基于氮氧傳感器的NOx氣體測量儀設計*

徐 景， 龔雪飛， 張 帆， 簡家文

(寧波大學 信息科學與工程學院,浙江 寧波 315211)

基于氮氧傳感器的NOx氣體測量儀設計*

徐 景， 龔雪飛， 張 帆， 簡家文

(寧波大學 信息科學與工程學院,浙江 寧波 315211)

針對工業燃燒環境，以NGK車用通用氮氧(UniNOx)傳感器為檢測元件，C8051f040單片機為微控制器，采用SAE—J—1939協議作為CAN通信標準，設計了一種NOx氣體測量儀。通過實驗模擬工業燃燒的NOx氣體環境，對測量儀的性能進行了實驗驗證和相應的理論分析。研究結果顯示：該測量儀可用于溫度為0～750 ℃、范圍為(0～1000)×10-6的不同NOx氣體體積分數測量，測量誤差控制在5.7 %以內，并且受溫度影響較小，滿足工業燃燒環境中NOx檢測的要求，實現了車用傳感器向工業現場的應用移植。

通用氮氧傳感器； 微控制器； SAE—J—1939； 測量儀

0 引 言

空氣中的氮氧化物(NOx)會形成酸雨、光化學煙霧，也是最近幾年霧霾天氣惡化的因素之一。據資料統計，有50 %的NOx來源于汽車尾氣排放，而另外的40 %來源于固定點的工業燃燒，對于NOx的檢測和治理已經成為世界所關注的熱點。傳統的NOx檢測方法(如Saltzman法、化學發光法、色譜法)具有靈敏度高、檢出限低的優點，已在工業燃燒環境中使用，但由于裝置復雜、價格昂貴，不便于汽車上的安裝[1,2]。而電化學NOx傳感器則實現了汽車尾氣中NOx的簡便、快速、連續檢測，并在汽車電子行業得到廣泛應用，但在工業燃燒環境檢測方面，卻很少見到采用NOx傳感器設計能進行連續檢測,且成本低廉的NOx氣體檢測裝置[3,4]。

本文針對工業現場NOx氣體監測的需要，采用NGK公司生產的汽車智能通用氮氧(universal NOx,UniNOx)傳感器為檢測元件，C8051f040單片機為微控制器，通過CAN總線傳輸方式，設計了一種用于工業燃燒環境的NOx氣體測量儀。

1 UniNOx傳感器

在汽車SCR處理技術中，通過對尾氣中NOx含量的測量，進而控制氨氣的注入量，實現對有害氣體的轉換。UniNOx傳感器用于汽車尾氣中(0～1 500)×10-6體積分數范圍內的NOx檢測，可以在0～800 ℃的溫度下工作。

圖1 傳感器結構原理圖

通過泵氧反饋電路中的電壓V0,V1,V2可以檢測各個空腔中的O2體積分數。氧泵電池根據泵氧反饋電路中的電壓大小，調節泵氧能力。UniNOx傳感器自身帶有電控單元，包括相應的傳感器控制，信號處理和CAN通信等功能。應用層采用SAE—J—1939協議。

2 SAE—J—1939協議

SAE—J—1939是美國汽車工程協會(SAE)的推薦標準，用于為中重型道路車輛上電子零部件間的通信提供標準的體系結構。SAE—J—1939利用CAN總線中擴展幀29位標識符實現了一個完整的網絡定義[7～10]。數據幀是以協議數據單元(PDU)形式進行傳輸的，PDU將29位標識符劃分為6個部分：分別是優先級(P)、保留位(R)、數據頁(DP)、PDU格式(PF)、特定PDU格式(PS)和源地址(SA)。SAE—J—1939的29位標識符如表1所示。

表1 SAE—J—1939的29位標識符

29位標識符理論上可以表示成229種消息類型，但SAE—J—1939并沒有這樣對信息分類，而是采用PGN(para-meter group number)的概念對整車信息進行分類管理。PGN是由24位的二進制數構成，其中6位為0，1位保留位，1位數據頁位，8位PDU位，8位特定PDU位。根據PGN可以計算出各個電子零部件的標識符，位于汽車尾氣處理上的UniNOx傳感器：

