(fā)取得了巨大的進步，很大程度提高了儀器的測量速度、精準度和準確性，并且擴大了儀器的功能和應用領域，從而大大提高了儀器的自動化程度，數(shù)據(jù)處理更快、更真實。

該設計較以往儀器相比具有很多優(yōu)勢，各項性能指標達到并且超過行業(yè)標準，包括結(jié)構(gòu)更加緊湊、測量速度快、攜帶輕便以及精確度更高等特點，經(jīng)過多次測試得出的實驗結(jié)果以及用戶使用情況表明，該儀器具有一定的參考價值。