基于单片机的柴油机烟度检测系统的设计

李华英，陈立畅，果霖，张佳进

（1.云南农业大学工程技术学院，云南 昆明 650201；2.云南农业大学基础与信息工程学院，云南 昆明 650201）

基于单片机的柴油机烟度检测系统的设计

李华英1，陈立畅1，果霖1，张佳进2

（1.云南农业大学工程技术学院，云南 昆明 650201；2.云南农业大学基础与信息工程学院，云南 昆明 650201）

柴油机工作时会产生大量黑烟，对环境和人体健康会产生极大的危害。针对废气对光具有吸收特性，论文提出了一种采用光强度来测量废气排放量的方案。该系统充分利用了C8051F340单片机功耗低及片内集成A/D转换电路的优势，使得该系统具有反应灵敏、精度高、成本低、操作简单等特点，可用来检测各种烟度。实验表明，检测精度达到±2%，符合国家的相关要求。

光强度；烟度检测；C8051F340单片机；低功耗；A/D转换

0 引言

近些年来，一些汽车现代新技术在柴油车上得到广泛的运用，极大地提高了柴油车综合性能，使柴油车成为目前被产业化应用的各种动力机械中热率最高、能量利用率最好、最节能的机型。

柴油机在工作时往往会产生一种由碳、氢、润滑油、燃油中的硫化物以及燃烧时裂解的碳组成的微粒（PM），也就是我们常看到的黑烟。PM对环境和人体健康会造成极大的危害，因此对排放控制势在必行。烟度不仅是评价柴油机对大气污染程度的重要指标，也是评价柴油机的强化程度和燃烧过程是否完善的重要指标。通过烟度测量，我们可以判断柴油机与排放有关的零部件是否正常工作，是否需要维修或保养［1］。

滤纸式烟度计，由于其使用特性与自由加速烟度排放不能很好匹配，不能测量其烟度峰值，只能测量出自由加速烟度排放大小的特性曲线积分值，故测量不准确。用不透光烟度计测量烟度排放，在通道上安装有光源和检测器，当废气进入通道时，检测器接收的光强度将削弱，用光强度大小来反映烟度排放的大小。此测量方法反应灵敏，可测稳态和瞬态烟度排放。由于不透光烟度计比滤纸式烟度计准确度更高，灵敏性更好，它不仅能检测黑烟的烟度，还能测量排气中的蓝烟、白烟等可见排放污染物，可以进行连续测量，且在低烟度是有较高的分辨率，所以也可以用来研究柴油机的瞬态碳烟和其它可见污染物的排放特性［2］。因此，不透光烟度计具有反应灵敏、精度高、成本低、操作简单、适应于各种烟度检测。比较典型的不透光烟度计有美国PHS全流式烟度计、英国哈特里（Hartridge）和奥地利AVL等分流式不透光烟度计［4］。

刘建平、马树明等对烟度检测自动操作和控制系统的研究，通过对烟度的试验、分析论证，提出了烟度检测技术的改进要求，研制出了自动测量系统。该系统测量时，通过光电开光给予工作信号后，该自动装置控制系统与烟度计的控制网络相联，并通过网络自动完成所取样的各项指标要求的全部工作程序［1］。

王桂香、智刚毅等分析了我国现行在用柴油车自由加速烟度检测的特点，自由加速烟度检测法和加载减速烟度检测的检测方法，检测评价及其优缺点［3］。赵立、解世文、孙玉德等通过对全流消光式烟度检测系统中的不确定因素进行校正，提出了基于模糊神经网络的烟度检测系统的研究［5］。

本文以C8051F340单片机为核心，基于光强度实现了柴油机尾气烟度的自动化检测。

1 系统组成及原理

本系统结构框图，如图1所示。整个系统采用一片C8051F340单片机作为系统的控制核心，同时包含发光二极管模块、光通道、光电转换模块、信号放大电路、显示电路、串口通信等部分。

图1　系统工作示意图Fig.1 Schematic diagram of system

发光二极管发出波长为520nm绿光，经过具有废气（烟）的光通道进入到硅光电池。该方法利用硅光电池检测透射光的强度，由信号放大电路对光敏传感器的输出信号进行放大、I/V转换，进入到C8051F340单片机进行处理，计算出废气的吸光度值，并通过串口与计算机进行通信，计算机对所采集的数据进行进一步的处理。

当废气进入光通道时，接收装置接收的光强度将被削弱，光强度大小可以反映烟度排放的大小，其吸收关系遵循比尔-朗伯定律。光吸收比计算公式如下：

其中：N—不透光度（%）；I0—入射光强度（cd）；I—到达接收器光强度（cd）；L—光通道有效长度（m）；K—光吸收系数（m-1）。

2 系统硬件结构

2.1微控制器及光源

采用C8051F340单片机作为系统的控制核心。C8051F340单片机是完全集成的混合信号片上系统型MCU。高速、流水线结构的8051兼容型微控制器内核。片内Silicon Labs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行侵入式、全速、在系统调试。可编程数字I/O和交叉开关，允许用户根据自己特定的应用选择所提供的资源，包括4个16位计数器/定时器、两个具有扩展波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、多达4352字节的内部RAM、64KB的程序存储器、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及多达40个I/O引脚［6］。

由于硅光电池在500nm～550nm光谱波长段具有最大响应，因此检测系统的光源采用波长为520nm的绿色发光二极管作为光源，具有发光效率高、光谱带宽合适、功耗低等特点［8］。

