引言
汽車尾氣已成為城市大氣污染物的主要來源之一，各級政府從發展規劃、城市建設、能源供應等不同方面采取綜合措施，緩解汽車尾氣排放對大氣環境的影響。有關部門也在研究制定政策措施，推動建立更加方便快捷的公共交通體系，降低交通運輸行業能源消耗和尾氣排放。移動式汽車尾氣分析儀是用于檢測汽車在行駛過程中尾氣排放指標而設計的一款檢測設備，它將為控制尾氣排放、建立低碳生活發揮一定的作用。
移動式汽車尾氣分析儀
當汽車啟動后，移動汽車尾氣分析儀啟動抽氣泵從汽車排氣管采樣尾氣，經除塵、去油、濾水處理進入氣體分析部件IRidium100內，進行內部的紅外法處理，采集CO、CO2、HC的濃度數據，然后尾氣進入經過外部的O2、NOx傳感器，采集相應O2、NOx的尾氣濃度數據。這些數據是經過信號檢測、放大和處理后變為數字結果，通過IRidium100的RS-232串口傳到微處理器。微處理器經過統計、平均等算法處理和存儲，按自定義的環保通信協議進行數據封裝，經過GSM/GPRS/CDMA數據通信或短消息通信傳到指定的上位管理平臺。分析儀上的LCD上有操作菜單，使用者通過鍵盤進行菜單操作，可獲得設備工作狀態和尾氣分析結果，LCD上可顯示CO、CO2、HC、O2、NOx的具體檢測數據結果。移動汽車尾氣分析儀的結構如圖1所示。
移動汽車尾氣分析儀的硬件設計
尾氣分析儀的氣體分析部件采用英國CITY公司的IRidium100型氣體分析模塊。它通過內部的紅外法處理，采集CO、CO2、HC的的濃度數據。IRidium100可以通過外接的O2傳感器和NOx傳感器，得到O2和NOx的濃度數據。
單片機系統采用C8051F020，它具有兩個串口，其中一個串口連接IRidium100，另一個串口連接GSM/GPRS或CDMA通信模塊，用自定義的通信協議和上位管理平臺進行數據交換。
輸入電源直接接汽車電源DC12V～DC24V，轉換成DC12V提供給IRidium100，同時提供一組DC5V電源輸出給單片機和通信模塊使用。
單片機通過繼電器控制采樣抽氣泵的工作，主要控制進氣、排氣的動作。繼電器控制抽氣泵，平時處于斷開狀態，當系統開始進行尾氣分析時，給繼電器通電使抽氣泵工作5分鐘。
GSM模塊采用西門子公司的MC37I。該模塊是一個功能完整的移動通信工業模塊，CPU通過串口對它進行控制和數據傳輸，可以傳送包括短信、CSD、GPRS等在內的數據。CPU對模塊的控制采用的是AT指令，符合ETSI標準GSM 07.07和GSM 07.05。
移動汽車尾氣分析儀的軟件設計
尾氣分析儀的工作模式
專用汽車尾氣分析儀設計具有四種工作模式：
①手動工作模式，在開機狀態下通過鍵盤控制菜單，執行一次尾氣分析的過程;
②自動工作模式，當每天設定的時刻達到時，自動執行一次尾氣分析過程;
③命令工作模式，當接收到上位管理平臺命令時，執行一次尾氣分析過程;
④校準工作模式，在開機狀態下通過菜單選擇進入，進行一次尾氣校準過程。
其中，手動工作模式和校準工作模式由LCD提供的主菜單，在現場通過鍵盤輸入的鍵值觸發，然后執行相應的控制命令。
手動工作模式，在需要立即進行尾氣分析時，手動進入主菜單選擇，然后選擇一次尾氣檢測，或者選擇執行n次尾氣檢測(n由菜單的設置選項輸入)，進行的一次或多次尾氣分析過程。
自動工作模式由可配制的“自動測試時間”和RTC中的實時時鐘進行比較，時間相等后觸發，執行一次尾氣分析過程。自動工作模式為默認模式。
命令工作模式，由上位管理平臺下達的命令觸發，執行相應的一次尾氣分析過程。命令工作模式下，儀器通過串口接收到來自通信模塊的“采集尾氣”遠程命令，此時儀器自動進行一次尾氣分析過程。
校準工作模式，在第一次開機狀態下或有校準需求時，抽氣泵入口接上標準尾氣氣體，手動進入主菜單選擇標定量程，進行的一次校準過程。校準后的尾氣分析儀，標定了基準的測試參考點，可以提高尾氣檢測的準確度。
尾氣分析模塊的關鍵命令序列選擇
根據IRidium100的使用手冊，對CITY IRidium100尾氣分析模塊進行數據采集的關鍵命令序列如下所述。
