李華英，陳立暢，果霖，張佳進(jìn)

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南 昆明 650201）

基于單片機(jī)的柴油機(jī)煙度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李華英1，陳立暢1，果霖1，張佳進(jìn)2

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南 昆明 650201）

柴油機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量黑煙，對(duì)環(huán)境和人體健康會(huì)產(chǎn)生極大的危害。針對(duì)廢氣對(duì)光具有吸收特性，論文提出了一種采用光強(qiáng)度來測(cè)量廢氣排放量的方案。該系統(tǒng)充分利用了C8051F340單片機(jī)功耗低及片內(nèi)集成A/D轉(zhuǎn)換電路的優(yōu)勢(shì)，使得該系統(tǒng)具有反應(yīng)靈敏、精度高、成本低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可用來檢測(cè)各種煙度。實(shí)驗(yàn)表明，檢測(cè)精度達(dá)到±2%，符合國家的相關(guān)要求。

光強(qiáng)度；煙度檢測(cè)；C8051F340單片機(jī)；低功耗；A/D轉(zhuǎn)換

0 引言

近些年來，一些汽車現(xiàn)代新技術(shù)在柴油車上得到廣泛的運(yùn)用，極大地提高了柴油車綜合性能，使柴油車成為目前被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動(dòng)力機(jī)械中熱率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機(jī)型。

柴油機(jī)在工作時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生一種由碳、氫、潤滑油、燃油中的硫化物以及燃燒時(shí)裂解的碳組成的微粒（PM），也就是我們?？吹降暮跓煛M對(duì)環(huán)境和人體健康會(huì)造成極大的危害，因此對(duì)排放控制勢(shì)在必行。煙度不僅是評(píng)價(jià)柴油機(jī)對(duì)大氣污染程度的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)柴油機(jī)的強(qiáng)化程度和燃燒過程是否完善的重要指標(biāo)。通過煙度測(cè)量，我們可以判斷柴油機(jī)與排放有關(guān)的零部件是否正常工作，是否需要維修或保養(yǎng)［1］。

濾紙式煙度計(jì)，由于其使用特性與自由加速煙度排放不能很好匹配，不能測(cè)量其煙度峰值，只能測(cè)量出自由加速煙度排放大小的特性曲線積分值，故測(cè)量不準(zhǔn)確。用不透光煙度計(jì)測(cè)量煙度排放，在通道上安裝有光源和檢測(cè)器，當(dāng)廢氣進(jìn)入通道時(shí)，檢測(cè)器接收的光強(qiáng)度將削弱，用光強(qiáng)度大小來反映煙度排放的大小。此測(cè)量方法反應(yīng)靈敏，可測(cè)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)煙度排放。由于不透光煙度計(jì)比濾紙式煙度計(jì)準(zhǔn)確度更高，靈敏性更好，它不僅能檢測(cè)黑煙的煙度，還能測(cè)量排氣中的藍(lán)煙、白煙等可見排放污染物，可以進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，且在低煙度是有較高的分辨率，所以也可以用來研究柴油機(jī)的瞬態(tài)碳煙和其它可見污染物的排放特性［2］。因此，不透光煙度計(jì)具有反應(yīng)靈敏、精度高、成本低、操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)于各種煙度檢測(cè)。比較典型的不透光煙度計(jì)有美國PHS全流式煙度計(jì)、英國哈特里（Hartridge）和奧地利AVL等分流式不透光煙度計(jì)［4］。

劉建平、馬樹明等對(duì)煙度檢測(cè)自動(dòng)操作和控制系統(tǒng)的研究，通過對(duì)煙度的試驗(yàn)、分析論證，提出了煙度檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)要求，研制出了自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，通過光電開光給予工作信號(hào)后，該自動(dòng)裝置控制系統(tǒng)與煙度計(jì)的控制網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，并通過網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)完成所取樣的各項(xiàng)指標(biāo)要求的全部工作程序［1］。

王桂香、智剛毅等分析了我國現(xiàn)行在用柴油車自由加速煙度檢測(cè)的特點(diǎn)，自由加速煙度檢測(cè)法和加載減速煙度檢測(cè)的檢測(cè)方法，檢測(cè)評(píng)價(jià)及其優(yōu)缺點(diǎn)［3］。趙立、解世文、孫玉德等通過對(duì)全流消光式煙度檢測(cè)系統(tǒng)中的不確定因素進(jìn)行校正，提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煙度檢測(cè)系統(tǒng)的研究［5］。

