移動式汽車尾氣分析儀的設計應用

　　移動式汽車尾氣分析儀

　　當汽車啟動后，移動汽車尾氣分析儀啟動抽氣泵從汽車排氣管采樣尾氣，經除塵、去油、濾水處理進入氣體分析部件IRidium100內，進行內部的紅外法處理，采集CO、CO2、HC的濃度數(shù)據(jù)，然后尾氣進入經過外部的O2、NOx傳感器，采集相應O2、NOx的尾氣濃度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是經過信號檢測、放大和處理后變?yōu)閿?shù)字結果，通過IRidium100的RS-232串口傳到微處理器。微處理器經過統(tǒng)計、平均等算法處理和存儲，按自定義的環(huán)保通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)封裝，經過GSM/GPRS/CDMA數(shù)據(jù)通信或短消息通信傳到指定的上位管理平臺。分析儀上的LCD上有操作菜單，使用者通過鍵盤進行菜單操作，可獲得設備工作狀態(tài)和尾氣分析結果，LCD上可顯示CO、CO2、HC、O2、NOx的具體檢測數(shù)據(jù)結果。移動汽車尾氣分析儀的結構如圖1所示。

　　移動汽車尾氣分析儀的硬件設計

　　尾氣分析儀的氣體分析部件采用英國CITY公司的IRidium100型氣體分析模塊。它通過內部的紅外法處理，采集CO、CO2、HC的的濃度數(shù)據(jù)。IRidium100可以通過外接的O2傳感器和NOx傳感器，得到O2和NOx的濃度數(shù)據(jù)。

　　單片機系統(tǒng)采用C8051F020，它具有兩個串口，其中一個串口連接IRidium100，另一個串口連接GSM/GPRS或CDMA通信模塊，用自定義的通信協(xié)議和上位管理平臺進行數(shù)據(jù)交換。

　　輸入電源直接接汽車電源DC12V～DC24V，轉換成DC12V提供給IRidium100，同時提供一組DC5V電源輸出給單片機和通信模塊使用。

　　單片機通過繼電器控制采樣抽氣泵的工作，主要控制進氣、排氣的動作。繼電器控制抽氣泵，平時處于斷開狀態(tài)，當系統(tǒng)開始進行尾氣分析時，給繼電器通電使抽氣泵工作5分鐘。

　　GSM模塊采用西門子公司的MC37I。該模塊是一個功能完整的移動通信工業(yè)模塊，CPU通過串口對它進行控制和數(shù)據(jù)傳輸，可以傳送包括短信、CSD、GPRS等在內的數(shù)據(jù)。CPU對模塊的控制采用的是AT指令，符合ETSI標準GSM 07.07和GSM 07.05。

　　移動汽車尾氣分析儀的軟件設計

　　尾氣分析儀的工作模式

　　專用汽車尾氣分析儀設計具有四種工作模式：

　　①手動工作模式，在開機狀態(tài)下通過鍵盤控制菜單，執(zhí)行一次尾氣分析的過程;

　?、谧詣庸ぷ髂Ｊ?，當每天設定的時刻達到時，自動執(zhí)行一次尾氣分析過程;

　?、勖罟ぷ髂Ｊ剑斀邮盏缴衔还芾砥脚_命令時，執(zhí)行一次尾氣分析過程;

　?、苄使ぷ髂Ｊ?，在開機狀態(tài)下通過菜單選擇進入，進行一次尾氣校準過程。

　　其中，手動工作模式和校準工作模式由LCD提供的主菜單，在現(xiàn)場通過鍵盤輸入的鍵值觸發(fā)，然后執(zhí)行相應的控制命令。

　　手動工作模式，在需要立即進行尾氣分析時，手動進入主菜單選擇，然后選擇一次尾氣檢測，或者選擇執(zhí)行n次尾氣檢測(n由菜單的設置選項輸入)，進行的一次或多次尾氣分析過程。自動工作模式由可配制的“自動測試時間”和RTC中的實時時鐘進行比較，時間相等后觸發(fā)，執(zhí)行一次尾氣分析過程。自動工作模式為默認模式。

　　命令工作模式，由上位管理平臺下達的命令觸發(fā)，執(zhí)行相應的一次尾氣分析過程。命令工作模式下，儀器通過串口接收到來自通信模塊的“采集尾氣”遠程命令，此時儀器自動進行一次尾氣分析過程。

　　校準工作模式，在第一次開機狀態(tài)下或有校準需求時，抽氣泵入口接上標準尾氣氣體，手動進入主菜單選擇標定量程，進行的一次校準過程。校準后的尾氣分析儀，標定了基準的測試參考點，可以提高尾氣檢測的準確度。

