基于氮氧传感器的NOx气体测量仪设计*

徐 景， 龚雪飞， 张 帆， 简家文

(宁波大学 信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211)

基于氮氧传感器的NOx气体测量仪设计*

徐 景， 龚雪飞， 张 帆， 简家文

(宁波大学 信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211)

针对工业燃烧环境，以NGK车用通用氮氧(UniNOx)传感器为检测元件，C8051f040单片机为微控制器，采用SAE—J—1939协议作为CAN通信标准，设计了一种NOx气体测量仪。通过实验模拟工业燃烧的NOx气体环境，对测量仪的性能进行了实验验证和相应的理论分析。研究结果显示：该测量仪可用于温度为0～750 ℃、范围为(0～1000)×10-6的不同NOx气体体积分数测量，测量误差控制在5.7 %以内，并且受温度影响较小，满足工业燃烧环境中NOx检测的要求，实现了车用传感器向工业现场的应用移植。

通用氮氧传感器； 微控制器； SAE—J—1939； 测量仪

0 引 言

空气中的氮氧化物(NOx)会形成酸雨、光化学烟雾，也是最近几年雾霾天气恶化的因素之一。据资料统计，有50 %的NOx来源于汽车尾气排放，而另外的40 %来源于固定点的工业燃烧，对于NOx的检测和治理已经成为世界所关注的热点。传统的NOx检测方法(如Saltzman法、化学发光法、色谱法)具有灵敏度高、检出限低的优点，已在工业燃烧环境中使用，但由于装置复杂、价格昂贵，不便于汽车上的安装[1,2]。而电化学NOx传感器则实现了汽车尾气中NOx的简便、快速、连续检测，并在汽车电子行业得到广泛应用，但在工业燃烧环境检测方面，却很少见到采用NOx传感器设计能进行连续检测,且成本低廉的NOx气体检测装置[3,4]。

本文针对工业现场NOx气体监测的需要，采用NGK公司生产的汽车智能通用氮氧(universal NOx,UniNOx)传感器为检测元件，C8051f040单片机为微控制器，通过CAN总线传输方式，设计了一种用于工业燃烧环境的NOx气体测量仪。

1 UniNOx传感器

在汽车SCR处理技术中，通过对尾气中NOx含量的测量，进而控制氨气的注入量，实现对有害气体的转换。UniNOx传感器用于汽车尾气中(0～1 500)×10-6体积分数范围内的NOx检测，可以在0～800 ℃的温度下工作。

图1 传感器结构原理图

通过泵氧反馈电路中的电压V0,V1,V2可以检测各个空腔中的O2体积分数。氧泵电池根据泵氧反馈电路中的电压大小，调节泵氧能力。UniNOx传感器自身带有电控单元，包括相应的传感器控制，信号处理和CAN通信等功能。应用层采用SAE—J—1939协议。

2 SAE—J—1939协议

SAE—J—1939是美国汽车工程协会(SAE)的推荐标准，用于为中重型道路车辆上电子零部件间的通信提供标准的体系结构。SAE—J—1939利用CAN总线中扩展帧29位标识符实现了一个完整的网络定义[7～10]。数据帧是以协议数据单元(PDU)形式进行传输的，PDU将29位标识符划分为6个部分：分别是优先级(P)、保留位(R)、数据页(DP)、PDU格式(PF)、特定PDU格式(PS)和源地址(SA)。SAE—J—1939的29位标识符如表1所示。

表1 SAE—J—1939的29位标识符

29位标识符理论上可以表示成229种消息类型，但SAE—J—1939并没有这样对信息分类，而是采用PGN(para-meter group number)的概念对整车信息进行分类管理。PGN是由24位的二进制数构成，其中6位为0，1位保留位，1位数据页位，8位PDU位，8位特定PDU位。根据PGN可以计算出各个电子零部件的标识符，位于汽车尾气处理上的UniNOx传感器：

PGN：61454(0x00F00E)

P：6

DP：0

SA: 51

因此，UniNOx传感器标识符为18F00E51h。

3 测量仪的软硬件设计

3.1 主要的硬件设计

考虑UniNOx传感器采用CAN总线传输方式，该测量仪选用C8051F040单片机为微处理器。C8051F040单片机内部集成Silicon Labs CAN控制器，Silicon Labs CAN符合Bosch全功能CAN2.0B规范，支持29位标识符的扩展帧传输，外接CAN驱动器与UniNOx传感器可以很方便地实现CAN通信。测量仪的功能模块图如图2所示。

图2 测量仪的功能模块图

在CAN通信中，采用SN65HVD230芯片作为CAN驱动器。CAN驱动器将发送的电平信号转变为符合CAN物理层标准的信号，并进行放大传输到总线上；同时将总线上的信号转变为控制器所能接收的电平信号。为了保证CAN通信的稳定性，需要在CAN总线两端匹配一只120 Ω电阻器。LCD显示采用1602液晶芯片，单片机通过模拟时序实现对LCD的显示控制。在串口通信中，采用SP3223E芯片。通过RS—232串行总线，单片机向PC实时发送测量的NOx和O2体积分数，实现电脑对NOx气体测量仪的监控和记录。主要的硬件原理图如图3所示。

