移动式汽车尾气分析仪的设计与实现

引言

汽车尾气已成为城市大气污染物的主要来源之一，各级政府从发展规划、城市建设、能源供应等不同方面采取综合措施，缓解汽车尾气排放对大气环境的影响。有关部门也在研究制定政策措施，推动建立更加方便快捷的公共交通体系，降低交通运输行业能源消耗和尾气排放。移动式汽车尾气分析仪是用于检测汽车在行驶过程中尾气排放指标而设计的一款检测设备，它将为控制尾气排放、建立低碳生活发挥一定的作用。

移动式汽车尾气分析仪

当汽车启动后，移动汽车尾气分析仪启动抽气泵从汽车排气管采样尾气，经除尘、去油、滤水处理进入气体分析部件IRidium100内，进行内部的红外法处理，采集CO、CO2、HC的浓度数据，然后尾气进入经过外部的O2、NOx传感器，采集相应O2、NOx的尾气浓度数据。这些数据是经过信号检测、放大和处理后变为数字结果，通过IRidium100的RS-232串口传到微处理器。微处理器经过统计、平均等算法处理和存储，按自定义的环保通信协议进行数据封装，经过GSM/GPRS/CDMA数据通信或短消息通信传到指定的上位管理平台。分析仪上的LCD上有操作菜单，使用者通过键盘进行菜单操作，可获得设备工作状态和尾气分析结果，LCD上可显示CO、CO2、HC、O2、NOx的具体检测数据结果。移动汽车尾气分析仪的结构如图1所示。

移动汽车尾气分析仪的硬件设计

尾气分析仪的气体分析部件采用英国CITY公司的IRidium100型气体分析模块。它通过内部的红外法处理，采集CO、CO2、HC的的浓度数据。IRidium100可以通过外接的O2传感器和NOx传感器，得到O2和NOx的浓度数据。

单片机系统采用C8051F020，它具有两个串口，其中一个串口连接IRidium100，另一个串口连接GSM/GPRS或CDMA通信模块，用自定义的通信协议和上位管理平台进行数据交换。

输入电源直接接汽车电源DC12V～DC24V，转换成DC12V提供给IRidium100，同时提供一组DC5V电源输出给单片机和通信模块使用。

单片机通过继电器控制采样抽气泵的工作，主要控制进气、排气的动作。继电器控制抽气泵，平时处于断开状态，当系统开始进行尾气分析时，给继电器通电使抽气泵工作5分钟。

GSM模块采用西门子公司的MC37I。该模块是一个功能完整的移动通信工业模块，CPU通过串口对它进行控制和数据传输，可以传送包括短信、CSD、GPRS等在内的数据。CPU对模块的控制采用的是AT指令，符合ETSI标准GSM 07.07和GSM 07.05。

移动汽车尾气分析仪的软件设计

尾气分析仪的工作模式

专用汽车尾气分析仪设计具有四种工作模式：

①手动工作模式，在开机状态下通过键盘控制菜单，执行一次尾气分析的过程;

②自动工作模式，当每天设定的时刻达到时，自动执行一次尾气分析过程;

③命令工作模式，当接收到上位管理平台命令时，执行一次尾气分析过程;

④校准工作模式，在开机状态下通过菜单选择进入，进行一次尾气校准过程。

其中，手动工作模式和校准工作模式由LCD提供的主菜单，在现场通过键盘输入的键值触发，然后执行相应的控制命令。

手动工作模式，在需要立即进行尾气分析时，手动进入主菜单选择，然后选择一次尾气检测，或者选择执行n次尾气检测(n由菜单的设置选项输入)，进行的一次或多次尾气分析过程。

自动工作模式由可配制的“自动测试时间”和RTC中的实时时钟进行比较，时间相等后触发，执行一次尾气分析过程。自动工作模式为默认模式。

命令工作模式，由上位管理平台下达的命令触发，执行相应的一次尾气分析过程。命令工作模式下，仪器通过串口接收到来自通信模块的“采集尾气”远程命令，此时仪器自动进行一次尾气分析过程。

校准工作模式，在第一次开机状态下或有校准需求时，抽气泵入口接上标准尾气气体，手动进入主菜单选择标定量程，进行的一次校准过程。校准后的尾气分析仪，标定了基准的测试参考点，可以提高尾气检测的准确度。

尾气分析模块的关键命令序列选择

根据IRidium100的使用手册，对CITY IRidium100尾气分析模块进行数据采集的关键命令序列如下所述。

尾气分析仪的量程标定

①RESET (命令号为：$30)，在标定尾气分析仪前用此命令。发出复位命令后收到应答，复位成功。

②ZERO ($35)，采集之前先校零，启动抽气泵半分钟后再发送校零命令，1分钟内收到校零完成应答即零点校准成功，此时停止抽气泵工作。

③SPAN SPECIFIED CHANNELS ($36)，标定量程命令。在校零完成后人工接好尾气标准气，执行标定操作，此时启动抽气泵，通气15秒后发送标定命令给尾气分析模块，LCD显示瞬时值，接收到标定完成应答后停止抽气泵的工作，同时停止对串口的操作。

尾气数据的采集，即一次尾气分析过程

①RESET ($30)，在每次执行尾气分析命令前发出此命令。发出复位命令后收到应答才算复位成功。

②ZERO ($35)，采集之前先校零，启动抽气泵半分钟后再发送校零命令，1分钟收到校零完成应答即零点校准成功。此时停止抽气泵工作。

③COMPENSATED DATA ($31)，校零完成后即可进行数据采集，先让抽气泵工作半分钟再发送数据采集命令，过10秒后再采集数据，每10秒采集一组。LCD显示瞬时值，采集过程完成后(采集5次数据)计算出平均值作为最终的显示。采集到5次就停止对串口操作，同时停止抽气泵的工作。

软件流程设计及实现

程序流程基本逻辑是，主程序根据四种工作模式下的条件触发，发送相应的命令给CITY IRidium100尾气分析模块，模块执行该命令后，返回执行结果/状态数据。主程序将结果数据一方面在LCD上显示，另一方面发送给通信设备，由通信设备传输给上位管理平台。

当收到上位管理平台的命令时，或者键盘触发手动执行尾气检测时，或者自动检测时间达到时，启动执行尾气检测的动作。一次尾气分析过程后，设置当天已经测试过的标志。

LCD的主菜单如下所示，通过上键、下键、+键、-键和确认键对键盘菜单进行操作，触发相应的命令执行。

"1.Show Settings", //参数显示

"2.Setup", //参数设置

"3.Analysis 1 time", //手动执行一次尾气检测

"4.Analysis n times", //手动执行多次尾气检测

"5.Calibration Zero", //校零

"6.Calibration Span", //标定量程

"7.Show Date/Time", //显示RTC时间

"8.Setup Date & Time", //设置RTC时间

"9.Factory Default", //恢复默认的检测量程

"10.RETURN", //返回

在四种工作模式下测得的结果数据均通过串口向通信模块发送。测试结果数据格式如下：

“CO=xx.xx%；CO2= xx.xx%；HC= xxxxxppm；O2= xx.xx%；NOx= xxxxxppm；”。

结语

本设计使用C8051F020为核心的单片机系统控制Iridium 100工作，实现了汽车尾气中CO、CO2、HC、O2、NOx浓度的检测，并通过短信数据传输方式将检测到的浓度数据传输到远程上位管理平台。设计实现的样机在新疆某地环保局试用，现场测试的数据得到了环保部门的认可。