PGN：61454(0x00F00E)

P：6

DP：0

SA: 51

因此，UniNOx傳感器標識符為18F00E51h。

3 測量儀的軟硬件設計

3.1 主要的硬件設計

考慮UniNOx傳感器采用CAN總線傳輸方式，該測量儀選用C8051F040單片機為微處理器。C8051F040單片機內部集成Silicon Labs CAN控制器，Silicon Labs CAN符合Bosch全功能CAN2.0B規范，支持29位標識符的擴展幀傳輸，外接CAN驅動器與UniNOx傳感器可以很方便地實現CAN通信。測量儀的功能模塊圖如圖2所示。

圖2 測量儀的功能模塊圖

在CAN通信中，采用SN65HVD230芯片作為CAN驅動器。CAN驅動器將發送的電平信號轉變為符合CAN物理層標準的信號，并進行放大傳輸到總線上；同時將總線上的信號轉變為控制器所能接收的電平信號。為了保證CAN通信的穩定性，需要在CAN總線兩端匹配一只120 Ω電阻器。LCD顯示采用1602液晶芯片，單片機通過模擬時序實現對LCD的顯示控制。在串口通信中，采用SP3223E芯片。通過RS—232串行總線，單片機向PC實時發送測量的NOx和O2體積分數，實現電腦對NOx氣體測量儀的監控和記錄。主要的硬件原理圖如圖3所示。

圖3 硬件原理圖

3.2 軟件設計

3.2.1 CAN位速率配置

所有數據發送和接收過濾的協議處理全部由CAN控制器完成，不用CIP—51干預。CIP—51通過特殊功能寄存器配置CAN控制器，讀取接收到的數據和寫入待發送的數據。CAN控制器位定時寄存器設置不當，將使得單片機無法按照期望的位速率接入CAN網絡，導致單片機與UniNOx傳感器之間無法正常通信。根據CAN 2.0B規范，一個位時間(1/位速率)被分成4個時段，即Sync_Seg,Prop_Seg,Phase_Seg1和Phase_Seg2。Sync_Seg要求一個CAN電平邊緣出現，Prop_Seg用于補償網絡內的物理延時時間，Phase_Seg1和Phase_Seg2用于補償跳變沿的相位誤差。這些時段之和決定CAN網絡的位時間，即Sync_Seg+Prop_Seg+Phase_Seg1+Phase_Seg2=位時間。每一個時段由多個特定的可編程決定的量子時間組成。作為位時間的時間基本單元，一個量子時間定義為tq=BRP/fsys。其中，BRP為波特率預分頻器，fsys為CAN系統時鐘的頻率。

UniNOx傳感器期望的位速率為250 kB/s，即位時間為4 000 ns。C8051F040單片機采用外部振蕩器二分頻，則fsys=22.1184 MHz 2=11.0592 MHz。而位時間由4～25個時間量子組成，設置BRP=4，可得tq=4/11.0592=361.69 ns，因此,近似的位時間為11tq(3978.59 ns)，即實際位速率為251.345 kb/s。Sync_Seg固定為1tq，Prop_Seg必須大于或等于400 ns的傳輸延時，因此,Prop_Seg=2tq。又由于Phase_Seg1+Phase_Seg2為偶數，因此,Phase_Seg1=Phase_Seg2=4tq。根據如下公式，可求出CAN控制器位定時寄存器各個參數(TSEG2,TSEG1,SJWP,BRPE)的值

SJW=min(4，Phase_Seg1)=4,

(1)

TSEG2=Phase_Seg2-1=3,

(2)

TSEG1=Phase_Seg1+Prop_Seg-1=5,

(3)

SIWP=SJW-1=3,

(4)

BRPE=BRP-1=3.

