馮波

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，陜西西安 710300）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)以及科技的迅速發(fā)展，近年來(lái)，汽車行業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭以及建設(shè)規(guī)模在眾多行業(yè)領(lǐng)域中越來(lái)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(jìn)我國(guó)國(guó)民進(jìn)一步走向小康生活，但是，汽車為人類帶來(lái)了極大便利的同時(shí)，也導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題日漸嚴(yán)重，其原因是汽車在運(yùn)作過(guò)程中會(huì)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(dǎo)致氣候變暖、冰川融化、動(dòng)物們流離失所等現(xiàn)象，這一系列的現(xiàn)象都在預(yù)示著人類該有所作為了。因此，必須快速尋找一款更精準(zhǔn)、方便的方法去監(jiān)控汽車尾氣的排放。該次研究的檢測(cè)分析儀將顛覆以往的檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、體積大的缺點(diǎn)，它更輕便、可靠并且不受限制。

1 紅外汽車尾氣檢測(cè)原理

該儀器利用氣體吸收譜帶和特征頻率的特性，當(dāng)外界有光源靠近儀器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反應(yīng)，用戶可以通過(guò)儀器吸收光源的強(qiáng)弱來(lái)檢測(cè)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(dāng)被檢測(cè)氣體進(jìn)入到檢測(cè)儀中時(shí)，經(jīng)過(guò)紅外線的照射會(huì)劃分出兩束不同的光源，其中一束光源會(huì)進(jìn)入到樣品室，另一束光源進(jìn)入到參比室，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)對(duì)光源的檢測(cè)分析，將光源轉(zhuǎn)移到探測(cè)器上，安裝在探測(cè)器上的濾光片對(duì)光源的中心波長(zhǎng)有著特定要求，只有滿足條件后光源才能通過(guò)濾光片。通過(guò)的光束會(huì)代表相應(yīng)的汽車尾氣，在參比室中如果無(wú)法識(shí)別該氣體，探測(cè)器會(huì)自動(dòng)響應(yīng)，直接將直流現(xiàn)象通過(guò)探測(cè)器顯示出來(lái)，反之，當(dāng)樣品室中通過(guò)的氣體與標(biāo)準(zhǔn)室中通過(guò)的氣體濃度不同，則被檢測(cè)氣體會(huì)形成突變輻射，從而產(chǎn)生不同的輸出信號(hào)，通過(guò)輸出信號(hào)與定標(biāo)值的比較，便可以檢測(cè)出相應(yīng)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(cè)氣體通過(guò)主濾過(guò)器濾除雜質(zhì)，再通過(guò)粉濾過(guò)器濾除對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響的粉塵，在保證完全濾除影響因素之后，進(jìn)行壓力檢測(cè)步驟，主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程是將氣泵產(chǎn)生的氣體通過(guò)多種裝置進(jìn)行檢測(cè)，最終排出，整個(gè)過(guò)程完成。該過(guò)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(cè)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(shè)計(jì)了質(zhì)量檢測(cè)、溫度檢測(cè)、壓力檢測(cè)三大檢測(cè)工序，利用這些工序更好地保障測(cè)量結(jié)果能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。）

圖2 系統(tǒng)框圖

為了更準(zhǔn)確地測(cè)量結(jié)果，每次檢測(cè)完成之后都要進(jìn)行一次校正處理，目的是消除儀器長(zhǎng)時(shí)間使用所造成的誤差。其校正檢測(cè)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(guò)程無(wú)任何干擾因素，將空氣進(jìn)行沖洗步驟，該過(guò)程主要用到的檢測(cè)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足通過(guò)零點(diǎn)校正來(lái)修正誤差，在儀器長(zhǎng)時(shí)間飛速運(yùn)轉(zhuǎn)后，會(huì)造成許多問(wèn)題，例如：器件老化、零件磨損等。該過(guò)程可以采取對(duì)比的方式進(jìn)行檢測(cè)，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為在紅外汽車尾氣分析儀中引入標(biāo)準(zhǔn)氣體，在校正儀器過(guò)程中，將已知濃度的氣體經(jīng)檢測(cè)后與標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行對(duì)比，從而分析出該儀器的準(zhǔn)確程度。而儀器進(jìn)入校正狀態(tài)時(shí)，此時(shí)的氣泵處于停止運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，用戶利用微電腦技術(shù)在紅外汽車尾氣分析儀中輸入標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度，紅外汽車尾氣分析儀會(huì)自動(dòng)對(duì)儀器進(jìn)行校正，一系列過(guò)程由微電腦技術(shù)完成[6-7]。

