论文发表期刊投稿基于AVR单片机的汽车尾气检测系统设计

　　摘 要： 针对当前汽车尾气污染加重和检测标准日益完善的现状，为了弥补传统汽车尾气检测系统在测量精度、稳定性、人机操作等方面存在的不足，提出了一种基于AVR 单片机的汽车尾气检测系统设计方案。系统以ATMEGA8L为核心控制器，主要由传感器模块、信号采集调理电路、A/D转换器以及显示模块等组成。实验结果表明，系统具有测量精度高、稳定可靠、人机交互性好等优点。

　　关键词： 论文发表期刊,汽车尾气,ATMEGA8L,红外线,检测系统

　　Design of automobile exhaust gas detection system based on AVR

　　YAO Ning1， GUO Chao?long2， WENG Ling?yun1， GE Cheng?bin3

　　(1. NR Electric Power Electronics Co.， Ltd.， Changzhou 213025， China; 2. Yubei Steering System Co.， Ltd.， Xinxiang 453003， China;

　　3. CSR Qishuyan Locomotive Co.， Ltd.， Changzhou 213011， China)

　　Abstract： Nowadays the automotive exhaust pollution has been increasing and the detecting standard is increasingly sophisticated. A design scheme of an automobile exhaust detecting system based on AVR is proposed to overcome the shortage of traditional automotive exhaust detection systems in measuring accuracy， stability and man?machine operation. ATMEGA8L is taken as the core controller of the system， which is composed of the sensor module， signal acquisition and conditioning circuit， A/D converter， and display module. The tested results show that the system has the advantages of high?accuracy， high stability， high reliability and good human?computer interaction.

　　Keywords： automotive exhaust; ATMEGA8L; infrared ray; detection; system

　　0 引 言

　　伴随着国民经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，汽车数量与日俱增，然而汽车尾气排放所造成的环境污染并没有随着汽车技术的发展而减轻，相反已渐渐成为了比较严峻的社会问题[1?3]。汽车尾气不仅会影响人的身体健康，侵蚀城市建筑物，而且对生态环境也造成了难以修复的影响，并且这些影响现在越发严重(如近年来全国各地频发的雾霾现象)。所以，许多国家花费巨资研究如何减少汽车尾气排放，并出台了新的排放标准。

　　为了有效地监控与防治汽车尾气排放，迫切需要研制出完善的汽车尾气检测系统[4?5]。而汽车尾气中污染物的检测是进行汽车尾气控制的首要环节，长久以来，国内使用的很多汽车尾气检测设备大多存在测量精度不高，稳定性较差和不易操作等缺点，所以很难达到当前国内的检测要求。本文介绍了一种基于AVR ATMEGA8L单片机技术的汽车尾气检测系统设计方案，该系统可以检测出尾气中各类有害成分的浓度，如CO、CO2和HC等[6]，并优化了系统结构和检测手段，进一步提高了系统稳定性和测量精度。

　　1 系统设计

　　本系统采用NDIR(Non?Dispersive Infrared Analyzer)方法对汽车尾气进行分析，气体先通过水分离器去除水分等杂质，然后由粉过滤器过滤掉其中的粉尘和颗粒，再通过泵将气体输送到分析气体室，分别经过红外传感器、温度传感器和压力传感器，最后气体排出。为了在检测过程中消除测试仪器可能产生的累积误差，需要在每次检测前进行一次零点校准。

　　本检测系统以ATMEGA8L单片机作为主要控制器[7?8]，主要由传感器模块、信号采集调理电路、A/D转换器以及显示模块等组成。系统整体架构如图1所示。

　　2 系统硬件设计

　　2.1 传感器模块设计

　　传感器是将外界输入的被测量信号变换成电信号的元器件或装置[9]。本系统使用了3种传感器：红外传感器、压力传感器和温度传感器。

　　(1) 红外传感器：选用美热电堆红外测温传感器。该传感器是一种较为可靠精确的气体传感器，可直接感应热辐射。

　　(2) 压力传感器：选用NPC?1210系列固态压力传感器，其满量程输出为 　　100 mV，测量精度±0.1%。

　　(3) 温度传感器：选用Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820。此传感器可以适应较为恶劣的环境，抗干扰性强，且体积更小，更灵活方便。

　　红外线光源发出周期性的射线脉冲，首先射入气体采样室，然后通过红外滤光片，此滤光片由CO、CO2、HC和基准信号光片组成，所以当红外滤光片旋转一圈，便依次将各滤光片分别送进采样室一次，由于传感器接收到变化的光强，最终在光电池上形成交变电压。若所含气体的浓度越小，在光电池上形成的交变电压幅值越大，反之越小[10]。根据电压幅值前后变化和此时的大气压和温度数值，经压力和温度补偿后，通过计算便可得到汽车尾气中污染物CO、CO2和HC的浓度。

　　2.2 信号处理模块设计

　　信号调理的目的是对传感器输出的电信号进行处理以满足后继环节的需要[11]，一般包括放大、滤波、整形和检波信号转换等环节。

　　信号调理电路由CO、CO2、HC和基准信号4路组成，包括放大电路、二阶有源低通滤波放大电路和电压跟随器等[12]。不同之处在于放大系数略有差异，文中仅以CO2信号的调理电路(如图2所示)为例，简述系统的信号处理模块设计思路。

　　由于传感器采集到的信号非常弱，所以需要进行放大。其放大倍数可用以下公式计算：

　　[Auf=1+R2R1=1 001] (1)

