熊 杰，魏 勇，嚴(yán) 丹

(1.黃岡師范學(xué)院電子信息學(xué)院，湖北黃岡 438000；2.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北荊州 434023)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)制造業(yè)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)汽車的擁有量越來(lái)越大，汽車尾氣對(duì)城市環(huán)境的污染也日益加劇[1]。汽車尾氣中的CO、NO、HC等有害氣體的排放會(huì)造成霧霾、酸雨等現(xiàn)象，因此快速、有效、準(zhǔn)確地采集尾氣中各種氣體的成分和濃度對(duì)改善空氣質(zhì)量有著重要的意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM的汽車尾氣在線檢測(cè)裝置，該檢測(cè)裝置可直接安裝在汽車的排氣口，通過(guò)多個(gè)傳感器組可實(shí)時(shí)檢測(cè)尾氣中的CO、NO、CO2、HC等氣體的濃度，通過(guò)NRF24L01無(wú)線技術(shù)把采集到的氣體濃度值發(fā)送到駕駛室的顯示屏上，當(dāng)廢氣濃度超標(biāo)時(shí)可及時(shí)提醒駕駛員進(jìn)行處理。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該檢測(cè)裝置能有效檢測(cè)出廢氣的成分及其對(duì)應(yīng)的濃度，具有安裝簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的汽車尾氣檢測(cè)裝置可直接安裝在汽車的排氣管上，汽車排出的尾氣首先經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾氣體中的水分、粉塵等雜質(zhì)，然后通過(guò)檢測(cè)儀中的非分光紅外(NDIR)氣體傳感器和NOx氣體傳感器同時(shí)檢測(cè)尾氣中的CO、CO2、HC以及NO等氣體的濃度[4]。利用信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，然后把處理后的信號(hào)送入單片機(jī)內(nèi)部的A/D中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后計(jì)算出汽車尾氣中各種氣體的濃度值，通過(guò)NRF24L01無(wú)線技術(shù)把結(jié)果發(fā)送到駕駛室的中控屏上實(shí)時(shí)顯示，還可以把數(shù)據(jù)發(fā)送到手持式的監(jiān)測(cè)裝置上，便于檢測(cè)人員及時(shí)掌握尾氣的排放情況，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2 尾氣檢測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)

尾氣檢測(cè)裝置的硬件是由NDIR氣體傳感器、NOx氣體傳感器、進(jìn)氣氣體壓力傳感器、進(jìn)氣氣體流量傳感器、數(shù)據(jù)放大濾波電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路以及NRF24L01無(wú)線傳輸電路組成[5]。通過(guò)安裝在排氣管上的尾氣檢測(cè)裝置檢測(cè)出尾氣中各種廢氣的成分、濃度值，通過(guò)NRF24L01無(wú)線技術(shù)把檢測(cè)結(jié)果發(fā)送到手持式監(jiān)測(cè)裝置的LCD屏上實(shí)時(shí)顯示，可以快速、直觀的觀察到檢測(cè)結(jié)果，系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示[6]。

圖2 硬件框圖

2.1 NDIR氣體傳感器檢測(cè)電路

系統(tǒng)采用非分光紅外(NDIR)氣體傳感器檢測(cè)汽車尾氣中的CO、CO2、HC的濃度，它是4道3組分的氣體分析模塊，其中1個(gè)通道通入標(biāo)準(zhǔn)氣體作為參考，剩余3個(gè)通道采用光譜吸收方法檢測(cè)CO、HC和CO2的濃度[7]。該氣體傳感器模塊通過(guò)RS232接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其采用紅外調(diào)制光源實(shí)現(xiàn)對(duì)尾氣成分的檢測(cè)，通過(guò)串口向氣體傳感器模塊發(fā)送控制命名來(lái)檢測(cè)尾氣中各氣體的濃度、氣室溫度等信息。傳感器模塊與單片機(jī)接口電路圖如圖3所示。

圖3 NDIR氣體傳感器檢測(cè)電路

2.2 NOx氣體傳感器檢測(cè)電路

本系統(tǒng)采用車載NOx氮氧傳感器來(lái)檢測(cè)尾氣中的NOx的濃度，根據(jù)不同的氣敏特性NOx傳感器可以分為半導(dǎo)體型、固態(tài)電解質(zhì)型、電化學(xué)型等。本文選用的是特定金屬制成的半導(dǎo)體傳感器，其具有敏感性好，對(duì)NOx顯示出可靠的選擇性，又因?yàn)閾诫s了某些特定的金屬，顯著了提高了傳感器的穩(wěn)定性以及選擇性[8]。

NOx傳感器能將測(cè)得的NOx氣體的濃度值反應(yīng)成傳感器輸出的電壓值，且所測(cè)的氣體濃度與傳感器輸出的電壓成線性關(guān)系。由于傳感器輸出的電壓信號(hào)很微弱，必須將此信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理之后才能被單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集[9]，具體電路如圖4所示。

