摘 要： 當前國內對汽車尾氣排放情況進行檢測的方式主要是在臺架上對汽車進行檢測，不能對正在實際路況上行駛的汽車進行檢測。針對上述存在的問題，設計了一種基于單片機的汽車尾氣檢測系統，該系統通過電化學傳感器檢測氣體，并用無線通信技術將探測到的數據進行傳輸，提高了汽車尾氣檢測的靈活方便性，實現對汽車尾氣的全面實時監測。實驗結果表明，該檢測系統運行穩定可靠，有利于加強對汽車尾氣污染的防治，具有一定的推廣價值。
關鍵詞：尾氣檢測；電化學傳感器；單片機；無線通信
近年來國內城市汽車的擁有量越來越大，汽車尾氣對城市大氣環境的危害也日益加劇。因此，快速、簡便、準確地檢測汽車尾氣的成分和含量對控制汽車尾氣的排放以及改善城市大氣環境具有重要的現實意義。然而，由于技術條件的限制，目前國內主要采用年檢方式對汽車尾氣排放情況進行檢測[1]，不能在實際路況上對汽車尾氣進行檢測，汽車實際運行時其尾氣所含的污染物不能及時掌握，從而無法及時有效地控制汽車的尾氣污染。
針對上述問題，本文給出了一種基于單片機的汽車尾氣檢測系統方案，本方案以低功耗的控制器作為控制核心，利用電化學傳感器采集尾氣信號，并通過無線通信技術將最后的數據傳輸到監控設備，使得相關檢測者能隨時隨地檢測汽車尾氣，實時掌握汽車的尾氣排放情況，及時制止超標車輛上路，最大程度上減少汽車尾氣對空氣的污染。
1 系統工作原理和總體方案
1.1 系統工作原理
在汽車尾氣排放口安裝電化學傳感器，采集行駛中的汽車尾氣信息。由于采集來的信號很小，因此需利用運算放大器將該信號進行放大，放大后的信號傳輸給單片機，先進行A/D轉換，再進行信息處理，處理的結果通過無線通信技術傳輸。
1.2 系統總體方案
系統包含兩部分，第一部分安裝在汽車排氣管附近，由電化學傳感器、運算放大器ADA4505、單片機STC12C5A60S2、供電模塊、無線通信模塊NRF24L01等部分組成；第二部分由監測人員手持，由單片機STC12C5A60S2、供電模塊、無線通信模塊NRF24L01、顯示屏1602、按鍵等幾個部分組成。車速傳感器測得的車速通過CAN總線傳到安裝在汽車上的單片機，最終在1602顯示屏顯示當前的車速。由于電路功耗很低，供電模塊都采用鋰電池供電。系統結構框架如圖1所示。
2 系統的硬件設計
2.1 電化學傳感器
電化學傳感器通過與被測氣體發生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。電化學傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。圖2為電化學傳感器測量電路的原理示意圖。氣體通過薄膜擴散到傳感器內，并與工作電極(WE)相互作用。傳感器參考電極(RE) 提供反饋，以便通過改變反電極(CE) 上的電壓保持WE引腳的恒定電位，流入WE引腳的電流對于每ppm氣體濃度低于100 nA，其中Vout = 2.5 V + IWE × RF。氣體傳感器模塊是一氧化碳傳感器TGS2201、氮氧化合物傳感器4Nox-1500和碳氫化合物傳感器4CHx-1500。
2.2 微處理器
STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快8~12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換(250 Kb/s)，針對電機控制，強干擾場合。
圖3為安裝在汽車排氣管附近部分的傳感器與STC12C5A60S2的接口電路。通過STC12C5A60S2的A/D轉換可對傳感器信號進行精確的測量由于傳感器輸出的電壓信號較小，因此需要通過放大電路與STC12C5A60S2的A/D連接。圖4為手持部分的輸入輸出設備與STC12C5A60S2的接口電路，其中STC12C5A60S2的A0為A/D轉換串口。
2.3 無線通信模塊
本文所涉及的系統采用的無線通信模塊為NRF24L01。NRF24L01是一款內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型Shockburst技術的新型單片射頻收發器件。NRF24L01工作于2.4~2.5 GHz ISM頻段，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置[3]。NRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發射時，工作電流也只有9 mA；接收時，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節能設計更方便。
NRF24L01的工作原理圖如圖5所示，CSN、SCK、MOIS、MISO為SPI引腳端，由微處理器的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4來配置NRF24L01，CE為使能發射或接收端，由微處理器的P1.0控制；IRQ為中斷標志位，由P1.5控制。
