車載多組分氣體分析儀軟硬件設(shè)計(jì)

摘 要：本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于NDIR技術(shù)的車載多組分氣體分析儀設(shè)計(jì)，旨在應(yīng)對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)環(huán)境和人體健康造成的影響。采用紅外吸收法，選定特定氣體吸收譜線，結(jié)合Lambert-Beer定律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SO2和NO氣體的精確測(cè)量。設(shè)計(jì)涵蓋了氣路系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、電路系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)，采用MIRL17-900紅外光源和高靈敏度傳感器確保了測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。軟件方面，通過Keil uVision4 C51環(huán)境進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并應(yīng)用中值平均濾波算法提高測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該分析儀的有效性，表明其能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)多種氣體濃度，為機(jī)動(dòng)車尾氣排放監(jiān)測(cè)提供了一種可靠工具。

關(guān)鍵詞：NDIR 氣體分析儀 檢測(cè) 軟件

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車尾氣污染已成為城市空氣質(zhì)量惡化的主要原因之一，因此監(jiān)測(cè)和控制尾氣排放對(duì)改善空氣質(zhì)量至關(guān)重要[1]。本文通過深入分析現(xiàn)有的機(jī)動(dòng)車尾氣監(jiān)測(cè)技術(shù)，提出了一種新的檢測(cè)方案，以提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。文中利用紅外吸收法和Lambert-Beer定律，通過選擇特定氣體的吸收譜線精心設(shè)計(jì)了氣路系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和電路系統(tǒng)。軟件方面，采用中值平均濾波算法和Keil uVision4 C51編程環(huán)境優(yōu)化數(shù)據(jù)處理，確保了數(shù)據(jù)的高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該分析儀能有效監(jiān)測(cè)多種有害氣體，具有操作簡便、測(cè)量精確和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，滿足現(xiàn)代機(jī)動(dòng)車尾氣監(jiān)測(cè)需求。

1 紅外氣體分析儀硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)包括三個(gè)主要系統(tǒng)：光路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和氣體處理系統(tǒng)。光路系統(tǒng)由LED光源、銅管氣室、石英凸透鏡和探測(cè)器組成。電路系統(tǒng)包括電源降壓電路、探測(cè)與放大電路、信號(hào)處理采集電路和顯示電路。氣體處理系統(tǒng)則包含抽氣泵和氣體過濾器等[2]。針對(duì)SO2和NO的吸收峰，選擇了MIRL17-900型紅外光源，該光源具有寬輸出譜（1～20微米）、高發(fā)射效率和快速反應(yīng)時(shí)間。對(duì)于特定氣體吸收帶的檢測(cè)，選用了TPS2534和LME335熱釋電紅外探測(cè)器，這些探測(cè)器配備熱敏電阻器和紅外帶通濾波器，以精確響應(yīng)。氣體處理部分使用了抗酸性腐蝕的ABS或PVC材料，并將氣室涂覆二氧化鈦以防氣體腐蝕，氣室長度設(shè)為50mm，以優(yōu)化光源與探測(cè)器位置，提升測(cè)量精度[3]。

本檢測(cè)儀核心電路硬件部分采用32位ARM微處理器STM32F103VET6作為主控芯片。該32位ARM微處理器具備高性價(jià)比、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的內(nèi)部資源和多樣的通訊接口。供電電路方面采用7805三端穩(wěn)壓芯片將12V電源轉(zhuǎn)換為5V輸出，同時(shí)，通過IC1將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V輸出，以供給單片機(jī)和其他低壓設(shè)備。電路圖如圖1和圖2所示。

預(yù)放大電路需具有較高的精度，較低的漂移和較快的響應(yīng)。因此需采用高精度，低漂移，窄帶濾波器的模擬放大器。綜上所述本文采用LM358N雙運(yùn)算放大器來進(jìn)行放大。電路圖如圖3所示。

