引言

汽車尾氣已成為城市大氣污染物的主要來源之一，各級政府從發(fā)展規(guī)劃、城市建設、能源供應等不同方面采取綜合措施，緩解汽車尾氣排放對大氣環(huán)境的影響。有關部門也在研究制定政策措施，推動建立更加方便快捷的公共交通體系，降低交通運輸行業(yè)能源消耗和尾氣排放。移動式汽車尾氣分析儀是用于檢測汽車在行駛過程中尾氣排放指標而設計的一款檢測設備，它將為控制尾氣排放、建立低碳生活發(fā)揮一定的作用。

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(jīng)除塵、去油、濾水處理進入氣體分析部件IRidium100內(nèi)，進行內(nèi)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(nèi)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(nèi)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;

②自動工作模式，當每天設定的時刻達到時，自動執(zhí)行一次尾氣分析過程;

③命令工作模式，當接收到上位管理平臺命令時，執(zhí)行一次尾氣分析過程;

④校準工作模式，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。

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分鐘內(nèi)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

①RESET ($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。

③COMPENSATED 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(jīng)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

Design and Implementation of Vehicle Exhaust Analyzer

北京郵電大學信息與通信工程學院