基于微电脑技术的红外汽车尾气分析仪设计

冯波

（陕西国防工业职业技术学院电子工程学院，陕西西安 710300）

随着我国经济以及科技的迅速发展，近年来，汽车行业的发展势头以及建设规模在众多行业领域中越来越突出，平均家家户户都能拥有一辆汽车作为代步工具，在很大程度上促进我国国民进一步走向小康生活，但是，汽车为人类带来了极大便利的同时，也导致环境问题日渐严重，其原因是汽车在运作过程中会产生汽车尾气，而汽车尾气中含有大量CO2、CO 等有害气体，这些气体直接导致气候变暖、冰川融化、动物们流离失所等现象，这一系列的现象都在预示着人类该有所作为了。因此，必须快速寻找一款更精准、方便的方法去监控汽车尾气的排放。该次研究的检测分析仪将颠覆以往的检测时间长、体积大的缺点，它更轻便、可靠并且不受限制。

1 红外汽车尾气检测原理

该仪器利用气体吸收谱带和特征频率的特性，当外界有光源靠近仪器时，会产生强烈的反应，用户可以通过仪器吸收光源的强弱来检测汽车尾气的含量以及成分[1]。分析仪原理如图1 所示。

图1 红外气体分析仪原理图

当被检测气体进入到检测仪中时，经过红外线的照射会划分出两束不同的光源，其中一束光源会进入到样品室，另一束光源进入到参比室，经过系统对光源的检测分析，将光源转移到探测器上，安装在探测器上的滤光片对光源的中心波长有着特定要求，只有满足条件后光源才能通过滤光片。通过的光束会代表相应的汽车尾气，在参比室中如果无法识别该气体，探测器会自动响应，直接将直流现象通过探测器显示出来，反之，当样品室中通过的气体与标准室中通过的气体浓度不同，则被检测气体会形成突变辐射，从而产生不同的输出信号，通过输出信号与定标值的比较，便可以检测出相应气体的含量[2-3]。

2 红外汽车尾气分析仪整体架构分析

2.1 红外汽车尾气分析仪结构组成

首先，检测气体通过主滤过器滤除杂质，再通过粉滤过器滤除对测量结果有影响的粉尘，在保证完全滤除影响因素之后，进行压力检测步骤，主要实现过程是将气泵产生的气体通过多种装置进行检测，最终排出，整个过程完成。该过程中需要用到的装置有三通电磁阀门、NDIR 四通道三气体分析检测装置以及氧气传感器和NOx传感器，如图2 所示。（PS:系统中特意设计了质量检测、温度检测、压力检测三大检测工序，利用这些工序更好地保障测量结果能满足国家标准要求。）

图2 系统框图

为了更准确地测量结果，每次检测完成之后都要进行一次校正处理，目的是消除仪器长时间使用所造成的误差。其校正检测方法为向仪器内注入干净的空气，空气注入完毕后，为保证该过程无任何干扰因素，将空气进行冲洗步骤，该过程主要用到的检测装置是三通电磁阀门，冲洗完成后将修正仪器归零，即可完成操作[4-5]。

单凭这些远远不能满足通过零点校正来修正误差，在仪器长时间飞速运转后，会造成许多问题，例如：器件老化、零件磨损等。该过程可以采取对比的方式进行检测，其实现过程为在红外汽车尾气分析仪中引入标准气体，在校正仪器过程中，将已知浓度的气体经检测后与标准气体进行对比，从而分析出该仪器的准确程度。而仪器进入校正状态时，此时的气泵处于停止运转状态，用户利用微电脑技术在红外汽车尾气分析仪中输入标准气体浓度，红外汽车尾气分析仪会自动对仪器进行校正，一系列过程由微电脑技术完成[6-7]。

2.2 硬件系统优化设计

该系统控制核心采用微处理器MSP430F149I，它的温度范围和极其厉害的抗干扰性能，能够有效地确保系统的稳定运行[8-9]，控制硬件电路结构框图如图3 所示。

图3 控制电路硬件图

该次优化针对用户能更直观地了解该仪器的用处，尽可能地采取通俗易懂的方法，特别设计键盘输入，仅有6 个按键，分别为P1.0～P1.5，当用户需要使用仪器时只需按指定操作，屏幕上便会出现液晶LCD 显示，按指令即可完成优化过程[10]。

该红外汽车尾气分析仪系统主要由信号调理放大模块以及压力检测模块、NDIR 四通道三组分气体分析模块、流量检测模块等组成。MSP430F149I 内部提供8 路、12 位以及模数转换器ADC AD0～AD7，系统采用其中的四路来测量流量、氧气浓度、NOx浓度、气体压力（其中NOx包含NO、NO2等氮氧化合物）[11-12]。

氧气传感器是一种利用电化学方式的仪器，该氧气传感器可以利用输出电压与氧气的输入浓度进行对比分析，并观察输出电压与氧气的输入浓度的关系情况，经一系列研究发现二者成线性关系，例如：若氧气浓度等于零，输出电压也等于零。若此时空气中氧气浓度基本不变，保持在21.97%上下浮动，可以将得出的数值与测量结果进行比较。

NDIR 四通道三组分气体分析模块的应用有利于通过红外汽车尾气分析仪分析气体的组成成分，经研究显示该模块共包含了4 个通道，其中3 个通道为核心要素，主要对HC、CO2、CO、NO、NO25 种主要气体进行分析，而另一个通道用作参考范围。该过程主要采用RS-232 接口与主控单元作为核心测量进行控制命令，测量步骤包括系统校正、检测命令发送、单一气体标定和测量数据的通讯，起始温度、各气体温度、检测的原始数据等为测量的结果[13]。