本文以C8051F340單片機(jī)為核心，基于光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)尾氣煙度的自動(dòng)化檢測(cè)。

1 系統(tǒng)組成及原理

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)采用一片C8051F340單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，同時(shí)包含發(fā)光二極管模塊、光通道、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)放大電路、顯示電路、串口通信等部分。

圖1　系統(tǒng)工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of system

發(fā)光二極管發(fā)出波長為520nm綠光，經(jīng)過具有廢氣（煙）的光通道進(jìn)入到硅光電池。該方法利用硅光電池檢測(cè)透射光的強(qiáng)度，由信號(hào)放大電路對(duì)光敏傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大、I/V轉(zhuǎn)換，進(jìn)入到C8051F340單片機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算出廢氣的吸光度值，并通過串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，計(jì)算機(jī)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

當(dāng)廢氣進(jìn)入光通道時(shí)，接收裝置接收的光強(qiáng)度將被削弱，光強(qiáng)度大小可以反映煙度排放的大小，其吸收關(guān)系遵循比爾-朗伯定律。光吸收比計(jì)算公式如下：

其中：N—不透光度（%）；I0—入射光強(qiáng)度（cd）；I—到達(dá)接收器光強(qiáng)度（cd）；L—光通道有效長度（m）；K—光吸收系數(shù)（m-1）。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1微控制器及光源

采用C8051F340單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心。C8051F340單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU。高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容型微控制器內(nèi)核。片內(nèi)Silicon Labs二線（C2）開發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行侵入式、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān)，允許用戶根據(jù)自己特定的應(yīng)用選擇所提供的資源，包括4個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、兩個(gè)具有擴(kuò)展波特率配置的全雙工UART、一個(gè)增強(qiáng)型SPI端口、多達(dá)4352字節(jié)的內(nèi)部RAM、64KB的程序存儲(chǔ)器、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及多達(dá)40個(gè)I/O引腳［6］。

由于硅光電池在500nm～550nm光譜波長段具有最大響應(yīng)，因此檢測(cè)系統(tǒng)的光源采用波長為520nm的綠色發(fā)光二極管作為光源，具有發(fā)光效率高、光譜帶寬合適、功耗低等特點(diǎn)［8］。

2.2A/D轉(zhuǎn)換、顯示電路

通過硅光電池的信號(hào)為模擬電流信號(hào)，再由I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后輸出模擬電壓信號(hào)，單片機(jī)處理信號(hào)需要輸入的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，因此一般需要接入1片A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于C8051F340單片機(jī)片內(nèi)集成了10位逐次比較的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不需要外接A/D轉(zhuǎn)換芯片，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。片內(nèi)ADC通過逐次比較方式，將輸入端的模擬電壓轉(zhuǎn)換成10位的數(shù)字量。因此，直接把經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換、放大電路中輸出的模擬量接入C8051F340的端口引腳上，對(duì)輸入的電壓模擬量進(jìn)行A/ D轉(zhuǎn)換，由CPU對(duì)其進(jìn)一步處理。C8051F340單片機(jī)與液晶LCD19264的連接可采用并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑?］，如圖2所示。

圖2　顯示電路連接圖Fig.2 Display circuit connection diagram

系統(tǒng)還采用C8051F340的串行接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)采用Visual Basic 6.0編寫界面程序。

2.3I/V轉(zhuǎn)換及放大電路硅光電池受光照射后，產(chǎn)生光電子流，但其輸出信號(hào)為電流信號(hào)，單片機(jī)的處理信號(hào)多為電壓信號(hào)，因此需要進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

圖3　光電轉(zhuǎn)換電路Fig.3 The photoelectric conversion circuit

此電路的作用在于，通過集成運(yùn)放LM324和反饋電阻Rf，將硅光電池輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。通過調(diào)節(jié)Rf阻值的大小，可以改變輸出電壓值的大小，從而能夠適應(yīng)后級(jí)控制電路對(duì)輸入信號(hào)電壓值的要求［9］。光照度的強(qiáng)弱影響Is大小，進(jìn)而引起Vout的改變，從而實(shí)現(xiàn)了將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

