移動(dòng)式汽車(chē)尾氣分析儀的設(shè)計(jì)應(yīng)用
移動(dòng)式汽車(chē)尾氣分析儀
當(dāng)汽車(chē)啟動(dòng)后，移動(dòng)汽車(chē)尾氣分析儀啟動(dòng)抽氣泵從汽車(chē)排氣管采樣尾氣，經(jīng)除塵、去油、濾水處理進(jìn)入氣體分析部件IRidium100內(nèi)，進(jìn)行內(nèi)部的紅外法處理，采集CO、CO2、HC的濃度數(shù)據(jù)，然后尾氣進(jìn)入經(jīng)過(guò)外部的O2、NOx傳感器，采集相應(yīng)O2、NOx的尾氣濃度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)信號(hào)檢測(cè)、放大和處理后變?yōu)閿?shù)字結(jié)果，通過(guò)IRidium100的RS-232串口傳到微處理器。微處理器經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)、平均等算法處理和存儲(chǔ)，按自定義的環(huán)保通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，經(jīng)過(guò)GSM/GPRS/CDMA數(shù)據(jù)通信或短消息通信傳到指定的上位管理平臺(tái)。分析儀上的LCD上有操作菜單，使用者通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行菜單操作，可獲得設(shè)備工作狀態(tài)和尾氣分析結(jié)果，LCD上可顯示CO、CO2、HC、O2、NOx的具體檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果。移動(dòng)汽車(chē)尾氣分析儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
移動(dòng)汽車(chē)尾氣分析儀的硬件設(shè)計(jì)
尾氣分析儀的氣體分析部件采用英國(guó)CITY公司的IRidium100型氣體分析模塊。它通過(guò)內(nèi)部的紅外法處理，采集CO、CO2、HC的的濃度數(shù)據(jù)。IRidium100可以通過(guò)外接的O2傳感器和NOx傳感器，得到O2和NOx的濃度數(shù)據(jù)。
單片機(jī)系統(tǒng)采用C8051F020，它具有兩個(gè)串口，其中一個(gè)串口連接IRidium100，另一個(gè)串口連接GSM/GPRS或CDMA通信模塊，用自定義的通信協(xié)議和上位管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
輸入電源直接接汽車(chē)電源DC12V～DC24V，轉(zhuǎn)換成DC12V提供給IRidium100，同時(shí)提供一組DC5V電源輸出給單片機(jī)和通信模塊使用。
單片機(jī)通過(guò)繼電器控制采樣抽氣泵的工作，主要控制進(jìn)氣、排氣的動(dòng)作。繼電器控制抽氣泵，平時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行尾氣分析時(shí)，給繼電器通電使抽氣泵工作5分鐘。
GSM模塊采用西門(mén)子公司的MC37I。該模塊是一個(gè)功能完整的移動(dòng)通信工業(yè)模塊，CPU通過(guò)串口對(duì)它進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳輸，可以傳送包括短信、CSD、GPRS等在內(nèi)的數(shù)據(jù)。CPU對(duì)模塊的控制采用的是AT指令，符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM 07.07和GSM 07.05。
移動(dòng)汽車(chē)尾氣分析儀的軟件設(shè)計(jì)
尾氣分析儀的工作模式
專用汽車(chē)尾氣分析儀設(shè)計(jì)具有四種工作模式：
①手動(dòng)工作模式，在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下通過(guò)鍵盤(pán)控制菜單，執(zhí)行一次尾氣分析的過(guò)程;
?、谧詣?dòng)工作模式，當(dāng)每天設(shè)定的時(shí)刻達(dá)到時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行一次尾氣分析過(guò)程;
?、勖罟ぷ髂Ｊ?，當(dāng)接收到上位管理平臺(tái)命令時(shí)，執(zhí)行一次尾氣分析過(guò)程;
?、苄?zhǔn)工作模式，在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下通過(guò)菜單選擇進(jìn)入，進(jìn)行一次尾氣校準(zhǔn)過(guò)程。
其中，手動(dòng)工作模式和校準(zhǔn)工作模式由LCD提供的主菜單，在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)鍵盤(pán)輸入的鍵值觸發(fā)，然后執(zhí)行相應(yīng)的控制命令。
手動(dòng)工作模式，在需要立即進(jìn)行尾氣分析時(shí)，手動(dòng)進(jìn)入主菜單選擇，然后選擇一次尾氣檢測(cè)，或者選擇執(zhí)行n次尾氣檢測(cè)(n由菜單的設(shè)置選項(xiàng)輸入)，進(jìn)行的一次或多次尾氣分析過(guò)程。自動(dòng)工作模式由可配制的“自動(dòng)測(cè)試時(shí)間”和RTC中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行比較，時(shí)間相等后觸發(fā)，執(zhí)行一次尾氣分析過(guò)程。自動(dòng)工作模式為默認(rèn)模式。
命令工作模式，由上位管理平臺(tái)下達(dá)的命令觸發(fā)，執(zhí)行相應(yīng)的一次尾氣分析過(guò)程。命令工作模式下，儀器通過(guò)串口接收到來(lái)自通信模塊的“采集尾氣”遠(yuǎn)程命令，此時(shí)儀器自動(dòng)進(jìn)行一次尾氣分析過(guò)程。
校準(zhǔn)工作模式，在第一次開(kāi)機(jī)狀態(tài)下或有校準(zhǔn)需求時(shí)，抽氣泵入口接上標(biāo)準(zhǔn)尾氣氣體，手動(dòng)進(jìn)入主菜單選擇標(biāo)定量程，進(jìn)行的一次校準(zhǔn)過(guò)程。校準(zhǔn)后的尾氣分析儀，標(biāo)定了基準(zhǔn)的測(cè)試參考點(diǎn)，可以提高尾氣檢測(cè)的準(zhǔn)確度。
