汽車尾氣檢測系統的設計

汽車尾氣檢測系統的介紹

本檢測系統采用不分光紅外分析(NDIR)法測量CO、HC和C02。此方法是建立在惰性氣體不吸收紅外線能量，而異原子組成的氣體如汽車尾氣中的CO、HC、C02等均能吸收一定波長的紅外線能量的基礎上。其吸收能量的紅外線波長稱為特征波長，吸收強度用吸收系數反映。當紅外線通過氣體時，由于氣體對紅外線波段中特征波長紅外線能量的吸收，紅外線的能量將減少，其減少量與氣體濃度、氣體室厚度和吸收系數有關，它服從朗伯-比爾定律。

根據上述原理制成的紅外氣體分析裝置如圖4-1所示。紅外線光源發出的紅外線的波長在2～7μm之間，紅外線經過取樣室后，通過旋轉的紅外濾光片(紅外濾光片分CO、C02、HC和基準信號四個光片組成)到達光電池產生電信號，由圖4-1紅外氣體分析裝置結構原理所示，當旋轉的紅外濾光片旋轉一周，CO、C02、HC和基準信號四個濾光片分別通過取樣室下方一次，這樣在光電池上產生兩個正半周期的正弦波形。本系統的電機轉速為120轉/分。氣體的濃度越高，波形幅值越小，反之越大。根據通入氣體前后的幅值變化，可以得到尾氣各組分含量的檢測結果。

系統硬件構成分析及抗干擾措施

(一)系統硬件構成分析
由于溫度和壓力對檢測結果的影響比較大，這就要求研究人員在設計和升級產品時采用硬件和軟件干擾措施抑制這些現象。傳感器直接產生的模擬信號一般都比較微弱，并且有干擾信號，必須對它們進行放大、濾波，并有效地排除于擾信號。傳感器產生的信號較弱，需要把信號放大和濾波之后才能進行A/D轉換。微處理器在鍵盤的控制下進行顯示、通訊、打印、抽氣、排氣等操作。下面分別介紹系統幾個主要硬件模塊的組成和器件的選擇。

傳感器：傳感器是將外界輸入的被測量信號變換成電信號的元器件或裝置。它作為信息獲取的工具和手段，在測量控制型智能儀器中占據了極其重要的地位。傳感器能轉換信息存在的能量形式，通常是將其他能量形式轉換成電量形式，以便進一步加工處理，傳感器的輸出往往總是電信號。這主要是由于電信號較容易放大、反饋、濾波、積分、微分、存儲及遠距離傳送等操作。傳感器精度的高低是影響測控系統精度、可靠性和成本的重要因素之一。在精度、可靠性滿足系統要求的情況下，選擇價格適宜的傳感器。
紅外氣體傳感器：本系統使用的是美國PerkinElemer公司的紅外氣體傳感器。該傳感器可同時檢測CO、C02和HC(特別是C2H6，C3H8)的含量，還提供一個基本信號。
大氣壓力傳感器：使用美國IC Sensors公司的HIT-1210型壓力傳感器，選用量程0～15Psi。1210型是通用的固態壓阻式壓力傳感器，為雙列直插封裝結構(DIP)。適合于要求長期穩定性好、成本低而且使用批量大的場合。

A/D轉換：微處理器能處理的信號應是數字信號，因此，在智能儀器的輸入通道中加入能把模擬信號轉換成數字信號的芯片即A/D轉換器。使用A/D轉換器時應先根據輸入通道的總誤差，選擇A/D轉換器的精度及分辨率。根據信號對象的變化率及轉換精度要求，確定A/D轉換速度，以保證智能儀器的實時性要求，對快速信號必須考慮采樣。在選用A/D轉換器時還應考慮智能儀器所處的環境選擇A/D轉換器的環境參數。不同A/D轉換器有不同的輸出狀態，應根據計算機的接口特性選擇輸出狀態。A/D轉換器與微處理器的接口一般要完成的操作有微處理器發出啟動轉換信號，微處理器取回轉換結束狀態信號，讀取轉換的數據。任何信號的A/D轉換器可以同任何型號的微處理器接口，但其接口形式隨A/D轉換器的型號，以及A/D轉換速度、分辨率的要求不同而有所差異。
硬件電路的抗干擾措施
近年來，隨著汽車尾氣排放法規要求的進一步加強和汽車尾氣分析儀的廣泛應用，并有效地控制了尾氣排放對大氣污染的影響。但是，汽車尾氣分析儀的工作環境往往是比較惡劣和復雜的，其應用的可靠性、精確性就成為一個非常突出的問題。系統必須長期穩定、可靠地進行，否則將導致誤差加大，嚴重時會使系統失靈。
要形成干擾，必有三個因素，即干擾源、耦合通道和敏感電路。它們之間的聯系如圖4-2所示。干擾源產生的電磁干擾信號，通過電路或者磁路的傳播和耦合，對易受干擾的電路或器件產生影響，使之工作異常。