NOx传感器的输出电压与氧气浓度之比属于非线性，经过图4 所示的电路调理信号，将会得到电压信号，实验结果表明电压信号与NOx浓度呈线性关系。详细过程如图4 中的NOx传感器信号调理电路所示。

图4 NOx 传感器信号调理电路

2.2.1 红外气体分析传感器

根据上述内容制成的红外气体分析传感器如图5 所示，检测气体经水分离器和滤清器滤除杂质后通过进气口进入取样室。当传感器上的数据显示的气体浓度越低，它的波值越大，反之气体浓度越高，波值越小。过程如图5 红外气体分析传感器所示[14]。

图5 红外气体分析传感器

2.2.2 传感器标定

该过程针对实测对传感器进行标定，实验表明传感器启动后会发出输出信号，将输出信号通过A/D转换器进行数据处理，再使不同浓度的标准气体进入仪器，达到对仪器进行标定的目的，将所有测定的数据汇总成表格封存于单片机中，当需要仪器进行实测时，根据表格就可以迅速算出实测值。如表1、表2所示。

表1 HC标准气体浓度与A/D测量值

表2 CO标准气体浓度与A/D测量值

2.3 软件设计

该软件将采取模块化形式进行数据分析、标定、测量、通讯、打印等步骤，反复分析数据得出最准确的结果。软件框图如图6 所示。

图6 软件系统结构图

3 电路系统优化分析

电路系统主要包括利用红外气体分析信号后通过A/D 转换器进行数据处理，通过键盘控制仪器显示，最后由打印机输出。汽车尾气分析仪原理框图如图7 所示。

图7 汽车尾气分析仪原理框图

3.1 信号处理

在针对红外汽车尾气分析仪电路系统进行分析的过程中发现输出信号不能满足要求，因此将针对电路系统进行优化分析，为保证结果的准确性，特将输出信号较原来相比放大50 倍，在此基础上再配合单片机，利用直流放大器完成电平转换。该过程对汽车尾气检测分析仪的精准度要求极高，为了达到标准特别采用12 位模数转换芯片。

3.2 数据存储

通过多次实验得出的实验结果表明，单凭单片机的存储器很难满足系统大规模的程序与数据的要求，为此特意扩展了片外存储器，在单片机内存不足时解燃眉之急。

系统中采用液晶LCD显示数据，系统将自动保存红外汽车尾气分析仪的电路系统进行优化分析过程中产生的图像数据，其保存位置为数据存储器，除此之外，为避免数据库内存使用过大，将菜单显示的临时数据存储在RAM中，可以有效避免不利因素的产生。数据存储不能通过单一测量来标定数据，需要建立特定的数据库后注入测量标准，方便观察菜单动态及测量数据。

3.3 结果显示与输出

利用LCD 显示结果和操作界面，通过标准打印机输出报告，也可以通过将RS232 与计算机连接来备份数据。

3.3.1 液晶LCD显示

在红外汽车尾气分析仪电路系统优化分析的结果显示与输出中，将采用液晶LCD 显示，除此之外，在结果显示与输出中设计用户界面，有利于用户直观地观察数据变化情况，全屏采用中文字幕，操作者不需要看说明书也能熟练地掌握仪器的使用方法，电路如图8 所示。

图8 液晶显示电路图

想要采用液晶LCD 显示，需要详细地设定显示屏的模式、屏幕范围，完成初始化操作。当操作者操作仪器时，屏幕会显示缓冲区的地址，用户只需要读出相应地址的显示缓冲即可。

3.3.2 串行通信

随着社会的发展，数据的储存不能局限于此，渐渐地趋向于计算机数据储存，也就是将计算机接口与RS232 串行接口进行连接，相对于以往的方式来讲更经济可靠[15]。

3.3.3 打印机标准接口

该模块针对系统检测结果的输出，特别配置了标准针式打印机接口，操作简单快速，只需要将普通打印机的数据线与系统进行连接，即可完成整项操作。目前，市面上的打印机通常采用并行接口、数据线以及忙线BUSY、信号线STROBE。当操作者需要查询数据时，首先输入信号BUSY，若结果显示BUSY=0，即可利用打印机输出数据，将打印机输出的数据接入到DATA 上，并通过STROBE 通知打印机进行信号传输，该过程中若系统出现BUSY=0 的信号,再从接口接收数据。数据接收完毕并存储于打印机的缓冲器中，在数据存储过程中会发送ASK 信号，该行为向操作者表示打印机已准备好接收新的数据，操作接收到信号指令后撤销BUSY 信号即可[16]。

4 红外汽车尾气检测分析系统测试

利用与标准气体进行对比实验得出结论，并且通过N次实验证明了该设计测量精度高于以往设计，误差小于5%，倘若仪器误差超过标准规定，则会对仪器进行更准确地标定，将采用高、中、低不同浓度的混合气体，分别加入仪器后，向仪器内输入标准的测量值，经过一系列测量、校正后，最终验证了基于微电脑技术的红外汽车尾气分析仪可以达到实际要求。

5 结束语

当前，世界上检测仪的发展包括两方面：一是硬件，指仪器本身的质量和技术水平；二是软件，指计算机在检测方面的应用。近年来，软件开发取得了巨大的进步，很大程度提高了仪器的测量速度、精准度和准确性，并且扩大了仪器的功能和应用领域，从而大大提高了仪器的自动化程度，数据处理更快、更真实。

该设计较以往仪器相比具有很多优势，各项性能指标达到并且超过行业标准，包括结构更加紧凑、测量速度快、携带轻便以及精确度更高等特点，经过多次测试得出的实验结果以及用户使用情况表明，该仪器具有一定的参考价值。