2.2 硬件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(yùn)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(duì)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(shè)計(jì)鍵盤輸入，僅有6 個(gè)按鍵，分別為P1.0～P1.5，當(dāng)用戶需要使用儀器時(shí)只需按指定操作，屏幕上便會(huì)出現(xiàn)液晶LCD 顯示，按指令即可完成優(yōu)化過(guò)程[10]。

該紅外汽車尾氣分析儀系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理放大模塊以及壓力檢測(cè)模塊、NDIR 四通道三組分氣體分析模塊、流量檢測(cè)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(lái)測(cè)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(xué)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(jìn)行對(duì)比分析，并觀察輸出電壓與氧氣的輸入濃度的關(guān)系情況，經(jīng)一系列研究發(fā)現(xiàn)二者成線性關(guān)系，例如：若氧氣濃度等于零，輸出電壓也等于零。若此時(shí)空氣中氧氣濃度基本不變，保持在21.97%上下浮動(dòng)，可以將得出的數(shù)值與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。

NDIR 四通道三組分氣體分析模塊的應(yīng)用有利于通過(guò)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(gè)通道，其中3 個(gè)通道為核心要素，主要對(duì)HC、CO2、CO、NO、NO25 種主要?dú)怏w進(jìn)行分析，而另一個(gè)通道用作參考范圍。該過(guò)程主要采用RS-232 接口與主控單元作為核心測(cè)量進(jìn)行控制命令，測(cè)量步驟包括系統(tǒng)校正、檢測(cè)命令發(fā)送、單一氣體標(biāo)定和測(cè)量數(shù)據(jù)的通訊，起始溫度、各氣體溫度、檢測(cè)的原始數(shù)據(jù)等為測(cè)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(guò)圖4 所示的電路調(diào)理信號(hào)，將會(huì)得到電壓信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電壓信號(hào)與NOx濃度呈線性關(guān)系。詳細(xì)過(guò)程如圖4 中的NOx傳感器信號(hào)調(diào)理電路所示。

圖4 NOx 傳感器信號(hào)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(cè)氣體經(jīng)水分離器和濾清器濾除雜質(zhì)后通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入取樣室。當(dāng)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(guò)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(biāo)定

該過(guò)程針對(duì)實(shí)測(cè)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)表明傳感器啟動(dòng)后會(huì)發(fā)出輸出信號(hào)，將輸出信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再使不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)入儀器，達(dá)到對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定的目的，將所有測(cè)定的數(shù)據(jù)匯總成表格封存于單片機(jī)中，當(dāng)需要儀器進(jìn)行實(shí)測(cè)時(shí)，根據(jù)表格就可以迅速算出實(shí)測(cè)值。如表1、表2所示。

表1 HC標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度與A/D測(cè)量值

表2 CO標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度與A/D測(cè)量值

2.3 軟件設(shè)計(jì)

該軟件將采取模塊化形式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、標(biāo)定、測(cè)量、通訊、打印等步驟，反復(fù)分析數(shù)據(jù)得出最準(zhǔn)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(hào)后通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)鍵盤控制儀器顯示，最后由打印機(jī)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(hào)處理