　　CO2信号先经过正相放大1 001倍，但是经过前置放大后的信号幅值较小，且夹杂干扰信号，所以需要做进一步的放大和滤波。同时为了消除信号源内阻可能造成的影响，增强信号源带载能力，还需增加一个电压跟随器。因为电压跟随器输入电阻很大，输出电阻非常小，所以将其作为阻抗变换。经过信号调理电路产生的模拟信号需经过A/D转换，以便于MCU进行分析和处理。系统采用12位A/D转换芯片TLC2543，转换器与微处理器直接相连，简化了布线，软件采用了SPI串行通信协议。其接口连接图如图3所示。

　　图2 信号调理电路

　　2.3 显示模块设计

　　采用LCM240128ZK型液晶显示器，该显示器中内含7 602个简体中文字型，支持4/8位6800/8080MPU接口，可根据实际需要任意设置其窗口的大小和位置。利用8路同相三态双向总线收发器 74LS245芯片驱动，当片选信号以及方向信号引脚为低时，接收数据。系统运行前，首先要完成显示的初始化，如设置屏面的坐标系原点、屏幕显示范围、显示类型和运行方式等。

　　3 系统软件设计

　　本系统采用AVR Studio+WinAVR高级语言开发平台进行编程，主要由数据采集、数据处理、传感器标定、通讯打印等模块组成。系统程序先是系统初始化，然后进入标定程序，并分别判断是否需要检查、通信和打印，如不需要，便回到系统的初始化阶段，如图4 (a)所示。

　　ATMEGA8L内部集成有异步串行通信接口USART、同步串行接口SPI以及两线串行接口TWI，其中USART一般用于板级芯片之间以及系统之间的通信;SPI和TWI接口主要用在系统板上芯片之间的短距离通信，但是TWI通信对时序要求更严格，而且协议也相对复杂。因此，本文中ATMEGA8L与TLC2543采用SPI通信，程序流程图如图4(b)所示，其中SPI通信是在同步时钟作用下进行串行移位，串行时钟SCK速率设置为系统时钟的128分频，而ATMEGA8L的 [SS]引脚会影响到SPI的工作方式，在初始化中设置为输出方式。

　　图4 整体流程图和ATMEGA8L与TLC2543 SPI通信流程图

　　为了能较为精确地获取得外部输入进来的模拟信号，需要循环读取TLC2543数据，每组读取8次数据，并将8次所得到的值进行平均化处理，将此作为模数转化的一次结果，发送并保存至缓冲区中。TLC2543在同一时刻可以接收上次所得的数据，并将此次的通道地址发送出去。

　　TLC2543内部有输入和输出2个数据寄存器。加电后，片选信号必须从高到低，才能开始一次的工作周期，模/数转换结束标志DRDY为低，输入数据寄存器置0，输出数据寄存器内容随机。开始时，片选信号为高，禁止I/OCLOCK、DATA INPUT，DATAOUT呈高阻状态，DRDY为低; 片选信号变低，I/O CLOCK、DATA INPUT使能，DATAOUT脱离高阻状态。12个时钟信号依次加入I/O CLOCK端，并随着时钟信号的加入，当其时钟处于上升沿时，在DATA INPUT将控制字送给TLC2543芯片，按高位低位逐位送入，同时对应地在DATAOUT处将前一周期的转化结果，以同样的方式传输给 ATmega8L单片机。在4个时钟信号之后，可以保证TLC2543芯片收到了通道信息，因此，此时TLC芯片便开始采样此通道的模拟量，一直到第12 个时钟之后结束采样。

　　通常情况下，为了保证采样后的信号在一段时间内不发生变化，需在数据采集器的模拟转换器ADC前加一个采样保持放大器。在第12个时钟的下降沿，DRDY变高，进行本次采样的模拟量的A/D转换，转换时间约需10 μs，转换完成DRDY变低，将转换的数据存在输出数据寄存器中，等待下一个工作周期输出。本系统通过标准气体进行对比检测分析，并经过对大气压力和温度补偿处理后得到汽车尾气中污染物的最终检测数据。浓度分别为4%，35%，3 500 ppm的CO、CO2和HC的标准气体实验，经过多次测量求平均值，检测到CO的浓度为4.02(1±0.10%)，CO2的浓度为 34.95(1±2.10%)，HC的浓度为3 525 ppm±13 ppm。由此可见本系统有较高的稳定性和测量精度。

　　4 结 语

　　本文根据国内汽车尾气检测的现状，通过理论分析和试验研究相结合的方法，实现了汽车尾气排放物测试系统的开发。本测试系统基于AVR单片机技术，可以方便检测汽车尾气中CO、CO2和HC的浓度。实验结果表明该系统具有较高的稳定性和测量精度，检测结果既可以用于监测和评价机动车的性能，也可以为治理当前日益严重的汽车尾气污染问题提供参考数据。另外利用液晶屏的优点，可 向用户提供丰富的信息，更加方便用户的使用。

　　参考文献

　　[1] 莫耀祖，邓海英，韩志刚.我国城市汽车排放污染现状及其治理[J].中南林学院学报，2004，24(1)：63?66.

　　[2] 陆三兰，李本宴，黄光明.新型便携式汽车尾气检测仪[J].仪表技术与传感器，2007(8)：14?15.

　　[3] 刘双喜.汽车排放法则与检测技术[J].世界汽车，2004(7)：62?63.

　　[4] 甘宏，潘丹，张洪春.便携式非分光红外吸收型二氧化碳传感器[J].桂林电子科技大学学报，2007，27(1)：19?22.

　　[5] 王海棠，黄琦兰，刘尚.基于 NDIR 法汽车尾气分析仪的设计与实现[J].天津工业大学学报，2007，25(6)：48?50.

　　[6] 方锡邦.汽车检测技术[M].北京：高等教育出版社，2003.

　　[7] 王锡芳，任燕，李国晋，等.基于 AVR 单片机的多通道温湿度传感器检定系统[J].现代电子技术，2011，34(13)：120?122.

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