图3 硬件原理图

3.2 软件设计

3.2.1 CAN位速率配置

所有数据发送和接收过滤的协议处理全部由CAN控制器完成，不用CIP—51干预。CIP—51通过特殊功能寄存器配置CAN控制器，读取接收到的数据和写入待发送的数据。CAN控制器位定时寄存器设置不当，将使得单片机无法按照期望的位速率接入CAN网络，导致单片机与UniNOx传感器之间无法正常通信。根据CAN 2.0B规范，一个位时间(1/位速率)被分成4个时段，即Sync_Seg,Prop_Seg,Phase_Seg1和Phase_Seg2。Sync_Seg要求一个CAN电平边缘出现，Prop_Seg用于补偿网络内的物理延时时间，Phase_Seg1和Phase_Seg2用于补偿跳变沿的相位误差。这些时段之和决定CAN网络的位时间，即Sync_Seg+Prop_Seg+Phase_Seg1+Phase_Seg2=位时间。每一个时段由多个特定的可编程决定的量子时间组成。作为位时间的时间基本单元，一个量子时间定义为tq=BRP/fsys。其中，BRP为波特率预分频器，fsys为CAN系统时钟的频率。

UniNOx传感器期望的位速率为250 kB/s，即位时间为4 000 ns。C8051F040单片机采用外部振荡器二分频，则fsys=22.1184 MHz 2=11.0592 MHz。而位时间由4～25个时间量子组成，设置BRP=4，可得tq=4/11.0592=361.69 ns，因此,近似的位时间为11tq(3978.59 ns)，即实际位速率为251.345 kb/s。Sync_Seg固定为1tq，Prop_Seg必须大于或等于400 ns的传输延时，因此,Prop_Seg=2tq。又由于Phase_Seg1+Phase_Seg2为偶数，因此,Phase_Seg1=Phase_Seg2=4tq。根据如下公式，可求出CAN控制器位定时寄存器各个参数(TSEG2,TSEG1,SJWP,BRPE)的值

SJW=min(4，Phase_Seg1)=4,

(1)

TSEG2=Phase_Seg2-1=3,

(2)

TSEG1=Phase_Seg1+Prop_Seg-1=5,

(3)

SIWP=SJW-1=3,

(4)

BRPE=BRP-1=3.

(5)

因此，可以将位定时寄存器设置为TSEG2×0x1000+TSEG1×0x0100+SJWP0x0040+BRPE=0x35C3。

3.2.2 软件程序设计

系统上电后，首先对单片机端口、振荡器进行配置，然后对CAN控制器寄存器进行CAN初始化，UniNOx传感器与单片机标识符配置。采用按键操作，单片机给电控单元发送启动指令使传感器工作。作为CAN数据帧中的数据传输，启动指令之后需要每隔一段时间自动发送一次，并且重复发送时间不得超过300 s。当UniNOx传感器正常工作时，单片机从电控单元接收传感器数据，然后把数据编码值转换成气体体积分数在LCD上显示，并通过串口发送给PC。如果NOx气体体积分数超过规定的上下限，产生报警显示。图4为程序流程图。

图4 软件程序流程图

4 实验结果与分析

4.1 模拟环境

在实验过程中，通过多通道流量计对50.1 %O2+余N2,1000×10-6NO+余N2和99.99 %纯N2三种气体进行动态配置，获取不同NOx体积分数的气氛。气体流经温度可控的密封测试腔，实现对工业燃烧环境的NOx气氛模拟。模拟环境参数如下：

1)气体流量:200 cm3/min;

2)气体温度:0～750 ℃;

3)O2体积分数可调范围:0～10 %;

4)NOx体积分数可调范围:(0～1000)×10-6。

4.2 实验结果与分析

表2 在350 ℃下，不同NOx气体体积分数的测量值

实验对配置有2 %O2的气氛，还模拟了温度对NOx测量仪性能的影响。表3为测量仪在不同温度下，同一NOx气体的测量值。从表3可以看出：温度在350，500，750 ℃，随着气体温度的升高，对于每一个确定的NOx气体体积分数，该测量仪的测量值减小。计算可得在350，500，750 ℃，最大相对误差分别为4.6 %，5.4 %，6.5 %，测量误差相应增大，但总体受温度影响较小。

表3 不同温度下同一NOx气体体积分数的测量值(2 % O2)

5 结 论

采用应用于汽车尾气处理上的UniNOx传感器，设计了一种用于工业燃烧环境的NOx气体测量仪。结果表明:该测量仪的软硬件设计稳定可靠，可用于温度在0～750 ℃、范围为(0～1000)×10-6的不同NOx气体体积分数测量，测量误差控制在5.7 %以内，受温度影响较小。另外，通过CAN总线传输方式，数据传输速度快，传输距离远，并且抗干扰能力强，便于工业燃烧环境中NOx气体的监测，实现了车用传感器向工业现场的应用移植。

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Design of NOxgas measuring instrument based on nitrogen oxygen sensor*

XU Jing, GONG Xue-fei, ZHANG Fan, JIAN Jia-wen

(College of Information Science and Engineering,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

Aiming at industrial combustion environment,adopt NGK universal NOx(UniNOx) sensor as detecting element and C8051f040 as microcontroller,use SAE—J—1939 protocol as CAN communication standard,design a NOxgas measuring instrument.Simulate NOxenvironment of industrial combustion through experiment,experimental verification and theoretical analysis on performance of measuring instrument.The research result shows that it can be used at temperature range of 0～750 ℃,and measurement range of NOxis(0～1000)×10-6.the measurement error can be controlled within 5.7 % and less affected by temperature changes,the measuring instrument meets the needs of NOxdetection in industrial combustion environment,implement automotive sensor in industrial field become possible.

UniNOxsensor; microcontroller; SAE—J—1939; measuring instrument

10.13873/J.1000—9787(2015)03—0090—04

2015—01—07

国家自然科学基金面上资助项目(61471210)；浙江省科技厅重大科技专项和成果转化工程项目(2011C16037)

TP 216

A

1000—9787(2015)03—0090—04

徐 景(1989-)，男，安徽安庆人，硕士研究生，主要研究方向为气体传感器信号处理与仪器仪表设计。