基于氮氧傳感器的NOx氣體測量儀設(shè)計(jì)*

徐 景， 龔雪飛， 張 帆， 簡家文

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 寧波 315211)

基于氮氧傳感器的NOx氣體測量儀設(shè)計(jì)*

徐 景， 龔雪飛， 張 帆， 簡家文

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 寧波 315211)

針對工業(yè)燃燒環(huán)境，以NGK車用通用氮氧(UniNOx)傳感器為檢測元件，C8051f040單片機(jī)為微控制器，采用SAE—J—1939協(xié)議作為CAN通信標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種NOx氣體測量儀。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M工業(yè)燃燒的NOx氣體環(huán)境，對測量儀的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和相應(yīng)的理論分析。研究結(jié)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?jǐn)?shù)測量，測量誤差控制在5.7 %以內(nèi)，并且受溫度影響較小，滿足工業(yè)燃燒環(huán)境中NOx檢測的要求，實(shí)現(xiàn)了車用傳感器向工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)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(xué)煙霧，也是最近幾年霧霾天氣惡化的因素之一。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，有50 %的NOx來源于汽車尾氣排放，而另外的40 %來源于固定點(diǎn)的工業(yè)燃燒，對于NOx的檢測和治理已經(jīng)成為世界所關(guān)注的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的NOx檢測方法(如Saltzman法、化學(xué)發(fā)光法、色譜法)具有靈敏度高、檢出限低的優(yōu)點(diǎn)，已在工業(yè)燃燒環(huán)境中使用，但由于裝置復(fù)雜、價格昂貴，不便于汽車上的安裝[1,2]。而電化學(xué)NOx傳感器則實(shí)現(xiàn)了汽車尾氣中NOx的簡便、快速、連續(xù)檢測，并在汽車電子行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但在工業(yè)燃燒環(huán)境檢測方面，卻很少見到采用NOx傳感器設(shè)計(jì)能進(jìn)行連續(xù)檢測,且成本低廉的NOx氣體檢測裝置[3,4]。

本文針對工業(yè)現(xiàn)場NOx氣體監(jiān)測的需要，采用NGK公司生產(chǎn)的汽車智能通用氮氧(universal NOx,UniNOx)傳感器為檢測元件，C8051f040單片機(jī)為微控制器，通過CAN總線傳輸方式，設(shè)計(jì)了一種用于工業(yè)燃燒環(huán)境的NOx氣體測量儀。

1 UniNOx傳感器

在汽車SCR處理技術(shù)中，通過對尾氣中NOx含量的測量，進(jìn)而控制氨氣的注入量，實(shí)現(xiàn)對有害氣體的轉(zhuǎn)換。UniNOx傳感器用于汽車尾氣中(0～1 500)×10-6體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的NOx檢測，可以在0～800 ℃的溫度下工作。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)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?jǐn)?shù)。氧泵電池根據(jù)泵氧反饋電路中的電壓大小，調(diào)節(jié)泵氧能力。UniNOx傳感器自身帶有電控單元，包括相應(yīng)的傳感器控制，信號處理和CAN通信等功能。應(yīng)用層采用SAE—J—1939協(xié)議。

2 SAE—J—1939協(xié)議

SAE—J—1939是美國汽車工程協(xié)會(SAE)的推薦標(biāo)準(zhǔn)，用于為中重型道路車輛上電子零部件間的通信提供標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)。SAE—J—1939利用CAN總線中擴(kuò)展幀29位標(biāo)識符實(shí)現(xiàn)了一個完整的網(wǎng)絡(luò)定義[7～10]。數(shù)據(jù)幀是以協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)形式進(jìn)行傳輸?shù)模琍DU將29位標(biāo)識符劃分為6個部分：分別是優(yōu)先級(P)、保留位(R)、數(shù)據(jù)頁(DP)、PDU格式(PF)、特定PDU格式(PS)和源地址(SA)。SAE—J—1939的29位標(biāo)識符如表1所示。

表1 SAE—J—1939的29位標(biāo)識符

29位標(biāo)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(jìn)行分類管理。PGN是由24位的二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，其中6位為0，1位保留位，1位數(shù)據(jù)頁位，8位PDU位，8位特定PDU位。根據(jù)PGN可以計(jì)算出各個電子零部件的標(biāo)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(biāo)識符為18F00E51h。

3 測量儀的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 主要的硬件設(shè)計(jì)