尾氣分析模塊的關(guān)鍵命令序列選擇
根據(jù)IRidium100的使用手冊(cè)，對(duì)CITY IRidium100尾氣分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵命令序列如下所述。
尾氣分析儀的量程標(biāo)定
?、賀ESET (命令號(hào)為：$30)，在標(biāo)定尾氣分析儀前用此命令。發(fā)出復(fù)位命令后收到應(yīng)答，復(fù)位成功。
②ZERO ($35)，采集之前先校零，啟動(dòng)抽氣泵半分鐘后再發(fā)送校零命令，1分鐘內(nèi)收到校零完成應(yīng)答即零點(diǎn)校準(zhǔn)成功，此時(shí)停止抽氣泵工作。
?、跾PAN SPECIFIED CHANNELS ($36)，標(biāo)定量程命令。在校零完成后人工接好尾氣標(biāo)準(zhǔn)氣，執(zhí)行標(biāo)定操作，此時(shí)啟動(dòng)抽氣泵，通氣15秒后發(fā)送標(biāo)定命令給尾氣分析模塊，LCD顯示瞬時(shí)值，接收到標(biāo)定完成應(yīng)答后停止抽氣泵的工作，同時(shí)停止對(duì)串口的操作。
尾氣數(shù)據(jù)的采集，即一次尾氣分析過(guò)程
①RESET ($30)，在每次執(zhí)行尾氣分析命令前發(fā)出此命令。發(fā)出復(fù)位命令后收到應(yīng)答才算復(fù)位成功。
?、赯ERO ($35)，采集之前先校零，啟動(dòng)抽氣泵半分鐘后再發(fā)送校零命令，1分鐘收到校零完成應(yīng)答即零點(diǎn)校準(zhǔn)成功。此時(shí)停止抽氣泵工作。
?、跜OMPENSATED DATA ($31)，校零完成后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，先讓抽氣泵工作半分鐘再發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，過(guò)10秒后再采集數(shù)據(jù)，每10秒采集一組。LCD顯示瞬時(shí)值，采集過(guò)程完成后(采集5次數(shù)據(jù))計(jì)算出平均值作為最終的顯示。采集到5次就停止對(duì)串口操作，同時(shí)停止抽氣泵的工作。
軟件流程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
程序流程基本邏輯是，主程序根據(jù)四種工作模式下的條件觸發(fā)，發(fā)送相應(yīng)的命令給CITY IRidium100尾氣分析模塊，模塊執(zhí)行該命令后，返回執(zhí)行結(jié)果/狀態(tài)數(shù)據(jù)。主程序?qū)⒔Y(jié)果數(shù)據(jù)一方面在LCD上顯示，另一方面發(fā)送給通信設(shè)備，由通信設(shè)備傳輸給上位管理平臺(tái)。
當(dāng)收到上位管理平臺(tái)的命令時(shí)，或者鍵盤(pán)觸發(fā)手動(dòng)執(zhí)行尾氣檢測(cè)時(shí)，或者自動(dòng)檢測(cè)時(shí)間達(dá)到時(shí)，啟動(dòng)執(zhí)行尾氣檢測(cè)的動(dòng)作。一次尾氣分析過(guò)程后，設(shè)置當(dāng)天已經(jīng)測(cè)試過(guò)的標(biāo)志。
LCD的主菜單如下所示，通過(guò)上鍵、下鍵、+鍵、-鍵和確認(rèn)鍵對(duì)鍵盤(pán)菜單進(jìn)行操作，觸發(fā)相應(yīng)的命令執(zhí)行。
"1.Show SetTIngs", //參數(shù)顯示
"2.Setup", //參數(shù)設(shè)置
"3.Analysis 1 TIme", //手動(dòng)執(zhí)行一次尾氣檢測(cè)
"4.Analysis n TImes", //手動(dòng)執(zhí)行多次尾氣檢測(cè)
"5.CalibraTIon Zero", //校零
"6.Calibration Span", //標(biāo)定量程
"7.Show Date/Time", //顯示RTC時(shí)間
"8.Setup Date & Time", //設(shè)置RTC時(shí)間
"9.Factory Default", //恢復(fù)默認(rèn)的檢測(cè)量程
"10.RETURN", //返回
在四種工作模式下測(cè)得的結(jié)果數(shù)據(jù)均通過(guò)串口向通信模塊發(fā)送。測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)格式如下：
“CO=xx.xx%；CO2= xx.xx%；HC= xxxxxppm；O2= xx.xx%；NOx= xxxxxppm；”。結(jié)語(yǔ)
本設(shè)計(jì)使用C8051F020為核心的單片機(jī)系統(tǒng)控制Iridium 100工作，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)尾氣中CO、CO2、HC、O2、NOx濃度的檢測(cè)，并通過(guò)短信數(shù)據(jù)傳輸方式將檢測(cè)到的濃度數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程上位管理平臺(tái)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的樣機(jī)在新疆某地環(huán)保局試用，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)得到了環(huán)保部門(mén)的認(rèn)可。
參考資料：
[1]CITY公司.Iridium Specification.pdf
[2]CITY公司IRIDIUM OPERATING INSTRUCTIONS.PDF
[3]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1993.
[4]R.J.凱思. 光探測(cè)器與紅外探測(cè)器[M]. 董培芝等譯, 北京:科學(xué)出版社,1984
[5]徐愛(ài)鈞.智能化測(cè)量控制儀表原理與設(shè)計(jì)[M]北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1995
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