(5)

因此，可以將位定時寄存器設置為TSEG2×0x1000+TSEG1×0x0100+SJWP0x0040+BRPE=0x35C3。

3.2.2 軟件程序設計

系統上電后，首先對單片機端口、振蕩器進行配置，然后對CAN控制器寄存器進行CAN初始化，UniNOx傳感器與單片機標識符配置。采用按鍵操作，單片機給電控單元發送啟動指令使傳感器工作。作為CAN數據幀中的數據傳輸，啟動指令之后需要每隔一段時間自動發送一次，并且重復發送時間不得超過300 s。當UniNOx傳感器正常工作時，單片機從電控單元接收傳感器數據，然后把數據編碼值轉換成氣體體積分數在LCD上顯示，并通過串口發送給PC。如果NOx氣體體積分數超過規定的上下限，產生報警顯示。圖4為程序流程圖。

圖4 軟件程序流程圖

4 實驗結果與分析

4.1 模擬環境

在實驗過程中，通過多通道流量計對50.1 %O2+余N2,1000×10-6NO+余N2和99.99 %純N2三種氣體進行動態配置，獲取不同NOx體積分數的氣氛。氣體流經溫度可控的密封測試腔，實現對工業燃燒環境的NOx氣氛模擬。模擬環境參數如下：

1)氣體流量:200 cm3/min;

2)氣體溫度:0～750 ℃;

3)O2體積分數可調范圍:0～10 %;

4)NOx體積分數可調范圍:(0～1000)×10-6。

4.2 實驗結果與分析

表2 在350 ℃下，不同NOx氣體體積分數的測量值

實驗對配置有2 %O2的氣氛，還模擬了溫度對NOx測量儀性能的影響。表3為測量儀在不同溫度下，同一NOx氣體的測量值。從表3可以看出：溫度在350，500，750 ℃，隨著氣體溫度的升高，對于每一個確定的NOx氣體體積分數，該測量儀的測量值減小。計算可得在350，500，750 ℃，最大相對誤差分別為4.6 %，5.4 %，6.5 %，測量誤差相應增大，但總體受溫度影響較小。

表3 不同溫度下同一NOx氣體體積分數的測量值(2 % O2)

5 結 論

采用應用于汽車尾氣處理上的UniNOx傳感器，設計了一種用于工業燃燒環境的NOx氣體測量儀。結果表明:該測量儀的軟硬件設計穩定可靠，可用于溫度在0～750 ℃、范圍為(0～1000)×10-6的不同NOx氣體體積分數測量，測量誤差控制在5.7 %以內，受溫度影響較小。另外，通過CAN總線傳輸方式，數據傳輸速度快，傳輸距離遠，并且抗干擾能力強，便于工業燃燒環境中NOx氣體的監測，實現了車用傳感器向工業現場的應用移植。

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Design of NOxgas measuring instrument based on nitrogen oxygen sensor*

XU Jing, GONG Xue-fei, ZHANG Fan, JIAN Jia-wen

(College of Information Science and Engineering,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

Aiming at industrial combustion environment,adopt NGK universal NOx(UniNOx) sensor as detecting element and C8051f040 as microcontroller,use SAE—J—1939 protocol as CAN communication standard,design a NOxgas measuring instrument.Simulate NOxenvironment of industrial combustion through experiment,experimental verification and theoretical analysis on performance of measuring instrument.The research result shows that it can be used at temperature range of 0～750 ℃,and measurement range of NOxis(0～1000)×10-6.the measurement error can be controlled within 5.7 % and less affected by temperature changes,the measuring instrument meets the needs of NOxdetection in industrial combustion environment,implement automotive sensor in industrial field become possible.

UniNOxsensor; microcontroller; SAE—J—1939; measuring instrument

10.13873/J.1000—9787(2015)03—0090—04

2015—01—07

國家自然科學基金面上資助項目(61471210)；浙江省科技廳重大科技專項和成果轉化工程項目(2011C16037)

TP 216

A

1000—9787(2015)03—0090—04

徐 景(1989-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，主要研究方向為氣體傳感器信號處理與儀器儀表設計。