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(shè)、能源供應(yīng)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(guān)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(yùn)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(biāo)而設(shè)計的一款檢測設(shè)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(dāng)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(jìn)入氣體分析部件IRidium100內(nèi)，進(jìn)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(jìn)入經(jīng)過外部的O2、NOx傳感器，采集相應(yīng)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(jié)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(jìn)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(jìn)行菜單操作，可獲得設(shè)備工作狀態(tài)和尾氣分析結(jié)果，LCD上可顯示CO、CO2、HC、O2、NOx的具體檢測數(shù)據(jù)結(jié)果。移動汽車尾氣分析儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

移動汽車尾氣分析儀的硬件設(shè)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(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

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

單片機(jī)通過繼電器控制采樣抽氣泵的工作，主要控制進(jìn)氣、排氣的動作。繼電器控制抽氣泵，平時處于斷開狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)開始進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)GSM 07.07和GSM 07.05。

移動汽車尾氣分析儀的軟件設(shè)計

尾氣分析儀的工作模式

專用汽車尾氣分析儀設(shè)計具有四種工作模式：

①手動工作模式，在開機(jī)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(dāng)每天設(shè)定的時刻達(dá)到時，自動執(zhí)行一次尾氣分析過程;

③命令工作模式，當(dāng)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(zhǔn)工作模式，在開機(jī)狀態(tài)下通過菜單選擇進(jìn)入，進(jìn)行一次尾氣校準(zhǔn)過程。

其中，手動工作模式和校準(zhǔn)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(yīng)的控制命令。

手動工作模式，在需要立即進(jìn)行尾氣分析時，手動進(jìn)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(shè)置選項輸入)，進(jìn)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(shí)時時鐘進(jìn)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(rèn)模式。

命令工作模式，由上位管理平臺下達(dá)的命令觸發(fā)，執(zhí)行相應(yīng)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(yuǎn)程命令，此時儀器自動進(jìn)行一次尾氣分析過程。

校準(zhǔn)工作模式，在第一次開機(jī)狀態(tài)下或有校準(zhǔn)需求時，抽氣泵入口接上標(biāo)準(zhǔn)尾氣氣體，手動進(jìn)入主菜單選擇標(biāo)定量程，進(jìn)行的一次校準(zhǔn)過程。校準(zhǔn)后的尾氣分析儀，標(biāo)定了基準(zhǔn)的測試參考點(diǎn)，可以提高尾氣檢測的準(zhǔn)確度。

尾氣分析模塊的關(guān)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵命令序列如下所述。

尾氣分析儀的量程標(biāo)定

①RESET (命令號為：$30)，在標(biāo)定尾氣分析儀前用此命令。發(fā)出復(fù)位命令后收到應(yīng)答，復(fù)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(yīng)答即零點(diǎn)校準(zhǔn)成功，此時停止抽氣泵工作。

③SPAN SPECIFIED CHANNELS ($36)，標(biāo)定量程命令。在校零完成后人工接好尾氣標(biāo)準(zhǔn)氣，執(zhí)行標(biāo)定操作，此時啟動抽氣泵，通氣15秒后發(fā)送標(biāo)定命令給尾氣分析模塊，LCD顯示瞬時值，接收到標(biāo)定完成應(yīng)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(fù)位命令后收到應(yīng)答才算復(fù)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(yīng)答即零點(diǎn)校準(zhǔn)成功。此時停止抽氣泵工作。

③COMPENSATED DATA ($31)，校零完成后即可進(jìn)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(shè)計及實(shí)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(yīng)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(jié)果/狀態(tài)數(shù)據(jù)。主程序?qū)⒔Y(jié)果數(shù)據(jù)一方面在LCD上顯示，另一方面發(fā)送給通信設(shè)備，由通信設(shè)備傳輸給上位管理平臺。

當(dāng)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(dá)到時，啟動執(zhí)行尾氣檢測的動作。一次尾氣分析過程后，設(shè)置當(dāng)天已經(jīng)測試過的標(biāo)志。

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

"1.Show Settings", //參數(shù)顯示
"2.Setup", //參數(shù)設(shè)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(biāo)定量程
"7.Show  Date/Time", //顯示RTC時間
"8.Setup Date & Time", //設(shè)置RTC時間
"9.Factory Default", //恢復(fù)默認(rèn)的檢測量程
"10.RETURN", //返回
在四種工作模式下測得的結(jié)果數(shù)據(jù)均通過串口向通信模塊發(fā)送。測試結(jié)果數(shù)據(jù)格式如下：
“CO=xx.xx%；CO2= xx.xx%；HC= xxxxxppm；O2= xx.xx%；NOx= xxxxxppm；”。

結(jié)語

本設(shè)計使用C8051F020為核心的單片機(jī)系統(tǒng)控制Iridium 100工作，實(shí)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(yuǎn)程上位管理平臺。設(shè)計實(shí)現(xiàn)的樣機(jī)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(rèn)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(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)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(xué)出版社,1984

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

Design and Implementation of Vehicle Exhaust Analyzer

北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院