為消除和抑制干擾，就要針對這三個因素采取措施。對于干擾源，要盡量消除，不能消除的，則通過隔離、濾波等措施，盡量減弱其發出的干擾信號的強度;對于干擾的藕合通道，要切斷或采用濾波、選頻、屏蔽等技術進行抑制：對于對干擾信號敏感的電路或元件，要采用合理接地和退耦、濾波等措施提高電路或元件的抗干擾能力。

在本系統中，主要采用了以下方法來防止干擾。

首先是濾波技術。濾波器對噪聲、干擾等進行抑制或衰減，特別是對由導線傳導耦合到電路中而又具有一定頻率特征的干擾信號，具有十分明顯的效果。在本課題中，在所有集成元件的電源部分，均并聯一只0.1uF的電容，濾除從電源竄入的干擾。在信號調理電路中使用了有源濾波器。

其次是光電隔離技術。光電隔離是由光電耦合器件完成的。光電耦合器件是70年代發展起來的新型電子元件，是以光為媒介傳輸信號的器件。其輸入端配置發光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。開關量輸入電路接入光電藕合器之后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開關量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路中的一側。除此之外，還能起到很好的安全保障作用，因為在光電耦合器的輸入回路和輸出回路之間有很高的耐壓值，達500V~1000V，甚至更高。由于光電耦合器不是將輸入側和輸出側的電信號進行耦合，而是以光為媒介進行間接禍合，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。本文在單片機對排氣泵和換向閥的控制中，采用了光電隔離電路，以消除220V電源的繼電器產生的強電流導致的干擾。

再次是采用印制電路板抗干擾措施。加粗地線能降低導線電阻，使它能通過三倍于印制板上的允許電流。使電源線、地線的走向與數據信息傳遞方向一致。滿接地，即在印制板上除供傳輸信號用的印制導線外，把電路板上沒有被器件占用的面積全做為接地線等措施。

系統軟件設計

(二)軟件的控制部分

紅外汽車尾氣分析儀的程序是由MCS.51單片機匯編語言編寫，主要由以下六個模塊組成：

(1) 數據采集模塊。完成氣泵控制和汽車尾氣各組分的數模轉換。

(2) 數據處理模塊。對數據進行補償，消除大氣壓力和溫度對它的影響。

(3) 傳感器標定模塊。先通入標準氣體，記錄檢測結果，制成表格寫入程序。在實際檢測時，通過查詢表格或計算得實際測試值。

(4) 液晶顯示模塊。對各組分的測量結果進行實時顯示。

(5) 與PC機的通信模塊。包括接受應答信號和設定參數，發送采集數據等。

(6) 打印檢測結果模塊。

(三)紅外傳感器數據的采集

啟動氣泵進行抽氣，尾氣在通過氣室的同時，紅外傳感器產生微弱的電壓信號。信號經過信號調理電路后進入AD7895。紅外傳感器同時產生HC、CO2、CO和基準信號等四種信號，所以需要配置四個AD7895。AD7895的時序圖如圖4-4。

由于四種信號同時產生，所以需要把四個AD7895的SCLK引腳連到單片機的同一個引腳P1.4;把四個AD7895的/CONVST引腳連到單片機的同一個引腳P1.7;AD7S95的DOUT端分別接在單片機的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3。由于在檢測過程中，傳感器中的濾光片是旋轉的，所以產生的電壓信號是類似于正弦波形的。計算過程中需要取出該信號的峰值差。為減小干擾的影響，在編寫程序時，采用滑動濾波和平均濾波等方法計算。