尾氣分析儀的量程標定
①RESET (命令號為：$30)，在標定尾氣分析儀前用此命令。發出復位命令后收到應答，復位成功。
②ZERO ($35)，采集之前先校零，啟動抽氣泵半分鐘后再發送校零命令，1分鐘內收到校零完成應答即零點校準成功，此時停止抽氣泵工作。
③SPAN SPECIFIED CHANNELS ($36)，標定量程命令。在校零完成后人工接好尾氣標準氣，執行標定操作，此時啟動抽氣泵，通氣15秒后發送標定命令給尾氣分析模塊，LCD顯示瞬時值，接收到標定完成應答后停止抽氣泵的工作，同時停止對串口的操作。
尾氣數據的采集，即一次尾氣分析過程
①RESET ($30)，在每次執行尾氣分析命令前發出此命令。發出復位命令后收到應答才算復位成功。
②ZERO ($35)，采集之前先校零，啟動抽氣泵半分鐘后再發送校零命令，1分鐘收到校零完成應答即零點校準成功。此時停止抽氣泵工作。
③COMPENSATED DATA ($31)，校零完成后即可進行數據采集，先讓抽氣泵工作半分鐘再發送數據采集命令，過10秒后再采集數據，每10秒采集一組。LCD顯示瞬時值，采集過程完成后(采集5次數據)計算出平均值作為最終的顯示。采集到5次就停止對串口操作，同時停止抽氣泵的工作。
軟件流程設計及實現
程序流程基本邏輯是，主程序根據四種工作模式下的條件觸發，發送相應的命令給CITY IRidium100尾氣分析模塊，模塊執行該命令后，返回執行結果/狀態數據。主程序將結果數據一方面在LCD上顯示，另一方面發送給通信設備，由通信設備傳輸給上位管理平臺。
當收到上位管理平臺的命令時，或者鍵盤觸發手動執行尾氣檢測時，或者自動檢測時間達到時，啟動執行尾氣檢測的動作。一次尾氣分析過程后，設置當天已經測試過的標志。
LCD的主菜單如下所示，通過上鍵、下鍵、+鍵、-鍵和確認鍵對鍵盤菜單進行操作，觸發相應的命令執行。
"1.Show Settings", //參數顯示
"2.Setup", //參數設置
"3.Analysis 1 time", //手動執行一次尾氣檢測
"4.Analysis n times", //手動執行多次尾氣檢測
"5.Calibration Zero", //校零
"6.Calibration Span", //標定量程
"7.Show Date/Time", //顯示RTC時間
"8.Setup Date & Time", //設置RTC時間
"9.Factory Default", //恢復默認的檢測量程
"10.RETURN", //返回
在四種工作模式下測得的結果數據均通過串口向通信模塊發送。測試結果數據格式如下：
“CO=xx.xx%；CO2= xx.xx%；HC= xxxxxppm；O2= xx.xx%；NOx= xxxxxppm；”。
結語
本設計使用C8051F020為核心的單片機系統控制Iridium 100工作，實現了汽車尾氣中CO、CO2、HC、O2、NOx濃度的檢測，并通過短信數據傳輸方式將檢測到的濃度數據傳輸到遠程上位管理平臺。設計實現的樣機在新疆某地環保局試用，現場測試的數據得到了環保部門的認可。
參考資料：
[1]CITY公司.Iridium Specification.pdf
[2]CITY公司IRIDIUM OPERATING INSTRUCTIONS.PDF
[3]胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].北京:清華大學出版社,1993.
[4]R.J.凱思. 光探測器與紅外探測器[M]. 董培芝等譯, 北京:科學出版社,1984
[5]徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設計[M]北京:北京航空航天大學出版社,1995
Design and Implementation of Vehicle Exhaust Analyzer
北京郵電大學信息與通信工程學院