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(jī)為微處理器。C8051F040單片機(jī)內(nèi)部集成Silicon Labs CAN控制器，Silicon Labs CAN符合Bosch全功能CAN2.0B規(guī)范，支持29位標(biāo)識符的擴(kuò)展幀傳輸，外接CAN驅(qū)動器與UniNOx傳感器可以很方便地實(shí)現(xiàn)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(qū)動器。CAN驅(qū)動器將發(fā)送的電平信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉螩AN物理層標(biāo)準(zhǔn)的信號，并進(jìn)行放大傳輸?shù)娇偩€上；同時將總線上的信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破魉芙邮盏碾娖叫盘枴榱吮ＷCCAN通信的穩(wěn)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(jī)通過模擬時序?qū)崿F(xiàn)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(jī)向PC實(shí)時發(fā)送測量的NOx和O2體積分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)電腦對NOx氣體測量儀的監(jiān)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(shè)計(jì)

3.2.1 CAN位速率配置

所有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過濾的協(xié)議處理全部由CAN控制器完成，不用CIP—51干預(yù)。CIP—51通過特殊功能寄存器配置CAN控制器，讀取接收到的數(shù)據(jù)和寫入待發(fā)送的數(shù)據(jù)。CAN控制器位定時寄存器設(shè)置不當(dāng)，將使得單片機(jī)無法按照期望的位速率接入CAN網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致單片機(jī)與UniNOx傳感器之間無法正常通信。根據(jù)CAN 2.0B規(guī)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(xiàn)，Prop_Seg用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的物理延時時間，Phase_Seg1和Phase_Seg2用于補(bǔ)償跳變沿的相位誤差。這些時段之和決定CAN網(wǎng)絡(luò)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(yù)分頻器，fsys為CAN系統(tǒng)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(jī)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(shè)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(shí)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(shù)，因此,Phase_Seg1=Phase_Seg2=4tq。根據(jù)如下公式，可求出CAN控制器位定時寄存器各個參數(shù)(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(shè)置為TSEG2×0x1000+TSEG1×0x0100+SJWP0x0040+BRPE=0x35C3。

3.2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先對單片機(jī)端口、振蕩器進(jìn)行配置，然后對CAN控制器寄存器進(jìn)行CAN初始化，UniNOx傳感器與單片機(jī)標(biāo)識符配置。采用按鍵操作，單片機(jī)給電控單元發(fā)送啟動指令使傳感器工作。作為CAN數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)傳輸，啟動指令之后需要每隔一段時間自動發(fā)送一次，并且重復(fù)發(fā)送時間不得超過300 s。當(dāng)UniNOx傳感器正常工作時，單片機(jī)從電控單元接收傳感器數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)編碼值轉(zhuǎn)換成氣體體積分?jǐn)?shù)在LCD上顯示，并通過串口發(fā)送給PC。如果NOx氣體體積分?jǐn)?shù)超過規(guī)定的上下限，產(chǎn)生報(bào)警顯示。圖4為程序流程圖。

圖4 軟件程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 模擬環(huán)境

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過多通道流量計(jì)對50.1 %O2+余N2,1000×10-6NO+余N2和99.99 %純N2三種氣體進(jìn)行動態(tài)配置，獲取不同NOx體積分?jǐn)?shù)的氣氛。氣體流經(jīng)溫度可控的密封測試腔，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)燃燒環(huán)境的NOx氣氛模擬。模擬環(huán)境參數(shù)如下：

1)氣體流量:200 cm3/min;

2)氣體溫度:0～750 ℃;

3)O2體積分?jǐn)?shù)可調(diào)范圍:0～10 %;

4)NOx體積分?jǐn)?shù)可調(diào)范圍:(0～1000)×10-6。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表2 在350 ℃下，不同NOx氣體體積分?jǐn)?shù)的測量值

實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)，該測量儀的測量值減小。計(jì)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(yīng)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?jǐn)?shù)的測量值(2 % O2)

5 結(jié) 論

采用應(yīng)用于汽車尾氣處理上的UniNOx傳感器，設(shè)計(jì)了一種用于工業(yè)燃燒環(huán)境的NOx氣體測量儀。結(jié)果表明:該測量儀的軟硬件設(shè)計(jì)穩(wěn)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?jǐn)?shù)測量，測量誤差控制在5.7 %以內(nèi)，受溫度影響較小。另外，通過CAN總線傳輸方式，數(shù)據(jù)傳輸速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，并且抗干擾能力強(qiáng)，便于工業(yè)燃燒環(huán)境中NOx氣體的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了車用傳感器向工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)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(xué)基金面上資助項(xiàng)目(61471210)；浙江省科技廳重大科技專項(xiàng)和成果轉(zhuǎn)化工程項(xiàng)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?yàn)闅怏w傳感器信號處理與儀器儀表設(shè)計(jì)。