煙度檢測(cè)系統(tǒng)的單片機(jī)軟件采用Keil C語言編寫［10］，根據(jù)式（1）可知，系統(tǒng)只需要完成入射光強(qiáng)I0對(duì)應(yīng)的電壓V0、穿透廢氣出射光強(qiáng)I對(duì)應(yīng)的電壓V的測(cè)量，就可根據(jù)公式完成對(duì)煙度的檢測(cè)。因此，程序首先初始化硬件的各個(gè)部分，包括中斷、液晶顯示的初始化，串口通信初始化等。

另外，通過調(diào)零的方式來讀取入射光強(qiáng)I0對(duì)應(yīng)的電壓V0，然后再通入廢氣讀取出射光強(qiáng)I對(duì)應(yīng)的電壓V，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化處理計(jì)算后通過LCD顯示測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)計(jì)算機(jī)相關(guān)協(xié)議命令的請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件流程Fig.4 Software flow pattern

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

系統(tǒng)對(duì)5片標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表1。從表1可看出，檢測(cè)誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國家要求的±2%，系統(tǒng)完全滿足測(cè)量要求。

表1　測(cè)量結(jié)果Tab.1 Result of a measurement

5 結(jié)論

基于C8051F340單片機(jī)的煙度檢測(cè)系統(tǒng)是利用廢氣對(duì)光具有吸收特性進(jìn)行設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)充分利用了C8051F340單片機(jī)功耗低、片內(nèi)具有A/D轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，并具有快速、低成本、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，對(duì)柴油機(jī)廢氣排放的監(jiān)測(cè)具有重要意義。

［1］劉建平，馬樹明.汽車自由加速煙度檢測(cè)自動(dòng)操作和控制系統(tǒng)的研究應(yīng)用［J］.輕型汽車技術(shù)，1999，3.

［2］曹躍芳.柴油機(jī)煙度測(cè)量問題的探討［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2006，5.

［3］王桂香，智剛毅.在用柴油車排放煙度檢測(cè)方法的淺探［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2005，4.

［4］高占斌，天野，陳輝，王永堅(jiān).柴油機(jī)煙度測(cè)量方法研究［J］.集美大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，11.

［5］趙立，解世文，孫玉德.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煙度檢測(cè)系統(tǒng)的研究［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2004，1.

［6］SiliconLab.C8051F340 Datasheet［DB/OL］.http：//www.silabs.corn/ public/Document/tpub-doc/dsheet/Microcontrollers/USB/en/ c8051f34x，2014.

［7］李群芳.單片機(jī)原理、接口及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［8］Lxdcn.LXD23CV-R Datasheet［DB/OL］.？http：//www.lxdcn.com/Chinese/chan_pin_xin_xi/PDF_chan_pin_zi_liao/硅光電池規(guī)格書/硅光電池%20LXD23CV-R.pdf，2014.

［9］Low Power Quad Operational Amplifiers.LM324？datasheet［DB/OL］. http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/lm124-n.pdf，2014.

［10］童長飛.C8051F系列單片機(jī)開發(fā)與C語言編程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

Design of Smoke Density Detecting System Based on Microcontroller

LI Hua-Ying1，CHEN Li-Chang1，GUO Lin1，ZHANG Jia-Jin2
（1.School of Mechanic and Electronic Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming Yunnan 650201，China；2.School of Science and Information Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming Yunnan 650201，China）

Diesel engine can generate a huge mount of black smoke while working，which will do damage to our living environment and harm our health.In the paper light strength was used to measure the density of smoke.This smoke density detecting system is designed in accordance with the principle that fumes have light-absorbing ability.The system makes full use of the advantages of C8051F340 microcontroller，such as low energy consumption，A/D transform etc.It is characterized with high sensitivity，high accuracy，low cost and user-friendly.It can also be used to detect other kinds of smoke density.Sample test shows that the detection accuracy is±2%，in agreement with the relevant requirements of the state.

light strength；smoke density detecting；C8051F340 Microcontroller；low power consumption；A/D transform

TH-39

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.033

1002-6673（2015）02-086-03

2015-01-10

項(xiàng)目來源：云南農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金的支持（YNAU2013IN631-11）

李華英（1965-）女，湖南衡陽人，副教授。主要從事理論力學(xué)，符號(hào)學(xué)研究；通信作者：張佳進(jìn)。