經(jīng)放大后的兩個(gè)密度信號(hào)要用模擬數(shù)字變換后再送入微處理器進(jìn)行處理。精度指標(biāo)的確定，很大程度上依賴于模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的個(gè)數(shù)。通過對(duì)ADC0832的性能測(cè)試，進(jìn)行了A/D變換，該芯片在32微秒內(nèi)完成了對(duì)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，并通過雙輸出的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，減少了誤差，同時(shí)，它的轉(zhuǎn)換率和穩(wěn)定性都很好。采用獨(dú)立的晶片，便于多臺(tái)裝置的聯(lián)接及控制。

2 多組分氣體檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用KeiluVision5軟件開發(fā)平臺(tái)，軟件結(jié)構(gòu)采用基于固件庫的編程方式，主要模塊包括數(shù)據(jù)采集、校準(zhǔn)和通訊等，支持多種通訊協(xié)議如串口和CAN總線，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景[4]。如圖4所示。

單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的采集流程圖如圖5所示。其中二氧化硫，一氧化氮分別采用的是ADC2的channel1和channel2。檢測(cè)儀能夠?qū)/D轉(zhuǎn)換所得的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波、溫度補(bǔ)償、擬合函數(shù)等操作，進(jìn)一步通過數(shù)據(jù)反演將信號(hào)轉(zhuǎn)化為各氣體的濃度。

本文所使用的STM32F105RCT6單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換為12位的逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它有多達(dá)18個(gè)通道，可測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。

在氣體檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)中，原始數(shù)據(jù)在通過A/D轉(zhuǎn)換過程中經(jīng)常受到噪聲干擾，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了提高檢測(cè)儀的精度和抗干擾性，進(jìn)行了對(duì)探測(cè)器A/D模擬信號(hào)特性的分析。分析發(fā)現(xiàn)氣體濃度和其他參數(shù)如溫度和流量隨時(shí)間變化較慢。因此，在軟件設(shè)計(jì)階段采用了中值平均濾波算法來處理A/D轉(zhuǎn)換中的干擾信號(hào)，有效提升了多組分氣體檢測(cè)儀數(shù)據(jù)采集模塊的性能。

在檢測(cè)儀測(cè)量氣體之前，為了確保其檢測(cè)的準(zhǔn)確度，都需要進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定來消除檢測(cè)儀的零點(diǎn)漂移，本檢測(cè)儀的自動(dòng)校準(zhǔn)程序流程如圖6所示。

校準(zhǔn)過程如下：首先，溫度判斷：檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫度。如果溫度低于100℃且維持超過10秒，認(rèn)為檢測(cè)儀未處于工作環(huán)境中。其次自動(dòng)校準(zhǔn)：在認(rèn)定為非工作環(huán)境時(shí)，檢測(cè)儀將自動(dòng)進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)。此時(shí)，假定檢測(cè)的氣體為常規(guī)空氣，其中污染物含量極低，可以忽略不計(jì)。檢測(cè)儀將此時(shí)的光電探測(cè)器測(cè)得的實(shí)際電壓作為后續(xù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)。最后，校準(zhǔn)結(jié)束：如果溫度超過100℃或未持續(xù)低于100℃超過10秒，檢測(cè)儀將停止校準(zhǔn)程序，保持原設(shè)置繼續(xù)工作。

本文通過串口通訊方式實(shí)現(xiàn)多組分氣體檢測(cè)儀與上位機(jī)進(jìn)行通訊和調(diào)試。檢測(cè)儀電路的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是通過STM32單片機(jī)中的USART寄存器來實(shí)現(xiàn)的。串口的配置流程如圖7所示。

首先，啟動(dòng)串口GPIO與USART1外設(shè)的時(shí)鐘。將TX引腳（PA9）配置為推挽復(fù)用輸出模式，RX引腳（PA10）配置為浮空輸入模式。設(shè)定串口波特率為9600，工作模式選定為全雙工。隨后，配置USART1接收中斷的優(yōu)先級(jí)為1，并激活中斷。啟用USART1，以開啟其工作時(shí)鐘。在中斷服務(wù)程序中，檢測(cè)并確認(rèn)數(shù)據(jù)接收中斷的觸發(fā)，讀取數(shù)據(jù)后發(fā)送至PC端。此配置確保在中斷觸發(fā)時(shí)能自動(dòng)處理數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。如圖8所示。