　　尾氣分析模塊的關鍵命令序列選擇

　　根據(jù)IRidium100的使用手冊，對CITY IRidium100尾氣分析模塊進行數(shù)據(jù)采集的關鍵命令序列如下所述。

　　尾氣分析儀的量程標定

　　①RESET (命令號為：$30)，在標定尾氣分析儀前用此命令。發(fā)出復位命令后收到應答，復位成功。

　?、赯ERO ($35)，采集之前先校零，啟動抽氣泵半分鐘后再發(fā)送校零命令，1分鐘內收到校零完成應答即零點校準成功，此時停止抽氣泵工作。

　　③SPAN SPECIFIED CHANNELS ($36)，標定量程命令。在校零完成后人工接好尾氣標準氣，執(zhí)行標定操作，此時啟動抽氣泵，通氣15秒后發(fā)送標定命令給尾氣分析模塊，LCD顯示瞬時值，接收到標定完成應答后停止抽氣泵的工作，同時停止對串口的操作。

　　尾氣數(shù)據(jù)的采集，即一次尾氣分析過程

　?、賀ESET ($30)，在每次執(zhí)行尾氣分析命令前發(fā)出此命令。發(fā)出復位命令后收到應答才算復位成功。

　　②ZERO ($35)，采集之前先校零，啟動抽氣泵半分鐘后再發(fā)送校零命令，1分鐘收到校零完成應答即零點校準成功。此時停止抽氣泵工作。

　?、跜OMPENSATED DATA ($31)，校零完成后即可進行數(shù)據(jù)采集，先讓抽氣泵工作半分鐘再發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，過10秒后再采集數(shù)據(jù)，每10秒采集一組。LCD顯示瞬時值，采集過程完成后(采集5次數(shù)據(jù))計算出平均值作為最終的顯示。采集到5次就停止對串口操作，同時停止抽氣泵的工作。

　　軟件流程設計及實現(xiàn)

　　程序流程基本邏輯是，主程序根據(jù)四種工作模式下的條件觸發(fā)，發(fā)送相應的命令給CITY IRidium100尾氣分析模塊，模塊執(zhí)行該命令后，返回執(zhí)行結果/狀態(tài)數(shù)據(jù)。主程序將結果數(shù)據(jù)一方面在LCD上顯示，另一方面發(fā)送給通信設備，由通信設備傳輸給上位管理平臺。

　　當收到上位管理平臺的命令時，或者鍵盤觸發(fā)手動執(zhí)行尾氣檢測時，或者自動檢測時間達到時，啟動執(zhí)行尾氣檢測的動作。一次尾氣分析過程后，設置當天已經測試過的標志。

　　LCD的主菜單如下所示，通過上鍵、下鍵、+鍵、-鍵和確認鍵對鍵盤菜單進行操作，觸發(fā)相應的命令執(zhí)行。

"1.Show Settings", //參數(shù)顯示
"2.Setup", //參數(shù)設置
"3.Analysis 1 time", //手動執(zhí)行一次尾氣檢測
"4.Analysis n times", //手動執(zhí)行多次尾氣檢測
"5.Calibration Zero", //校零
"6.Calibration Span", //標定量程
"7.Show? Date/Time", //顯示RTC時間
"8.Setup Date & Time", //設置RTC時間
"9.Factory Default", //恢復默認的檢測量程
"10.RETURN", //返回
在四種工作模式下測得的結果數(shù)據(jù)均通過串口向通信模塊發(fā)送。測試結果數(shù)據(jù)格式如下：
“CO=xx.xx%；CO2= xx.xx%；HC= xxxxxppm；O2= xx.xx%；NOx= xxxxxppm；”。結語

　　本設計使用C8051F020為核心的單片機系統(tǒng)控制Iridium 100工作，實現(xiàn)了汽車尾氣中CO、CO2、HC、O2、NOx濃度的檢測，并通過短信數(shù)據(jù)傳輸方式將檢測到的濃度數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程上位管理平臺。設計實現(xiàn)的樣機在新疆某地環(huán)保局試用，現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)得到了環(huán)保部門的認可。

　　參考資料：

　　[1]CITY公司.Iridium Specification.pdf

　　[2]CITY公司IRIDIUM OPERATING INSTRUCTIONS.PDF

　　[3]胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].北京:清華大學出版社,1993.

　　[4]R.J.凱思. 光探測器與紅外探測器[M]. 董培芝等譯, 北京:科學出版社,1984

　　[5]徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設計[M]北京:北京航空航天大學出版社,1995