基于嵌入式系统的汽车尾气检测装置的设计

熊 杰，魏 勇，严 丹

(1.黄冈师范学院电子信息学院，湖北黄冈 438000；2.长江大学，湖北荆州 434023)

0 引言

随着我国工业制造业的迅猛发展，国内汽车的拥有量越来越大，汽车尾气对城市环境的污染也日益加剧[1]。汽车尾气中的CO、NO、HC等有害气体的排放会造成雾霾、酸雨等现象，因此快速、有效、准确地采集尾气中各种气体的成分和浓度对改善空气质量有着重要的意义。本文设计了一种基于ARM的汽车尾气在线检测装置，该检测装置可直接安装在汽车的排气口，通过多个传感器组可实时检测尾气中的CO、NO、CO2、HC等气体的浓度，通过NRF24L01无线技术把采集到的气体浓度值发送到驾驶室的显示屏上，当废气浓度超标时可及时提醒驾驶员进行处理。实际测试结果表明，该检测装置能有效检测出废气的成分及其对应的浓度，具有安装简单、成本低、稳定可靠等优点[2-3]。

1 系统方案设计

本文设计的汽车尾气检测装置可直接安装在汽车的排气管上，汽车排出的尾气首先经过过滤器过滤气体中的水分、粉尘等杂质，然后通过检测仪中的非分光红外(NDIR)气体传感器和NOx气体传感器同时检测尾气中的CO、CO2、HC以及NO等气体的浓度[4]。利用信号调理电路对传感器输出的信号进行放大、滤波处理，然后把处理后的信号送入单片机内部的A/D中进行模数转换，最后计算出汽车尾气中各种气体的浓度值，通过NRF24L01无线技术把结果发送到驾驶室的中控屏上实时显示，还可以把数据发送到手持式的监测装置上，便于检测人员及时掌握尾气的排放情况，系统方案设计如图1所示。

图1 系统方案设计

2 尾气检测装置的硬件设计

尾气检测装置的硬件是由NDIR气体传感器、NOx气体传感器、进气气体压力传感器、进气气体流量传感器、数据放大滤波电路、数据存储电路以及NRF24L01无线传输电路组成[5]。通过安装在排气管上的尾气检测装置检测出尾气中各种废气的成分、浓度值，通过NRF24L01无线技术把检测结果发送到手持式监测装置的LCD屏上实时显示，可以快速、直观的观察到检测结果，系统硬件框图如图2所示[6]。

图2 硬件框图

2.1 NDIR气体传感器检测电路

系统采用非分光红外(NDIR)气体传感器检测汽车尾气中的CO、CO2、HC的浓度，它是4道3组分的气体分析模块，其中1个通道通入标准气体作为参考，剩余3个通道采用光谱吸收方法检测CO、HC和CO2的浓度[7]。该气体传感器模块通过RS232接口与单片机进行数据交互，其采用红外调制光源实现对尾气成分的检测，通过串口向气体传感器模块发送控制命名来检测尾气中各气体的浓度、气室温度等信息。传感器模块与单片机接口电路图如图3所示。

图3 NDIR气体传感器检测电路

2.2 NOx气体传感器检测电路

本系统采用车载NOx氮氧传感器来检测尾气中的NOx的浓度，根据不同的气敏特性NOx传感器可以分为半导体型、固态电解质型、电化学型等。本文选用的是特定金属制成的半导体传感器，其具有敏感性好，对NOx显示出可靠的选择性，又因为掺杂了某些特定的金属，显著了提高了传感器的稳定性以及选择性[8]。

NOx传感器能将测得的NOx气体的浓度值反应成传感器输出的电压值，且所测的气体浓度与传感器输出的电压成线性关系。由于传感器输出的电压信号很微弱，必须将此信号进行适当处理之后才能被单片机内部的A/D转换器进行采集[9]，具体电路如图4所示。

