汽车尾气检测系统的设计
汽车尾气检测系统的介绍
本检测系统采用不分光红外分析(NDIR)法测量CO、HC和C02。此方法是建立在惰性气体不吸收红外线能量，而异原子组成的气体如汽车尾气中的CO、HC、C02等均能吸收一定波长的红外线能量的基础上。其吸收能量的红外线波长称为特征波长，吸收强度用吸收系数反映。当红外线通过气体时，由于气体对红外线波段中特征波长红外线能量的吸收，红外线的能量将减少，其减少量与气体浓度、气体室厚度和吸收系数有关，它服从朗伯-比尔定律。
根据上述原理制成的红外气体分析装置如图4-1所示。红外线光源发出的红外线的波长在2～7μm之间，红外线经过取样室后，通过旋转的红外滤光片(红外滤光片分CO、C02、HC和基准信号四个光片组成)到达光电池产生电信号，由图4-1红外气体分析装置结构原理所示，当旋转的红外滤光片旋转一周，CO、C02、HC和基准信号四个滤光片分别通过取样室下方一次，这样在光电池上产生两个正半周期的正弦波形。本系统的电机转速为120转/分。气体的浓度越高，波形幅值越小，反之越大。根据通入气体前后的幅值变化，可以得到尾气各组分含量的检测结果。
系统硬件构成分析及抗干扰措施
(一)系统硬件构成分析
由于温度和压力对检测结果的影响比较大，这就要求研究人员在设计和升级产品时采用硬件和软件干扰措施抑制这些现象。传感器直接产生的模拟信号一般都比较微弱，并且有干扰信号，必须对它们进行放大、滤波，并有效地排除于扰信号。传感器产生的信号较弱，需要把信号放大和滤波之后才能进行A/D转换。微处理器在键盘的控制下进行显示、通讯、打印、抽气、排气等操作。下面分别介绍系统几个主要硬件模块的组成和器件的选择。
传感器：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。它作为信息获取的工具和手段，在测量控制型智能仪器中占据了极其重要的地位。传感器能转换信息存在的能量形式，通常是将其他能量形式转换成电量形式，以便进一步加工处理，传感器的输出往往总是电信号。这主要是由于电信号较容易放大、反馈、滤波、积分、微分、存储及远距离传送等操作。传感器精度的高低是影响测控系统精度、可靠性和成本的重要因素之一。在精度、可靠性满足系统要求的情况下，选择价格适宜的传感器。
红外气体传感器：本系统使用的是美国PerkinElemer公司的红外气体传感器。该传感器可同时检测CO、C02和HC(特别是C2H6，C3H8)的含量，还提供一个基本信号。
大气压力传感器：使用美国IC Sensors公司的HIT-1210型压力传感器，选用量程0～15Psi。1210型是通用的固态压阻式压力传感器，为双列直插封装结构(DIP)。适合于要求长期稳定性好、成本低而且使用批量大的场合。
A/D转换：微处理器能处理的信号应是数字信号，因此，在智能仪器的输入通道中加入能把模拟信号转换成数字信号的芯片即A/D转换器。使用A/D转换器时应先根据输入通道的总误差，选择A/D转换器的精度及分辨率。根据信号对象的变化率及转换精度要求，确定A/D转换速度，以保证智能仪器的实时性要求，对快速信号必须考虑采样。在选用A/D转换器时还应考虑智能仪器所处的环境选择A/D转换器的环境参数。不同A/D转换器有不同的输出状态，应根据计算机的接口特性选择输出状态。A/D转换器与微处理器的接口一般要完成的操作有微处理器发出启动转换信号，微处理器取回转换结束状态信号，读取转换的数据。任何信号的A/D转换器可以同任何型号的微处理器接口，但其接口形式随A/D转换器的型号，以及A/D转换速度、分辨率的要求不同而有所差异。
硬件电路的抗干扰措施
近年来，随着汽车尾气排放法规要求的进一步加强和汽车尾气分析仪的广泛应用，并有效地控制了尾气排放对大气污染的影响。但是，汽车尾气分析仪的工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其应用的可靠性、精确性就成为一个非常突出的问题。系统必须长期稳定、可靠地进行，否则将导致误差加大，严重时会使系统失灵。
要形成干扰，必有三个因素，即干扰源、耦合通道和敏感电路。它们之间的联系如图4-2所示。干扰源产生的电磁干扰信号，通过电路或者磁路的传播和耦合，对易受干扰的电路或器件产生影响，使之工作异常。
为消除和抑制干扰，就要针对这三个因素采取措施。对于干扰源，要尽量消除，不能消除的，则通过隔离、滤波等措施，尽量减弱其发出的干扰信号的强度;对于干扰的藕合通道，要切断或采用滤波、选频、屏蔽等技术进行抑制：对于对干扰信号敏感的电路或元件，要采用合理接地和退耦、滤波等措施提高电路或元件的抗干扰能力。
在本系统中，主要采用了以下方法来防止干扰。
首先是滤波技术。滤波器对噪声、干扰等进行抑制或衰减，特别是对由导线传导耦合到电路中而又具有一定频率特征的干扰信号，具有十分明显的效果。在本课题中，在所有集成元件的电源部分，均并联一只0.1uF的电容，滤除从电源窜入的干扰。在信号调理电路中使用了有源滤波器。
其次是光电隔离技术。光电隔离是由光电耦合器件完成的。光电耦合器件是70年代发展起来的新型电子元件，是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。开关量输入电路接入光电藕合器之后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路中的一侧。除此之外，还能起到很好的安全保障作用，因为在光电耦合器的输入回路和输出回路之间有很高的耐压值，达500V~1000V，甚至更高。由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行耦合，而是以光为媒介进行间接祸合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。本文在单片机对排气泵和换向阀的控制中，采用了光电隔离电路，以消除220V电源的继电器产生的强电流导致的干扰。
再次是采用印制电路板抗干扰措施。加粗地线能降低导线电阻，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。使电源线、地线的走向与数据信息传递方向一致。满接地，即在印制板上除供传输信号用的印制导线外，把电路板上没有被器件占用的面积全做为接地线等措施。
系统软件设计
(二)软件的控制部分
红外汽车尾气分析仪的程序是由MCS.51单片机汇编语言编写，主要由以下六个模块组成：
(1) 数据采集模块。完成气泵控制和汽车尾气各组分的数模转换。
(2) 数据处理模块。对数据进行补偿，消除大气压力和温度对它的影响。
(3) 传感器标定模块。先通入标准气体，记录检测结果，制成表格写入程序。在实际检测时，通过查询表格或计算得实际测试值。
(4) 液晶显示模块。对各组分的测量结果进行实时显示。
(5) 与PC机的通信模块。包括接受应答信号和设定参数，发送采集数据等。
(6) 打印检测结果模块。
(三)红外传感器数据的采集
启动气泵进行抽气，尾气在通过气室的同时，红外传感器产生微弱的电压信号。信号经过信号调理电路后进入AD7895。红外传感器同时产生HC、CO2、CO和基准信号等四种信号，所以需要配置四个AD7895。AD7895的时序图如图4-4。
由于四种信号同时产生，所以需要把四个AD7895的SCLK引脚连到单片机的同一个引脚P1.4;把四个AD7895的/CONVST引脚连到单片机的同一个引脚P1.7;AD7S95的DOUT端分别接在单片机的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3。由于在检测过程中，传感器中的滤光片是旋转的，所以产生的电压信号是类似于正弦波形的。计算过程中需要取出该信号的峰值差。为减小干扰的影响，在编写程序时，采用滑动滤波和平均滤波等方法计算。
