基于單片機的柴油機煙度檢測系統(tǒng)的設(shè)計

李華英，陳立暢，果霖，張佳進

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南 昆明 650201）

基于單片機的柴油機煙度檢測系統(tǒng)的設(shè)計

李華英1，陳立暢1，果霖1，張佳進2

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南 昆明 650201）

柴油機工作時會產(chǎn)生大量黑煙，對環(huán)境和人體健康會產(chǎn)生極大的危害。針對廢氣對光具有吸收特性，論文提出了一種采用光強度來測量廢氣排放量的方案。該系統(tǒng)充分利用了C8051F340單片機功耗低及片內(nèi)集成A/D轉(zhuǎn)換電路的優(yōu)勢，使得該系統(tǒng)具有反應(yīng)靈敏、精度高、成本低、操作簡單等特點，可用來檢測各種煙度。實驗表明，檢測精度達到±2%，符合國家的相關(guān)要求。

光強度；煙度檢測；C8051F340單片機；低功耗；A/D轉(zhuǎn)換

0 引言

近些年來，一些汽車現(xiàn)代新技術(shù)在柴油車上得到廣泛的運用，極大地提高了柴油車綜合性能，使柴油車成為目前被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動力機械中熱率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機型。

柴油機在工作時往往會產(chǎn)生一種由碳、氫、潤滑油、燃油中的硫化物以及燃燒時裂解的碳組成的微粒（PM），也就是我們常看到的黑煙。PM對環(huán)境和人體健康會造成極大的危害，因此對排放控制勢在必行。煙度不僅是評價柴油機對大氣污染程度的重要指標，也是評價柴油機的強化程度和燃燒過程是否完善的重要指標。通過煙度測量，我們可以判斷柴油機與排放有關(guān)的零部件是否正常工作，是否需要維修或保養(yǎng)［1］。

濾紙式煙度計，由于其使用特性與自由加速煙度排放不能很好匹配，不能測量其煙度峰值，只能測量出自由加速煙度排放大小的特性曲線積分值，故測量不準確。用不透光煙度計測量煙度排放，在通道上安裝有光源和檢測器，當廢氣進入通道時，檢測器接收的光強度將削弱，用光強度大小來反映煙度排放的大小。此測量方法反應(yīng)靈敏，可測穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)煙度排放。由于不透光煙度計比濾紙式煙度計準確度更高，靈敏性更好，它不僅能檢測黑煙的煙度，還能測量排氣中的藍煙、白煙等可見排放污染物，可以進行連續(xù)測量，且在低煙度是有較高的分辨率，所以也可以用來研究柴油機的瞬態(tài)碳煙和其它可見污染物的排放特性［2］。因此，不透光煙度計具有反應(yīng)靈敏、精度高、成本低、操作簡單、適應(yīng)于各種煙度檢測。比較典型的不透光煙度計有美國PHS全流式煙度計、英國哈特里（Hartridge）和奧地利AVL等分流式不透光煙度計［4］。

劉建平、馬樹明等對煙度檢測自動操作和控制系統(tǒng)的研究，通過對煙度的試驗、分析論證，提出了煙度檢測技術(shù)的改進要求，研制出了自動測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)測量時，通過光電開光給予工作信號后，該自動裝置控制系統(tǒng)與煙度計的控制網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，并通過網(wǎng)絡(luò)自動完成所取樣的各項指標要求的全部工作程序［1］。

王桂香、智剛毅等分析了我國現(xiàn)行在用柴油車自由加速煙度檢測的特點，自由加速煙度檢測法和加載減速煙度檢測的檢測方法，檢測評價及其優(yōu)缺點［3］。趙立、解世文、孫玉德等通過對全流消光式煙度檢測系統(tǒng)中的不確定因素進行校正，提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煙度檢測系統(tǒng)的研究［5］。

本文以C8051F340單片機為核心，基于光強度實現(xiàn)了柴油機尾氣煙度的自動化檢測。

1 系統(tǒng)組成及原理

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。整個系統(tǒng)采用一片C8051F340單片機作為系統(tǒng)的控制核心，同時包含發(fā)光二極管模塊、光通道、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號放大電路、顯示電路、串口通信等部分。

圖1　系統(tǒng)工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of system

發(fā)光二極管發(fā)出波長為520nm綠光，經(jīng)過具有廢氣（煙）的光通道進入到硅光電池。該方法利用硅光電池檢測透射光的強度，由信號放大電路對光敏傳感器的輸出信號進行放大、I/V轉(zhuǎn)換，進入到C8051F340單片機進行處理，計算出廢氣的吸光度值，并通過串口與計算機進行通信，計算機對所采集的數(shù)據(jù)進行進一步的處理。

當廢氣進入光通道時，接收裝置接收的光強度將被削弱，光強度大小可以反映煙度排放的大小，其吸收關(guān)系遵循比爾-朗伯定律。光吸收比計算公式如下：

其中：N—不透光度（%）；I0—入射光強度（cd）；I—到達接收器光強度（cd）；L—光通道有效長度（m）；K—光吸收系數(shù)（m-1）。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1微控制器及光源