2.4 CAN總線設計
為了使CAN總線能夠實現通信功能，在設計硬件電路的過程中，本文采用了STC12C5A60S2和CAN總線驅動器PCA82C250組成的CAN總線接口電路，如圖6所示。
3 系統的軟件設計
按照系統控制功能要求，確定了系統軟件的主要功能有：系統初始化，采集傳感器輸出的氣體濃度信號，對采集后的數據進行處理、存儲、輸出等。按照軟件功能要求，給出了程序總體結構框圖，如圖7、8所示。
3.1 主程序設計
本系統的主程序流程圖即圖7、8所示的流程圖。主程序在完成系統初始化后，按下手持部分的啟動按鈕，將啟動信息通過無線模塊傳輸給汽車部分的單片機，此時單片機回復接收啟動指令給手持部分，同時啟動檢測系統，傳感器開始采集氣體成分，并將其轉換成電信號。檢測系統啟動后，調用A/D轉換子程序，將采集到的電信號轉換成數字信號進行處理運算。
3.2 無線通信模塊子程序
本系統的無線通信模塊子程序流程圖如圖9所示。無線通信模塊子程序在完成相關函數的初始化后，單片機將信息按照時序由SPI口寫入nRF24L01緩存區，然后CE置為高電平，并延時一段時間后發射數據；在應答模式下，nRF24L01在發射數據后立即進入接收模式，接收應答信號。如果在有效的應答時間范圍內收到應答信號，則認為數據成功發送到了接收端，此時將狀態寄存器TX_FIFO恢復為默認值；若未收到應答，說明發送失敗，記錄下發送失敗的次數，并自動重新發射數據[4]。
(1) nRF24L01 模塊設置為發送模式部分代碼如下[5]：
void SetTxMode ( )
{
nrfTxBuf [0] =0x20;
nrfTxBuf [1] = 0x0e;
SPI_SendData (nrfTxBuf, nrfRxBuf,2);
nrfTxBuf [0] =0xe2;
SPI_SendData (nrfTxBuf,nrfRxBuf,1);
}
(2) nRF24L01 模塊設置為接收模式部分代碼為：
void SetRxMode ( )
{nrfTxBuf [0] = 0x20;
nrfTxBuf [1] = 0x0f;
SPI_SendData (nrfTxBuf, nrfRxBuf,2);
nrfTxBuf [0] =0xe2;
SPI_SendData (nrfTxBuf,nrfRxBuf, 1);
PORTB|= (1<<3);
_NOP( ); _NOP ( ); _NOP ( );
}
3.3 A/D轉換部分子程序
STC12C5A60S2的ADC模塊能夠實現10位精度的模數轉換，A/D轉換部分程序比較簡單，程序只需要完成3項功能：選取模擬輸入通道；配置控制寄存器ACON；讀取A/D轉換后的數值,再返還數據。
本系統利用超低功耗STC12C5A60S2單片機對電化學傳感器采集來的數據進行處理，替代目前的檢測方式，對尾氣的控制從臺架到實際路況全面監測，切實實現了環保，加強了對汽車尾氣污染的防治。雖然目前國內在控制汽車尾氣排放方面越來越嚴格，在引入或在國內生產的新車上都必須安裝一個OBD車載自診斷系統來判斷該車尾氣排放是否達到國Ⅲ或國Ⅳ標準[6]，但該系統不能檢測汽車在實際路況上運行時的尾氣排放所含的污染物的濃度，而本文所設計的基于單片機的汽車尾氣檢測系統能很好地解決這個問題。此外，該項技術還可以擴展應用于溫濕測量、工業控制、水文檢測以及環境衛生應用等領域，因此本設計具有較強的通用價值。
參考文獻
[1] 曹衛鋒, 石軍, 常亞軍. 基于 JN5121 的無線汽車尾氣在線檢測系統設計[J]. 計算機測量與控制, 2010 (7): 1497-1499.
[2] ADI公司.ADI公司推出高性能模擬前端[J].電信技術，2008,58(9):108-108.
[3] 時志云, 蓋建平, 王代華, 等. 新型高速無線射頻器件 nRF24L01 及其應用[J]. 國外電子元器件, 2007 (8): 42-44.
[4] 莢慶, 王代華, 張志杰. 基于 nRF24L01 的無線數據傳輸系統[J]. 現代電子技術, 2008（7）: 68-70.
[5] Long Hainan, Liu Zhiqiang. Design wireless data transmission system for small hydropower stations based on nRF24L01[C]. 2009 1st International Conference on Information Science and Engineering (ICISE), IEEE, 2009: 4008-4010.
[6] 方楊. 基于國 Ⅲ 標準的汽車尾氣檢測分析系統 [D]. 杭州：浙江大學, 2008.