摘 要： 當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)汽車尾氣排放情況進(jìn)行檢測(cè)的方式主要是在臺(tái)架上對(duì)汽車進(jìn)行檢測(cè),，不能對(duì)正在實(shí)際路況上行駛的汽車進(jìn)行檢測(cè),。針對(duì)上述存在的問題，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng),，該系統(tǒng)通過電化學(xué)傳感器檢測(cè)氣體,，并用無(wú)線通信技術(shù)將探測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，提高了汽車尾氣檢測(cè)的靈活方便性,，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車尾氣的全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,，有利于加強(qiáng)對(duì)汽車尾氣污染的防治,，具有一定的推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：尾氣檢測(cè),；電化學(xué)傳感器,；單片機(jī)；無(wú)線通信
近年來(lái)國(guó)內(nèi)城市汽車的擁有量越來(lái)越大,，汽車尾氣對(duì)城市大氣環(huán)境的危害也日益加劇,。因此，快速,、簡(jiǎn)便,、準(zhǔn)確地檢測(cè)汽車尾氣的成分和含量對(duì)控制汽車尾氣的排放以及改善城市大氣環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而,，由于技術(shù)條件的限制,，目前國(guó)內(nèi)主要采用年檢方式對(duì)汽車尾氣排放情況進(jìn)行檢測(cè)[1]，不能在實(shí)際路況上對(duì)汽車尾氣進(jìn)行檢測(cè),，汽車實(shí)際運(yùn)行時(shí)其尾氣所含的污染物不能及時(shí)掌握,，從而無(wú)法及時(shí)有效地控制汽車的尾氣污染。
針對(duì)上述問題,，本文給出了一種基于單片機(jī)的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)方案,，本方案以低功耗的控制器作為控制核心，利用電化學(xué)傳感器采集尾氣信號(hào)，并通過無(wú)線通信技術(shù)將最后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控設(shè)備,，使得相關(guān)檢測(cè)者能隨時(shí)隨地檢測(cè)汽車尾氣,，實(shí)時(shí)掌握汽車的尾氣排放情況，及時(shí)制止超標(biāo)車輛上路,，最大程度上減少汽車尾氣對(duì)空氣的污染,。
1 系統(tǒng)工作原理和總體方案
1.1 系統(tǒng)工作原理
在汽車尾氣排放口安裝電化學(xué)傳感器，采集行駛中的汽車尾氣信息,。由于采集來(lái)的信號(hào)很小,，因此需利用運(yùn)算放大器將該信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)傳輸給單片機(jī),，先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,，再進(jìn)行信息處理，處理的結(jié)果通過無(wú)線通信技術(shù)傳輸,。
1.2 系統(tǒng)總體方案
系統(tǒng)包含兩部分,，第一部分安裝在汽車排氣管附近，由電化學(xué)傳感器,、運(yùn)算放大器ADA4505,、單片機(jī)STC12C5A60S2、供電模塊,、無(wú)線通信模塊NRF24L01等部分組成,；第二部分由監(jiān)測(cè)人員手持，由單片機(jī)STC12C5A60S2,、供電模塊,、無(wú)線通信模塊NRF24L01、顯示屏1602,、按鍵等幾個(gè)部分組成,。車速傳感器測(cè)得的車速通過CAN總線傳到安裝在汽車上的單片機(jī)，最終在1602顯示屏顯示當(dāng)前的車速,。由于電路功耗很低,，供電模塊都采用鋰電池供電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示,。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 電化學(xué)傳感器
電化學(xué)傳感器通過與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來(lái)工作。電化學(xué)傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成,，并由一個(gè)薄電解層隔開,。圖2為電化學(xué)傳感器測(cè)量電路的原理示意圖。氣體通過薄膜擴(kuò)散到傳感器內(nèi),，并與工作電極(WE)相互作用,。傳感器參考電極(RE) 提供反饋，以便通過改變反電極(CE) 上的電壓保持WE引腳的恒定電位，流入WE引腳的電流對(duì)于每ppm氣體濃度低于100 nA,，其中Vout = 2.5 V + IWE × RF,。氣體傳感器模塊是一氧化碳傳感器TGS2201、氮氧化合物傳感器4Nox-1500和碳?xì)浠衔飩鞲衅?CHx-1500,。
2.2 微處理器
STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī),，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8~12倍,。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250 Kb/s),，針對(duì)電機(jī)控制,，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。
圖3為安裝在汽車排氣管附近部分的傳感器與STC12C5A60S2的接口電路,。通過STC12C5A60S2的A/D轉(zhuǎn)換可對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行精確的測(cè)量由于傳感器輸出的電壓信號(hào)較小,，因此需要通過放大電路與STC12C5A60S2的A/D連接。圖4為手持部分的輸入輸出設(shè)備與STC12C5A60S2的接口電路,，其中STC12C5A60S2的A0為A/D轉(zhuǎn)換串口,。
2.3 無(wú)線通信模塊
本文所涉及的系統(tǒng)采用的無(wú)線通信模塊為NRF24L01。NRF24L01是一款內(nèi)置頻率合成器,、功率放大器,、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,，并融合了增強(qiáng)型Shockburst技術(shù)的新型單片射頻收發(fā)器件,。NRF24L01工作于2.4~2.5 GHz ISM頻段，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置[3],。NRF24L01功耗低,，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9 mA,；接收時(shí),，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便,。