同時(shí)，利用STM32的CAN控制器實(shí)現(xiàn)與車輛OBD系統(tǒng)的通訊。這些設(shè)計(jì)確保了檢測(cè)儀能夠通過串口和CAN總線與外部設(shè)備或系統(tǒng)有效通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和參數(shù)配置，從而支持檢測(cè)儀的遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷功能。CAN通訊的配置流程如圖9所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和誤差分析

在室溫（24℃）和標(biāo)準(zhǔn)大氣（1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣）下，對(duì)三套標(biāo)準(zhǔn)混合氣體進(jìn)行了重復(fù)性、穩(wěn)定性及其它重要指標(biāo)的試驗(yàn)。將三組SO2、NO的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體注入氣室，在系統(tǒng)穩(wěn)定后，對(duì)樣品進(jìn)行10次連續(xù)測(cè)定。結(jié)果如下。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)的重現(xiàn)性較好。在第二、三組標(biāo)準(zhǔn)樣品中，各氣體成分的含量逐漸增加，特別是SO2、NO的相互影響也較大，但測(cè)試結(jié)果顯示，該方法的重復(fù)率變化不大，維持在2%左右，證明了所測(cè)氣體特性波長選擇的正確性。

在紅外氣體分析儀的設(shè)計(jì)與使用過程中，測(cè)量精度可能受到多種因素的影響，具體誤差來源及其對(duì)系統(tǒng)精度的影響包括：

（1）原理誤差：光源的波長與功率變化：MIRL17-900型紅外光源在不同波長處光強(qiáng)度不均，并且功率隨燈絲溫度改變而變化，這影響吸收系數(shù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

光路機(jī)械構(gòu)造誤差：光源中心、鍍膜氣室軸和探測(cè)器中心的微小偏差可導(dǎo)致光路損耗，進(jìn)而影響檢測(cè)精度。

探測(cè)器靈敏度差異：不同型號(hào)的熱釋電探測(cè)器在不同波長下響應(yīng)不一，制造過程的微小差異也會(huì)影響靈敏度，從而影響測(cè)量結(jié)果。這些因素導(dǎo)致系統(tǒng)的總誤差約為0.1%。

（2）電路噪聲：系統(tǒng)內(nèi)部和外部電磁干擾可能引入噪聲，尤其在信號(hào)弱時(shí)，對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性和可靠性造成負(fù)面影響。

（3）環(huán)境溫度影響：系統(tǒng)中的熱敏元件對(duì)環(huán)境溫度變化敏感，溫度波動(dòng)可直接影響氣體檢測(cè)輸出。為了提高分析儀的準(zhǔn)確度和可靠性，需對(duì)上述因素進(jìn)行監(jiān)控并適當(dāng)調(diào)整，包括使用高穩(wěn)定性組件、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)以減少噪聲，以及通過算法補(bǔ)償環(huán)境溫度變化的影響。這些措施有助于將系統(tǒng)不確定度控制在0.3%以內(nèi)。

4 結(jié)論

本文開發(fā)了一種利用氣體吸收光譜的紅外吸收法測(cè)定SO2、NO濃度的多組分氣體分析儀。采用了高精度的紅外光源以及熱釋電紅外探測(cè)器，對(duì)氣體腔的內(nèi)部和光路的安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中，采用單片機(jī)為核心，對(duì)電源調(diào)制、信號(hào)放大、A/D變換等外圍部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。最后，對(duì)影響測(cè)量穩(wěn)定和測(cè)量精度的各種因素進(jìn)行了探討，并對(duì)其類型及其影響進(jìn)行了分析。 該設(shè)備性能優(yōu)越，性能穩(wěn)定，可靠性高，性能穩(wěn)定，具有良好的適用性，在今后的市場(chǎng)中有著廣闊的發(fā)展空間。

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目，課題名稱：復(fù)雜工況下車用永磁同步電機(jī)耦合故障機(jī)理及智能診斷方法研究（編號(hào)：B2023584）。

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