基于NDIR的汽车尾气检测系统设计

2013-08-26吴晓燕焦玉成

机械与电子 2013年8期

吴晓燕，焦玉成

（1.南京化工职业技术学院，江苏南京 210048；2.三江学院，江苏南京 210012）

0 引言

伴随着汽车工业的发展，汽车已经成为人类不可缺少的交通运输工具，然而由于汽车尾气排放所造成的环境破坏已发展成为严重的社会问题［1］。汽车尾气危害人体健康，腐蚀城市建筑，破坏城市景观，对人类生存环境造成了严重影响。因此，在环境意识倍增的今天，加强对汽车尾气的检测及治理显得尤为重要。长久以来，国内使用的很多尾气分析仪由于精度低、检测时间长、体积大和不便于携带等缺点，无法满足现代社会发展的需求。因此，介绍了一种基于非分光红外吸收技术的尾气检测系统，能同时测量汽车尾气中有害成分的浓度，并从系统的原理和结构等多方面考虑，来提高整个尾气分析系统的稳定性和精确性。

1 系统原理

汽车尾气是在发动机利用空气中的氧气与燃油燃烧，把热能转化为车辆动力机械能的过程中生成的产物。其中对人体有害和影响自然环境的成分有CO2，CO，HC化合物，SO2，NOX以及微粒物质等。

系统采用非分光红外NDIR（non-dispersive infrared ray）技术对汽车尾气进行分析。NDIR的工作原理是：当红外光通过充有气体的气室时，气体会吸收特定波长的红外光的能量，导致接收器接收到的光线强度变弱，其吸收关系服从朗伯-比尔定律，即

E0为入射红外线能量；E为出射红外线能量；ΔE为红外线能量的减少量；L为气室长度；C为气体浓度；K为吸收系数。

式（1）表明，光强在气室中随浓度C及长度L按指数规律衰减。由于各种气体的吸收系数各不相同，因此，对于混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源的前面安装红外带通滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体的浓度变化［2］。

2 系统硬件设计

系统采用ATMEL公司的单片机AT89C52作为核心控制器，由传感器、信号调理电路、A／D转换模块和人机接口模块等组成。系统整体结构如图1所示。

图1 系统结构

2.1 传感器模块

系统在设计时直接利用单片机来控制光源的调制电压，可以避免因机械转动而导致的抗振性差和功耗大，同时便于携带。为了测控尾气中有害成分（主要是CO，CO2和HC）的浓度，系统采用红外传感器、大气压力传感器和温度传感器。红外光源发出的红外线波长在2～7μm之间，红外线经过气室后，通过旋转的红外滤光片（红外滤光片由CO，CO2，HC和基准信号4个光片组成）到达光电池产生电信号。当红外滤光片旋转一周，CO，CO2，HC和基准信号4个滤光片分别通过滤光窗口一次，在光电池上产生2个正半周期的正弦波形，气体的浓度越高，波形的幅值越小，反之越大［3］。根据通过气室光强的幅值变化、大气压力传感器测得的大气压和温度传感器测得的温度，经过大气压力和温度补偿处理后，得到尾气中各组分含量的检测结果。

2.2 信号调理模块

由于红外传感器采集到的原始信号非常弱，为了改善信号质量，提高测量精度，需要对信号进行调理。调理电路一般由前置放大电路、二阶有源低通滤波放大电路和电压跟随器组成，信号调理电路如图2所示。

图2 信号调理电路

信号正相放大3334倍，但是，信号波形仍然很小，且含有干扰信号。因此，需要进一步滤波。经前置放大电路放大的信号经过隔直电容C1，滤除原始信号中的受温度影响较大的直流电压，得到类似正弦的交流信号，输出信号为一平滑、稳定的正弦信号。为了排除信号源内阻的影响，增强信号源带负载能力，再连接一个电压跟随器，较好地实现了信号的放大、滤波功能，满足了信号处理后续环节的要求。

2.3 A／D转换模块

A／D转换模块是对调理电路产生的模拟信号进行多次转换，经过限值滤波和滑动滤波后得到传感器的电压A／D值，以便于 MCU进行分析和处理。工作时，传感器将CO浓度信号转换成标准的工业信号，系统采用TLC2543作为A／D转换器，与微处理器直接相连，简化了布线。其接口连接如图3所示［5］。

由于红外传感器检测出的CO，CO2，HC信号以及基准信号的调理电路结构完全相同，图3中只给出其中一路（以CO信号为例）的调理电路，放大器选用TLC2252，其具有高阻抗、低噪声和开环增益大等特点。

CO信号先经过前置放大电路，其放大倍数计算公式为［4］：

图3 TLC2543与单片机的连接

2.4 人机接口模块

为了控制检测系统的工作状态，实现简单的人机会话，人机接口设备选用北京青云创新科技有限公司生产的LCM 240128ZK液晶显示模块［6］。该显示模块内置中文字库，提供8／4位数据并行方式传输，实现与外部的通信，其与AT89C52的连接如图4所示。利用液晶显示时，先要设定液晶显示屏面上的直角坐标系原点、屏幕范围、显示模式和光标状态，完成显示的初始化［7］。

图4 AT89C52与LCM 240128ZK的连接

3 系统软件设计

软件设计采用模块化的设计思想，由主程序和若干子程序模块组成。主程序主要由系统主循环构成，如图5所示。通过不断查询，完成系统的各个功能。系统的检测子模块是系统的核心，其中，测量数据利用拉格朗日插值算法。

图5 主程序流程

由于红外传感器输出的信号实际上是非线性的，因此，在实际检测气体前，需要先建立Δ与标准气体含量Y的对应表格。分别通入不同浓度的标准气体，设某一组分含量为Y，则由标定程序计算得其对应的Δ。由于标准气体有限，所以，可先对有限标准气体标定，然后用插值法，再插入若干个点，作为最终的标定数据。将标定数据制成表格存在单片机的Falsh存储器中，当系统进行实测时，根据单片机内的表格即可算出被测气体中各组分的含量。

4 系统界面

汽车尾气检测系统界面包括：读取数据，数据的显示与保存等，如图7所示。汽车尾气检测系统中最后将显示数据输入到了Excel中，可以对测得数据进一步处理。运行程序时，程序主要有6个步骤：开始、系统初始化（包括标定程序）、检测、数据存档、通讯打印和停止。状态显示用来显示程序的运行状态，点击开始按钮后，开始状态灯变亮，直到点击停止按钮后变暗，同时结束状态灯变亮。波形图上方分别显示被测气体浓度的平均值。通讯可以实现与单片机的通信以及打印检测结果。

系统采用标准气体进行对比实验，测量结果经过大气压力及温度补偿处理后得到检测值。用浓度分别为3%，20%，3×10-3的 CO，CO2，CH 化合物的标准气体实验，经过多次测量求平均值，检测到CO的浓度为3.02%，CO2的浓度为19.95%，CH化合物的浓度为3.025×10-3。所有检测值与标准值极为接近，系统具有较高的稳定性和测量精度。