汽車尾氣中CO檢測裝置研制

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一、幾種檢測方法的比較

常用的檢測汽車尾氣的方法有很多種，如瞬態加載工況法、穩態加載工況法、雙怠速法和遙感檢測法。

利用瞬態工況檢測方法測量汽車尾氣污染物時，測量的結果在精度和準確度上都要比其它兩種方法準確。同時這種方法還可以實時的檢測出汽車尾氣在實際情況下的排放量，而其它兩種方法只能檢測出汽車排出氣體污染物的濃度值，要想知道汽車尾氣的排放量還要通過計算公式計算。雖然瞬態工況檢測法有以上優點，但是它還是存在操作步驟麻煩、資金投入大等不足。

穩態加載工況法檢測方法測量汽車尾氣污染物時，穩態工況檢測法不僅可以檢測汽車排放氣體中HC、CO氣體的濃度而且還可以檢測NOX氣體濃度值，但是汽車在道路上行駛的過程中油門和車速是不斷改變的，本文檢測的主要為尾氣中的CO氣體，所以本文不建議選用穩態加載工況法。

遙感檢測法是利用紅外檢測裝置對正在行駛中的汽車進行尾氣污染物的測量，這種方法叫做遙感檢測法。這種檢測方法可以檢測出汽車尾氣排放的氣體是否超出標準，一旦檢測出氣體超出標準，此時攝像機就會將車輛的車牌拍下來，這種測量方法在很多城市中得到應用，但是隨著越來越多的汽車安裝了三元催化裝置，這種方法也就慢慢的被淘汰掉了。

在普通怠速轉速和高怠速轉速兩種空轉轉速下對汽車排放的污染物進行測量這種方法叫做雙怠速法。自從20世紀80年代以來，許多國家為了更有效地檢測排放控制系統和供油系統的運行狀態而采用了雙怠速法對汽車尾氣進行檢測。雙怠速法相對于其它兩種檢測方法來說，它具有成本低、操作簡單、實用性和靈活性更強、檢測速度更快等優點。通過上述檢測方法的比較，我們選用雙怠速法對汽車尾氣中的CO氣體進行測試。

二、總體方案設計

本文設計汽車尾氣中CO氣體檢測裝置，主要由軟件設計、硬件設計兩部分組成。在硬件方面的設計，首先提出檢測裝置硬件設計的總體方案，隨后對STM32最小系統進行設計、對報警顯示模塊進行設計、對數據采集模塊進行設計、對串口通訊模塊進行設計等。軟件設計部分主要為STM32的編程和PC機端應用軟件的程序設計。本文重點介紹硬件的設計。

檢測裝置的功能旨在檢測汽車排氣中CO氣體的濃度值和環境的溫度值，CO傳感器直接與汽車尾氣中排放的氣體進行反應，產生微弱的電信號，經過LM358芯片放大后，將數據送入到STM32內部的ADC通道進行處理，同時將采集到的CO濃度值和環境的溫度值都顯示在TFT LCD液晶屏上。將采集到的氣體濃度值與設定好的閾值進行比較，如果超標則蜂鳴器報警。同時利用雙怠速法對檢測裝置進行現場測試，并對采集的數據進行分析，整個流程和操作步驟得到精簡，使得檢測的成本和檢測的時間得到了降低。

三、硬件總體設計方案

硬件的設計是整個檢測裝置設計的基礎，檢測裝置硬件電路的核心控制器選擇的是STM32系列的單片機，CO傳感器和溫度傳感器將采集到的數據送到STM32單片機進行處理，STM32單片機將采集到的數據進行存儲和顯示，采集到的數據超過閾值時蜂鳴器報警，檢測裝置通過串口通訊電路與上位機進行通訊。

硬件設計包括STM32最小系統設計、溫度傳感器模塊、數據采集模塊設計、顯示報警模塊設計、串口通訊模塊設計。

(一)微處理器的選擇。微處理器是整個檢測裝置的核心部分，文中采用STM32系列單片機完成數據的采集處理以及整個系統的控制。檢測裝置將各個傳感器檢測的數據傳入到微處理器，然后由微處理器來完成數據的運算、處理和控制等。

(二)數據采集模塊設計。傳感器的選擇在整個檢測裝置中發揮著重要的作用，因此傳感器的選擇必須符合檢測要求。本文主要是檢測尾氣中的CO氣體，選用CO檢測傳感器并進行數據的處理。半導體氣體傳感器具有很好的靈敏度，價格上便宜，而且可以適應多變的環境，能夠符合大部分檢測系統的要求，文中選用MQ-7型傳感器。CO數據采集模塊在工作時，CO濃度越大，SnO2薄膜層阻值越小，隨著CO濃度的增大，輸出的電壓會隨之增大。

采集到的CO濃度信號通過雙運算放大器LM358芯片進行放大，并將采集到的數值送入到STM32中的ADC通道進行處理。

(三)溫度檢測電路設計。溫度檢測選用DS18B20傳感器，它為單總線接口的溫度傳感器，擁有多種封裝形式、且體積小、功耗低，并且它能夠適應不同的檢測系統，其具體指標的測量范圍為-55℃-+125℃，精度為±0.5℃，工作電壓為3V-5.5V，它與單片機僅需要三根引腳就能連接，這些優點要遠遠超過熱敏電阻等測溫元件。

(四)顯示模塊設計。電路設計本文采用2.8寸的TFTLCD模塊作為下位機的顯示工具，TFTLCD被稱為薄膜晶體管液晶顯示器，TFTLCD模塊支持65K色顯示，顯示分辨率為320×240，自帶觸摸屏。本文選擇ILI9341作為控制器，該液晶控制器自帶顯存，在18位模式下為26萬色的顯存量，TFT LCD液晶屏便可以顯示檢測裝置采集的數據。

(五)報警電路設計。當檢測到的氣體濃度超過我們設定的閾值時，通過報警電路可以提醒人們氣體濃度超標，報警電路由蜂鳴器、S8050、1K和10K電阻組成，本文選用有源蜂鳴器，將BEEP引腳直接接在芯片的PB8引腳上，這樣可以避免在MCU復位時，蜂鳴器可能亂發聲音的現象。

四、測試結果

數據采集模塊測試汽車尾氣中排放的CO含量在0-100ppm以內時，排放的CO含量符合排放標準，汽車尾氣中CO含量處于相對無污染狀態，蜂鳴器不報警，當汽車尾氣中排放的CO含量超過100ppm時，排放的CO含量不符合排放標準，尾氣中CO含量處于污染狀態，蜂鳴器報警。

五、結束語

但是由于時間和實驗條件的限制，本文設計的檢測裝置還有很多需要完善和改進的地方。汽車排氣存在一定的溫度，本文沒有考慮因排氣溫度過高對檢測裝置的影響，在以后應增加一些溫度補償電路，減少因汽車排氣溫度過高對檢測裝置產生的影響。將來的設計中可以將檢測裝置與CO傳感器分離，減少因汽車排氣溫度過高對檢測裝置的影響。在實際測試的過程中，汽車尾氣中不僅有CO氣體排出，還會有水排出，未來會考慮對檢測裝置做防水處理。環境中的風速、濕度等都會對檢測結果造成影響，在日后可增加這些方面傳感器的使用，使檢測裝置更加完善。