图4 NOx气体检测电路

2.3 进气压力检测电路

系统设计了进气压力检测、流量检测电路，通过检测这些参数结合气体传感器检测到的尾气中废气的浓度值，来计算出最终尾气排放是否超标，保证尾气的检测环境符合国家规定的标准。系统选用的是差分型压力传感器来检测进气的压强，只需对传感器输出的信号进行适当放大处理即可，再利用单片机内部的A/D转换器对放大后的信号进行模数转换[10]，在单片机内部计算出进气的压力值，结合其他参数保证尾气检测的过程符合国家标准要求的环境条件范围。具体的压力检测电路如图5所示。

图5 进气压力检测电路图

MPX100p压力传感器是硅压阻式压力传感器，其采用差分电压的输出形式，且输出的电压与施加的压力成线性相关，该型压力传感器的工作温度在-40～125 ℃之间，符合汽车尾灯检测的复杂工作环境。

2.4 NRF24L01无线传输电路

在汽车尾气数据传输上，本文选用2.4G无线模块(NRF24L01模块)。2.4G是全球开放的ISM频带，免许可证使用，其最高工作速率为2 Mbps，抗干扰能力强，采用3.3 V供电。NRF24L01通过SPI与单片机进行数据通讯，最大SPI速度可达10 MHz，内置CRC检错和点对多点的通信地址控制方式，可设置自动应答，确保数据可靠传输。无线传输电路图如图6所示。

图6 NRF24L01无线传输电路

2.5 主控芯片

由于该检测装置是安装在汽车尾气出口的，汽车排气口的温度通常较高，这对主控芯片的稳定性提出了较高的要求。本文选用TM4C129型工业级单片机芯片，工作温度-40～85 ℃，完全满足汽车排气口的温度要求。此款单片机具有1 024 KB闪存存储器，256 KB SRAM，主频高达120 MHz，其内部含有4通道12位模数转换器，可以用来对采集到的尾气浓度值信号进行模数转换。

3 软件设计

软件设计采用模块化的设计思路，分别设计了非分光红外传感器数据采集程序、NOx传感器数据采集程序、进气压力采集程序、A/D转换程序以及NRF2L01无线通讯程序等。系统上电首先自检，NRF24L01搜寻网络，然后开始启动数据采集程序，待各个传感器组采集完数据之后把数据打包统一发送至手持式监测仪上显示，软件流程图如图7所示。

图7 汽车尾气在线检测装置软件流程图

4 实验数据分析

为了验证系统的稳定性及可靠性，首先在实验室条件下利用标准气体进行对比实验。把体积分数为1.0%、2.0%、4.55%、5.65%的标准CO气体充进气室，然后把尾气检测装置放置在气室里面，把测得的CO体积分数与标准体积分数比较来验证系统的可靠性及采集的准确性，对比数据如表1所示。

表1 测得CO体积分数与标准值对比 %

由上述4组对比测量数据可知，测量到的CO体积分数值与标准体积分数值基本一致，测量的最大误差3%，由于可见，本文研制的汽车尾气检测仪具有较高的稳定性和测量的准确性。

在实验室条件下验证系统之后，开始在实际的环境中检测汽车的尾气成分，把该尾气检测仪安装到汽车尾气排气口上，启动汽车使车处于怠速状态，利用检测装置检测排放的尾气中各种气体的成分、体积分数信息。将系统采集到的数据与标准尾气检测仪测得的数据进行对比，分别测量5辆不同汽车，重点测试尾气中的CO、NOX体积分数，测量数据如表2所示。

表2 5辆汽车测量数据 %

本次检测的5辆车尾气排放的CO、NOx的体积分数均在3%之内，系统具有较高的测量精度。因此可以利用系统研制的便携式尾气检测仪去检测汽车尾气的排放情况。

5 结束语

设计了一种基于ARM的汽车尾气在线检测装置，通过检测装置上的多个传感器检测出尾气中各种气体的成分、浓度等信息，通过无线传输技术把采集到的数据发送至司机室的显示屏上或手持式检测仪上，这样工作人员就可以直接地观察到汽车排放的尾气是否超标。实际试验结果表明，本文设计的汽车尾气检测仪具有成本低、安装监测方便、传输稳定可靠等优点。