汽车尾气中CO检测装置研制

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一、几种检测方法的比较

常用的检测汽车尾气的方法有很多种，如瞬态加载工况法、稳态加载工况法、双怠速法和遥感检测法。

利用瞬态工况检测方法测量汽车尾气污染物时，测量的结果在精度和准确度上都要比其它两种方法准确。同时这种方法还可以实时的检测出汽车尾气在实际情况下的排放量，而其它两种方法只能检测出汽车排出气体污染物的浓度值，要想知道汽车尾气的排放量还要通过计算公式计算。虽然瞬态工况检测法有以上优点，但是它还是存在操作步骤麻烦、资金投入大等不足。

稳态加载工况法检测方法测量汽车尾气污染物时，稳态工况检测法不仅可以检测汽车排放气体中HC、CO气体的浓度而且还可以检测NOX气体浓度值，但是汽车在道路上行驶的过程中油门和车速是不断改变的，本文检测的主要为尾气中的CO气体，所以本文不建议选用稳态加载工况法。

遥感检测法是利用红外检测装置对正在行驶中的汽车进行尾气污染物的测量，这种方法叫做遥感检测法。这种检测方法可以检测出汽车尾气排放的气体是否超出标准，一旦检测出气体超出标准，此时摄像机就会将车辆的车牌拍下来，这种测量方法在很多城市中得到应用，但是随着越来越多的汽车安装了三元催化装置，这种方法也就慢慢的被淘汰掉了。

在普通怠速转速和高怠速转速两种空转转速下对汽车排放的污染物进行测量这种方法叫做双怠速法。自从20世纪80年代以来，许多国家为了更有效地检测排放控制系统和供油系统的运行状态而采用了双怠速法对汽车尾气进行检测。双怠速法相对于其它两种检测方法来说，它具有成本低、操作简单、实用性和灵活性更强、检测速度更快等优点。通过上述检测方法的比较，我们选用双怠速法对汽车尾气中的CO气体进行测试。

二、总体方案设计

本文设计汽车尾气中CO气体检测装置，主要由软件设计、硬件设计两部分组成。在硬件方面的设计，首先提出检测装置硬件设计的总体方案，随后对STM32最小系统进行设计、对报警显示模块进行设计、对数据采集模块进行设计、对串口通讯模块进行设计等。软件设计部分主要为STM32的编程和PC机端应用软件的程序设计。本文重点介绍硬件的设计。

检测装置的功能旨在检测汽车排气中CO气体的浓度值和环境的温度值，CO传感器直接与汽车尾气中排放的气体进行反应，产生微弱的电信号，经过LM358芯片放大后，将数据送入到STM32内部的ADC通道进行处理，同时将采集到的CO浓度值和环境的温度值都显示在TFT LCD液晶屏上。将采集到的气体浓度值与设定好的阈值进行比较，如果超标则蜂鸣器报警。同时利用双怠速法对检测装置进行现场测试，并对采集的数据进行分析，整个流程和操作步骤得到精简，使得检测的成本和检测的时间得到了降低。

三、硬件总体设计方案

硬件的设计是整个检测装置设计的基础，检测装置硬件电路的核心控制器选择的是STM32系列的单片机，CO传感器和温度传感器将采集到的数据送到STM32单片机进行处理，STM32单片机将采集到的数据进行存储和显示，采集到的数据超过阈值时蜂鸣器报警，检测装置通过串口通讯电路与上位机进行通讯。

硬件设计包括STM32最小系统设计、温度传感器模块、数据采集模块设计、显示报警模块设计、串口通讯模块设计。

(一)微处理器的选择。微处理器是整个检测装置的核心部分，文中采用STM32系列单片机完成数据的采集处理以及整个系统的控制。检测装置将各个传感器检测的数据传入到微处理器，然后由微处理器来完成数据的运算、处理和控制等。

(二)数据采集模块设计。传感器的选择在整个检测装置中发挥着重要的作用，因此传感器的选择必须符合检测要求。本文主要是检测尾气中的CO气体，选用CO检测传感器并进行数据的处理。半导体气体传感器具有很好的灵敏度，价格上便宜，而且可以适应多变的环境，能够符合大部分检测系统的要求，文中选用MQ-7型传感器。CO数据采集模块在工作时，CO浓度越大，SnO2薄膜层阻值越小，随着CO浓度的增大，输出的电压会随之增大。

采集到的CO浓度信号通过双运算放大器LM358芯片进行放大，并将采集到的数值送入到STM32中的ADC通道进行处理。

(三)温度检测电路设计。温度检测选用DS18B20传感器，它为单总线接口的温度传感器，拥有多种封装形式、且体积小、功耗低，并且它能够适应不同的检测系统，其具体指标的测量范围为-55℃-+125℃，精度为±0.5℃，工作电压为3V-5.5V，它与单片机仅需要三根引脚就能连接，这些优点要远远超过热敏电阻等测温元件。

(四)显示模块设计。电路设计本文采用2.8寸的TFTLCD模块作为下位机的显示工具，TFTLCD被称为薄膜晶体管液晶显示器，TFTLCD模块支持65K色显示，显示分辨率为320×240，自带触摸屏。本文选择ILI9341作为控制器，该液晶控制器自带显存，在18位模式下为26万色的显存量，TFT LCD液晶屏便可以显示检测装置采集的数据。

(五)报警电路设计。当检测到的气体浓度超过我们设定的阈值时，通过报警电路可以提醒人们气体浓度超标，报警电路由蜂鸣器、S8050、1K和10K电阻组成，本文选用有源蜂鸣器，将BEEP引脚直接接在芯片的PB8引脚上，这样可以避免在MCU复位时，蜂鸣器可能乱发声音的现象。

四、测试结果

数据采集模块测试汽车尾气中排放的CO含量在0-100ppm以内时，排放的CO含量符合排放标准，汽车尾气中CO含量处于相对无污染状态，蜂鸣器不报警，当汽车尾气中排放的CO含量超过100ppm时，排放的CO含量不符合排放标准，尾气中CO含量处于污染状态，蜂鸣器报警。

五、结束语

但是由于时间和实验条件的限制，本文设计的检测装置还有很多需要完善和改进的地方。汽车排气存在一定的温度，本文没有考虑因排气温度过高对检测装置的影响，在以后应增加一些温度补偿电路，减少因汽车排气温度过高对检测装置产生的影响。将来的设计中可以将检测装置与CO传感器分离，减少因汽车排气温度过高对检测装置的影响。在实际测试的过程中，汽车尾气中不仅有CO气体排出，还会有水排出，未来会考虑对检测装置做防水处理。环境中的风速、湿度等都会对检测结果造成影响，在日后可增加这些方面传感器的使用，使检测装置更加完善。