在針對(duì)紅外汽車尾氣分析儀電路系統(tǒng)進(jìn)行分析的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)不能滿足要求，因此將針對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，特將輸出信號(hào)較原來(lái)相比放大50 倍，在此基礎(chǔ)上再配合單片機(jī)，利用直流放大器完成電平轉(zhuǎn)換。該過(guò)程對(duì)汽車尾氣檢測(cè)分析儀的精準(zhǔn)度要求極高，為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)特別采用12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單憑單片機(jī)的存儲(chǔ)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(kuò)展了片外存儲(chǔ)器，在單片機(jī)內(nèi)存不足時(shí)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(dòng)保存紅外汽車尾氣分析儀的電路系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析過(guò)程中產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)，其保存位置為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，除此之外，為避免數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)存使用過(guò)大，將菜單顯示的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中，可以有效避免不利因素的產(chǎn)生。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不能通過(guò)單一測(cè)量來(lái)標(biāo)定數(shù)據(jù)，需要建立特定的數(shù)據(jù)庫(kù)后注入測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，方便觀察菜單動(dòng)態(tài)及測(cè)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)打印機(jī)輸出報(bào)告，也可以通過(guò)將RS232 與計(jì)算機(jī)連接來(lái)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(shè)計(jì)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(shuō)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(xì)地設(shè)定顯示屏的模式、屏幕范圍，完成初始化操作。當(dāng)操作者操作儀器時(shí)，屏幕會(huì)顯示緩沖區(qū)的地址，用戶只需要讀出相應(yīng)地址的顯示緩沖即可。

3.3.2 串行通信

隨著社會(huì)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存不能局限于此，漸漸地趨向于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，也就是將計(jì)算機(jī)接口與RS232 串行接口進(jìn)行連接，相對(duì)于以往的方式來(lái)講更經(jīng)濟(jì)可靠[15]。

3.3.3 打印機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口

該模塊針對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的輸出，特別配置了標(biāo)準(zhǔn)針式打印機(jī)接口，操作簡(jiǎn)單快速，只需要將普通打印機(jī)的數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)進(jìn)行連接，即可完成整項(xiàng)操作。目前，市面上的打印機(jī)通常采用并行接口、數(shù)據(jù)線以及忙線BUSY、信號(hào)線STROBE。當(dāng)操作者需要查詢數(shù)據(jù)時(shí)，首先輸入信號(hào)BUSY，若結(jié)果顯示BUSY=0，即可利用打印機(jī)輸出數(shù)據(jù)，將打印機(jī)輸出的數(shù)據(jù)接入到DATA 上，并通過(guò)STROBE 通知打印機(jī)進(jìn)行信號(hào)傳輸，該過(guò)程中若系統(tǒng)出現(xiàn)BUSY=0 的信號(hào),再?gòu)慕涌诮邮諗?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收完畢并存儲(chǔ)于打印機(jī)的緩沖器中，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程中會(huì)發(fā)送ASK 信號(hào)，該行為向操作者表示打印機(jī)已準(zhǔn)備好接收新的數(shù)據(jù)，操作接收到信號(hào)指令后撤銷BUSY 信號(hào)即可[16]。

4 紅外汽車尾氣檢測(cè)分析系統(tǒng)測(cè)試

利用與標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，并且通過(guò)N次實(shí)驗(yàn)證明了該設(shè)計(jì)測(cè)量精度高于以往設(shè)計(jì)，誤差小于5%，倘若儀器誤差超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，則會(huì)對(duì)儀器進(jìn)行更準(zhǔn)確地標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量值，經(jīng)過(guò)一系列測(cè)量、校正后，最終驗(yàn)證了基于微電腦技術(shù)的紅外汽車尾氣分析儀可以達(dá)到實(shí)際要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，世界上檢測(cè)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(shù)水平；二是軟件，指計(jì)算機(jī)在檢測(cè)方面的應(yīng)用。近年來(lái)，軟件開發(fā)取得了巨大的進(jìn)步，很大程度提高了儀器的測(cè)量速度、精準(zhǔn)度和準(zhǔn)確性，并且擴(kuò)大了儀器的功能和應(yīng)用領(lǐng)域，從而大大提高了儀器的自動(dòng)化程度，數(shù)據(jù)處理更快、更真實(shí)。

該設(shè)計(jì)較以往儀器相比具有很多優(yōu)勢(shì)，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到并且超過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括結(jié)構(gòu)更加緊湊、測(cè)量速度快、攜帶輕便以及精確度更高等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及用戶使用情況表明，該儀器具有一定的參考價(jià)值。