熊 杰，魏 勇，嚴 丹

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

0 引言

隨著我國工業(yè)制造業(yè)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)汽車的擁有量越來越大，汽車尾氣對城市環(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造成霧霾、酸雨等現(xiàn)象，因此快速、有效、準確地采集尾氣中各種氣體的成分和濃度對改善空氣質(zhì)量有著重要的意義。本文設(shè)計了一種基于ARM的汽車尾氣在線檢測裝置，該檢測裝置可直接安裝在汽車的排氣口，通過多個傳感器組可實時檢測尾氣中的CO、NO、CO2、HC等氣體的濃度，通過NRF24L01無線技術(shù)把采集到的氣體濃度值發(fā)送到駕駛室的顯示屏上，當廢氣濃度超標時可及時提醒駕駛員進行處理。實際測試結(jié)果表明，該檢測裝置能有效檢測出廢氣的成分及其對應(yīng)的濃度，具有安裝簡單、成本低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點[2-3]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本文設(shè)計的汽車尾氣檢測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)過過濾器過濾氣體中的水分、粉塵等雜質(zhì)，然后通過檢測儀中的非分光紅外(NDIR)氣體傳感器和NOx氣體傳感器同時檢測尾氣中的CO、CO2、HC以及NO等氣體的濃度[4]。利用信號調(diào)理電路對傳感器輸出的信號進行放大、濾波處理，然后把處理后的信號送入單片機內(nèi)部的A/D中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后計算出汽車尾氣中各種氣體的濃度值，通過NRF24L01無線技術(shù)把結(jié)果發(fā)送到駕駛室的中控屏上實時顯示，還可以把數(shù)據(jù)發(fā)送到手持式的監(jiān)測裝置上，便于檢測人員及時掌握尾氣的排放情況，系統(tǒng)方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計

2 尾氣檢測裝置的硬件設(shè)計

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

圖2 硬件框圖

2.1 NDIR氣體傳感器檢測電路

系統(tǒng)采用非分光紅外(NDIR)氣體傳感器檢測汽車尾氣中的CO、CO2、HC的濃度，它是4道3組分的氣體分析模塊，其中1個通道通入標準氣體作為參考，剩余3個通道采用光譜吸收方法檢測CO、HC和CO2的濃度[7]。該氣體傳感器模塊通過RS232接口與單片機進行數(shù)據(jù)交互，其采用紅外調(diào)制光源實現(xiàn)對尾氣成分的檢測，通過串口向氣體傳感器模塊發(fā)送控制命名來檢測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接口電路圖如圖3所示。

圖3 NDIR氣體傳感器檢測電路

2.2 NOx氣體傳感器檢測電路

本系統(tǒng)采用車載NOx氮氧傳感器來檢測尾氣中的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NOx顯示出可靠的選擇性，又因為摻雜了某些特定的金屬，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很微弱，必須將此信號進行適當處理之后才能被單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進行采集[9]，具體電路如圖4所示。

圖4 NOx氣體檢測電路

2.3 進氣壓力檢測電路

系統(tǒng)設(shè)計了進氣壓力檢測、流量檢測電路，通過檢測這些參數(shù)結(jié)合氣體傳感器檢測到的尾氣中廢氣的濃度值，來計算出最終尾氣排放是否超標，保證尾氣的檢測環(huán)境符合國家規(guī)定的標準。系統(tǒng)選用的是差分型壓力傳感器來檢測進氣的壓強，只需對傳感器輸出的信號進行適當放大處理即可，再利用單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對放大后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換[10]，在單片機內(nèi)部計算出進氣的壓力值，結(jié)合其他參數(shù)保證尾氣檢測的過程符合國家標準要求的環(huán)境條件范圍。具體的壓力檢測電路如圖5所示。

圖5 進氣壓力檢測電路圖

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，符合汽車尾燈檢測的復(fù)雜工作環(huán)境。

2.4 NRF24L01無線傳輸電路

在汽車尾氣數(shù)據(jù)傳輸上，本文選用2.4G無線模塊(NRF24L01模塊)。2.4G是全球開放的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，采用3.3 V供電。NRF24L01通過SPI與單片機進行數(shù)據(jù)通訊，最大SPI速度可達10 MHz，內(nèi)置CRC檢錯和點對多點的通信地址控制方式，可設(shè)置自動應(yīng)答，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。無線傳輸電路圖如圖6所示。

圖6 NRF24L01無線傳輸電路

2.5 主控芯片

由于該檢測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)級單片機芯片，工作溫度-40～85 ℃，完全滿足汽車排氣口的溫度要求。此款單片機具有1 024 KB閃存存儲器，256 KB SRAM，主頻高達120 MHz，其內(nèi)部含有4通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以用來對采集到的尾氣濃度值信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思路，分別設(shè)計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、進氣壓力采集程序、A/D轉(zhuǎn)換程序以及NRF2L01無線通訊程序等。系統(tǒng)上電首先自檢，NRF24L01搜尋網(wǎng)絡(luò)，然后開始啟動數(shù)據(jù)采集程序，待各個傳感器組采集完數(shù)據(jù)之后把數(shù)據(jù)打包統(tǒng)一發(fā)送至手持式監(jiān)測儀上顯示，軟件流程圖如圖7所示。

圖7 汽車尾氣在線檢測裝置軟件流程圖

4 實驗數(shù)據(jù)分析

為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，首先在實驗室條件下利用標準氣體進行對比實驗。把體積分數(shù)為1.0%、2.0%、4.55%、5.65%的標準CO氣體充進氣室，然后把尾氣檢測裝置放置在氣室里面，把測得的CO體積分數(shù)與標準體積分數(shù)比較來驗證系統(tǒng)的可靠性及采集的準確性，對比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測得CO體積分數(shù)與標準值對比 %

由上述4組對比測量數(shù)據(jù)可知，測量到的CO體積分數(shù)值與標準體積分數(shù)值基本一致，測量的最大誤差3%，由于可見，本文研制的汽車尾氣檢測儀具有較高的穩(wěn)定性和測量的準確性。

在實驗室條件下驗證系統(tǒng)之后，開始在實際的環(huán)境中檢測汽車的尾氣成分，把該尾氣檢測儀安裝到汽車尾氣排氣口上，啟動汽車使車處于怠速狀態(tài)，利用檢測裝置檢測排放的尾氣中各種氣體的成分、體積分數(shù)信息。將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與標準尾氣檢測儀測得的數(shù)據(jù)進行對比，分別測量5輛不同汽車，重點測試尾氣中的CO、NOX體積分數(shù)，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 5輛汽車測量數(shù)據(jù) %

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

5 結(jié)束語

設(shè)計了一種基于ARM的汽車尾氣在線檢測裝置，通過檢測裝置上的多個傳感器檢測出尾氣中各種氣體的成分、濃度等信息，通過無線傳輸技術(shù)把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至司機室的顯示屏上或手持式檢測儀上，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。實際試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的汽車尾氣檢測儀具有成本低、安裝監(jiān)測方便、傳輸穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。