2.2A/D转换、显示电路

通过硅光电池的信号为模拟电流信号，再由I/V转换电路转换后输出模拟电压信号，单片机处理信号需要输入的信号为数字信号，因此一般需要接入1片A/D转换芯片。由于C8051F340单片机片内集成了10位逐次比较的ADC模数转换器，不需要外接A/D转换芯片，简化了系统的电路设计。片内ADC通过逐次比较方式，将输入端的模拟电压转换成10位的数字量。因此，直接把经过I/V转换、放大电路中输出的模拟量接入C8051F340的端口引脚上，对输入的电压模拟量进行A/ D转换，由CPU对其进一步处理。C8051F340单片机与液晶LCD19264的连接可采用并行数据传输的方式［7］，如图2所示。

图2　显示电路连接图Fig.2 Display circuit connection diagram

系统还采用C8051F340的串行接口与计算机进行通信，将测量的数据传送给计算机进行处理，计算机作为上位机采用Visual Basic 6.0编写界面程序。

2.3I/V转换及放大电路硅光电池受光照射后，产生光电子流，但其输出信号为电流信号，单片机的处理信号多为电压信号，因此需要进行I/V转换，如图3所示。

图3　光电转换电路Fig.3 The photoelectric conversion circuit

此电路的作用在于，通过集成运放LM324和反馈电阻Rf，将硅光电池输出的电流转换为电压信号输出。通过调节Rf阻值的大小，可以改变输出电压值的大小，从而能够适应后级控制电路对输入信号电压值的要求［9］。光照度的强弱影响Is大小，进而引起Vout的改变，从而实现了将光强信号转换为电压信号。

3 软件设计

烟度检测系统的单片机软件采用Keil C语言编写［10］，根据式（1）可知，系统只需要完成入射光强I0对应的电压V0、穿透废气出射光强I对应的电压V的测量，就可根据公式完成对烟度的检测。因此，程序首先初始化硬件的各个部分，包括中断、液晶显示的初始化，串口通信初始化等。

另外，通过调零的方式来读取入射光强I0对应的电压V0，然后再通入废气读取出射光强I对应的电压V，进行A/D转化处理计算后通过LCD显示测量得到的数据，并根据计算机相关协议命令的请求进行数据通信，其流程如图4所示。

图4　系统软件流程Fig.4 Software flow pattern

4 试验数据

系统对5片标准片进行测量，测量结果见表1。从表1可看出，检测误差远远小于国家要求的±2%，系统完全满足测量要求。

表1　测量结果Tab.1 Result of a measurement

5 结论

基于C8051F340单片机的烟度检测系统是利用废气对光具有吸收特性进行设计的。该系统充分利用了C8051F340单片机功耗低、片内具有A/D转换等优点，简化了硬件电路设计，并具有快速、低成本、操作简单等特点，对柴油机废气排放的监测具有重要意义。

［1］刘建平，马树明.汽车自由加速烟度检测自动操作和控制系统的研究应用［J］.轻型汽车技术，1999，3.

［2］曹跃芳.柴油机烟度测量问题的探讨［J］.内燃机与动力装置，2006，5.

［3］王桂香，智刚毅.在用柴油车排放烟度检测方法的浅探［J］.拖拉机与农用运输车，2005，4.

［4］高占斌，天野，陈辉，王永坚.柴油机烟度测量方法研究［J］.集美大学学报（自然科学版），2006，11.

［5］赵立，解世文，孙玉德.基于模糊神经网络的烟度检测系统的研究［J］.计量学报，2004，1.

［6］SiliconLab.C8051F340 Datasheet［DB/OL］.http：//www.silabs.corn/ public/Document/tpub-doc/dsheet/Microcontrollers/USB/en/ c8051f34x，2014.

［7］李群芳.单片机原理、接口及应用［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［8］Lxdcn.LXD23CV-R Datasheet［DB/OL］.？http：//www.lxdcn.com/Chinese/chan_pin_xin_xi/PDF_chan_pin_zi_liao/硅光电池规格书/硅光电池%20LXD23CV-R.pdf，2014.

［9］Low Power Quad Operational Amplifiers.LM324？datasheet［DB/OL］. http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/lm124-n.pdf，2014.

［10］童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

Design of Smoke Density Detecting System Based on Microcontroller

LI Hua-Ying1，CHEN Li-Chang1，GUO Lin1，ZHANG Jia-Jin2
（1.School of Mechanic and Electronic Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming Yunnan 650201，China；2.School of Science and Information Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming Yunnan 650201，China）

Diesel engine can generate a huge mount of black smoke while working，which will do damage to our living environment and harm our health.In the paper light strength was used to measure the density of smoke.This smoke density detecting system is designed in accordance with the principle that fumes have light-absorbing ability.The system makes full use of the advantages of C8051F340 microcontroller，such as low energy consumption，A/D transform etc.It is characterized with high sensitivity，high accuracy，low cost and user-friendly.It can also be used to detect other kinds of smoke density.Sample test shows that the detection accuracy is±2%，in agreement with the relevant requirements of the state.

light strength；smoke density detecting；C8051F340 Microcontroller；low power consumption；A/D transform

TH-39

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.033

1002-6673（2015）02-086-03

2015-01-10

项目来源：云南农业大学大学生创新基金的支持（YNAU2013IN631-11）

李华英（1965-）女，湖南衡阳人，副教授。主要从事理论力学，符号学研究；通信作者：张佳进。