圖4 NOx氣體檢測(cè)電路

2.3 進(jìn)氣壓力檢測(cè)電路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了進(jìn)氣壓力檢測(cè)、流量檢測(cè)電路，通過(guò)檢測(cè)這些參數(shù)結(jié)合氣體傳感器檢測(cè)到的尾氣中廢氣的濃度值，來(lái)計(jì)算出最終尾氣排放是否超標(biāo)，保證尾氣的檢測(cè)環(huán)境符合國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)選用的是差分型壓力傳感器來(lái)檢測(cè)進(jìn)氣的壓強(qiáng)，只需對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大處理即可，再利用單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[10]，在單片機(jī)內(nèi)部計(jì)算出進(jìn)氣的壓力值，結(jié)合其他參數(shù)保證尾氣檢測(cè)的過(guò)程符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的環(huán)境條件范圍。具體的壓力檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5 進(jìn)氣壓力檢測(cè)電路圖

MPX100p壓力傳感器是硅壓阻式壓力傳感器，其采用差分電壓的輸出形式，且輸出的電壓與施加的壓力成線性相關(guān)，該型壓力傳感器的工作溫度在-40～125 ℃之間，符合汽車尾燈檢測(cè)的復(fù)雜工作環(huán)境。

2.4 NRF24L01無(wú)線傳輸電路

在汽車尾氣數(shù)據(jù)傳輸上，本文選用2.4G無(wú)線模塊(NRF24L01模塊)。2.4G是全球開(kāi)放的ISM頻帶，免許可證使用，其最高工作速率為2 Mbps，抗干擾能力強(qiáng)，采用3.3 V供電。NRF24L01通過(guò)SPI與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，最大SPI速度可達(dá)10 MHz，內(nèi)置CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信地址控制方式，可設(shè)置自動(dòng)應(yīng)答，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。無(wú)線傳輸電路圖如圖6所示。

圖6 NRF24L01無(wú)線傳輸電路

2.5 主控芯片

由于該檢測(cè)裝置是安裝在汽車尾氣出口的，汽車排氣口的溫度通常較高，這對(duì)主控芯片的穩(wěn)定性提出了較高的要求。本文選用TM4C129型工業(yè)級(jí)單片機(jī)芯片，工作溫度-40～85 ℃，完全滿足汽車排氣口的溫度要求。此款單片機(jī)具有1 024 KB閃存存儲(chǔ)器，256 KB SRAM，主頻高達(dá)120 MHz，其內(nèi)部含有4通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以用來(lái)對(duì)采集到的尾氣濃度值信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，分別設(shè)計(jì)了非分光紅外傳感器數(shù)據(jù)采集程序、NOx傳感器數(shù)據(jù)采集程序、進(jìn)氣壓力采集程序、A/D轉(zhuǎn)換程序以及NRF2L01無(wú)線通訊程序等。系統(tǒng)上電首先自檢，NRF24L01搜尋網(wǎng)絡(luò)，然后開(kāi)始啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序，待各個(gè)傳感器組采集完數(shù)據(jù)之后把數(shù)據(jù)打包統(tǒng)一發(fā)送至手持式監(jiān)測(cè)儀上顯示，軟件流程圖如圖7所示。

圖7 汽車尾氣在線檢測(cè)裝置軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，首先在實(shí)驗(yàn)室條件下利用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。把體積分?jǐn)?shù)為1.0%、2.0%、4.55%、5.65%的標(biāo)準(zhǔn)CO氣體充進(jìn)氣室，然后把尾氣檢測(cè)裝置放置在氣室里面，把測(cè)得的CO體積分?jǐn)?shù)與標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)比較來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性及采集的準(zhǔn)確性，對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)得CO體積分?jǐn)?shù)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比 %

由上述4組對(duì)比測(cè)量數(shù)據(jù)可知，測(cè)量到的CO體積分?jǐn)?shù)值與標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)值基本一致，測(cè)量的最大誤差3%，由于可見(jiàn)，本文研制的汽車尾氣檢測(cè)儀具有較高的穩(wěn)定性和測(cè)量的準(zhǔn)確性。

在實(shí)驗(yàn)室條件下驗(yàn)證系統(tǒng)之后，開(kāi)始在實(shí)際的環(huán)境中檢測(cè)汽車的尾氣成分，把該尾氣檢測(cè)儀安裝到汽車尾氣排氣口上，啟動(dòng)汽車使車處于怠速狀態(tài)，利用檢測(cè)裝置檢測(cè)排放的尾氣中各種氣體的成分、體積分?jǐn)?shù)信息。將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)尾氣檢測(cè)儀測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分別測(cè)量5輛不同汽車，重點(diǎn)測(cè)試尾氣中的CO、NOX體積分?jǐn)?shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 5輛汽車測(cè)量數(shù)據(jù) %

本次檢測(cè)的5輛車尾氣排放的CO、NOx的體積分?jǐn)?shù)均在3%之內(nèi)，系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度。因此可以利用系統(tǒng)研制的便攜式尾氣檢測(cè)儀去檢測(cè)汽車尾氣的排放情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于ARM的汽車尾氣在線檢測(cè)裝置，通過(guò)檢測(cè)裝置上的多個(gè)傳感器檢測(cè)出尾氣中各種氣體的成分、濃度等信息，通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至司機(jī)室的顯示屏上或手持式檢測(cè)儀上，這樣工作人員就可以直接地觀察到汽車排放的尾氣是否超標(biāo)。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的汽車尾氣檢測(cè)儀具有成本低、安裝監(jiān)測(cè)方便、傳輸穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。