NRF24L01的工作原理圖如圖5所示,，CSN、SCK,、MOIS,、MISO為SPI引腳端，由微處理器的P1.1,、P1.2,、P1.3、P1.4來(lái)配置NRF24L01，CE為使能發(fā)射或接收端,，由微處理器的P1.0控制,；IRQ為中斷標(biāo)志位，由P1.5控制,。
2.4 CAN總線設(shè)計(jì)
為了使CAN總線能夠?qū)崿F(xiàn)通信功能,，在設(shè)計(jì)硬件電路的過程中，本文采用了STC12C5A60S2和CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250組成的CAN總線接口電路,，如圖6所示,。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
按照系統(tǒng)控制功能要求，確定了系統(tǒng)軟件的主要功能有：系統(tǒng)初始化,，采集傳感器輸出的氣體濃度信號(hào),，對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ),、輸出等,。按照軟件功能要求，給出了程序總體結(jié)構(gòu)框圖,，如圖7,、8所示。
3.1 主程序設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的主程序流程圖即圖7,、8所示的流程圖,。主程序在完成系統(tǒng)初始化后，按下手持部分的啟動(dòng)按鈕,，將啟動(dòng)信息通過無(wú)線模塊傳輸給汽車部分的單片機(jī),，此時(shí)單片機(jī)回復(fù)接收啟動(dòng)指令給手持部分，同時(shí)啟動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),，傳感器開始采集氣體成分,，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)后,，調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序,，將采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算。
3.2 無(wú)線通信模塊子程序
本系統(tǒng)的無(wú)線通信模塊子程序流程圖如圖9所示,。無(wú)線通信模塊子程序在完成相關(guān)函數(shù)的初始化后,，單片機(jī)將信息按照時(shí)序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，然后CE置為高電平,，并延時(shí)一段時(shí)間后發(fā)射數(shù)據(jù),；在應(yīng)答模式下，nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式,，接收應(yīng)答信號(hào)。如果在有效的應(yīng)答時(shí)間范圍內(nèi)收到應(yīng)答信號(hào)，則認(rèn)為數(shù)據(jù)成功發(fā)送到了接收端,，此時(shí)將狀態(tài)寄存器TX_FIFO恢復(fù)為默認(rèn)值,；若未收到應(yīng)答，說明發(fā)送失敗,，記錄下發(fā)送失敗的次數(shù),，并自動(dòng)重新發(fā)射數(shù)據(jù)[4]。
(1) nRF24L01 模塊設(shè)置為發(fā)送模式部分代碼如下[5]：
void SetTxMode ( )
{
nrfTxBuf [0] =0x20;
nrfTxBuf [1] = 0x0e;
SPI_SendData (nrfTxBuf, nrfRxBuf,2);
nrfTxBuf [0] =0xe2;
SPI_SendData (nrfTxBuf,nrfRxBuf,1);
}
(2) nRF24L01 模塊設(shè)置為接收模式部分代碼為：
void SetRxMode ( )
{nrfTxBuf [0] = 0x20;
nrfTxBuf [1] = 0x0f;
SPI_SendData (nrfTxBuf, nrfRxBuf,2);
nrfTxBuf [0] =0xe2;
SPI_SendData (nrfTxBuf,nrfRxBuf, 1);
PORTB|= (1<<3);
_NOP( ); _NOP ( ); _NOP ( );
}
3.3 A/D轉(zhuǎn)換部分子程序
STC12C5A60S2的ADC模塊能夠?qū)崿F(xiàn)10位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換,，A/D轉(zhuǎn)換部分程序比較簡(jiǎn)單,，程序只需要完成3項(xiàng)功能：選取模擬輸入通道；配置控制寄存器ACON,；讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值,再返還數(shù)據(jù),。
本系統(tǒng)利用超低功耗STC12C5A60S2單片機(jī)對(duì)電化學(xué)傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，替代目前的檢測(cè)方式,，對(duì)尾氣的控制從臺(tái)架到實(shí)際路況全面監(jiān)測(cè),，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了環(huán)保，加強(qiáng)了對(duì)汽車尾氣污染的防治,。雖然目前國(guó)內(nèi)在控制汽車尾氣排放方面越來(lái)越嚴(yán)格,，在引入或在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的新車上都必須安裝一個(gè)OBD車載自診斷系統(tǒng)來(lái)判斷該車尾氣排放是否達(dá)到國(guó)Ⅲ或國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)[6]，但該系統(tǒng)不能檢測(cè)汽車在實(shí)際路況上運(yùn)行時(shí)的尾氣排放所含的污染物的濃度,，而本文所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)能很好地解決這個(gè)問題,。此外，該項(xiàng)技術(shù)還可以擴(kuò)展應(yīng)用于溫濕測(cè)量,、工業(yè)控制,、水文檢測(cè)以及環(huán)境衛(wèi)生應(yīng)用等領(lǐng)域，因此本設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的通用價(jià)值,。
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