采用C8051F340單片機作為系統(tǒng)的控制核心。C8051F340單片機是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU。高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容型微控制器內(nèi)核。片內(nèi)Silicon Labs二線（C2）開發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行侵入式、全速、在系統(tǒng)調(diào)試?？删幊虜?shù)字I/O和交叉開關(guān)，允許用戶根據(jù)自己特定的應(yīng)用選擇所提供的資源，包括4個16位計數(shù)器/定時器、兩個具有擴展波特率配置的全雙工UART、一個增強型SPI端口、多達4352字節(jié)的內(nèi)部RAM、64KB的程序存儲器、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及多達40個I/O引腳［6］。

由于硅光電池在500nm～550nm光譜波長段具有最大響應(yīng)，因此檢測系統(tǒng)的光源采用波長為520nm的綠色發(fā)光二極管作為光源，具有發(fā)光效率高、光譜帶寬合適、功耗低等特點［8］。

2.2A/D轉(zhuǎn)換、顯示電路

通過硅光電池的信號為模擬電流信號，再由I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后輸出模擬電壓信號，單片機處理信號需要輸入的信號為數(shù)字信號，因此一般需要接入1片A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于C8051F340單片機片內(nèi)集成了10位逐次比較的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不需要外接A/D轉(zhuǎn)換芯片，簡化了系統(tǒng)的電路設(shè)計。片內(nèi)ADC通過逐次比較方式，將輸入端的模擬電壓轉(zhuǎn)換成10位的數(shù)字量。因此，直接把經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換、放大電路中輸出的模擬量接入C8051F340的端口引腳上，對輸入的電壓模擬量進行A/ D轉(zhuǎn)換，由CPU對其進一步處理。C8051F340單片機與液晶LCD19264的連接可采用并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑?］，如圖2所示。

圖2　顯示電路連接圖Fig.2 Display circuit connection diagram

系統(tǒng)還采用C8051F340的串行接口與計算機進行通信，將測量的數(shù)據(jù)傳送給計算機進行處理，計算機作為上位機采用Visual Basic 6.0編寫界面程序。

2.3I/V轉(zhuǎn)換及放大電路硅光電池受光照射后，產(chǎn)生光電子流，但其輸出信號為電流信號，單片機的處理信號多為電壓信號，因此需要進行I/V轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

圖3　光電轉(zhuǎn)換電路Fig.3 The photoelectric conversion circuit

此電路的作用在于，通過集成運放LM324和反饋電阻Rf，將硅光電池輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。通過調(diào)節(jié)Rf阻值的大小，可以改變輸出電壓值的大小，從而能夠適應(yīng)后級控制電路對輸入信號電壓值的要求［9］。光照度的強弱影響Is大小，進而引起Vout的改變，從而實現(xiàn)了將光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

3 軟件設(shè)計

煙度檢測系統(tǒng)的單片機軟件采用Keil C語言編寫［10］，根據(jù)式（1）可知，系統(tǒng)只需要完成入射光強I0對應(yīng)的電壓V0、穿透廢氣出射光強I對應(yīng)的電壓V的測量，就可根據(jù)公式完成對煙度的檢測。因此，程序首先初始化硬件的各個部分，包括中斷、液晶顯示的初始化，串口通信初始化等。

另外，通過調(diào)零的方式來讀取入射光強I0對應(yīng)的電壓V0，然后再通入廢氣讀取出射光強I對應(yīng)的電壓V，進行A/D轉(zhuǎn)化處理計算后通過LCD顯示測量得到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)計算機相關(guān)協(xié)議命令的請求進行數(shù)據(jù)通信，其流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件流程Fig.4 Software flow pattern

4 試驗數(shù)據(jù)

系統(tǒng)對5片標準片進行測量，測量結(jié)果見表1。從表1可看出，檢測誤差遠遠小于國家要求的±2%，系統(tǒng)完全滿足測量要求。

表1　測量結(jié)果Tab.1 Result of a measurement

5 結(jié)論

基于C8051F340單片機的煙度檢測系統(tǒng)是利用廢氣對光具有吸收特性進行設(shè)計的。該系統(tǒng)充分利用了C8051F340單片機功耗低、片內(nèi)具有A/D轉(zhuǎn)換等優(yōu)點，簡化了硬件電路設(shè)計，并具有快速、低成本、操作簡單等特點，對柴油機廢氣排放的監(jiān)測具有重要意義。

［1］劉建平，馬樹明.汽車自由加速煙度檢測自動操作和控制系統(tǒng)的研究應(yīng)用［J］.輕型汽車技術(shù)，1999，3.

［2］曹躍芳.柴油機煙度測量問題的探討［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2006，5.

［3］王桂香，智剛毅.在用柴油車排放煙度檢測方法的淺探［J］.拖拉機與農(nóng)用運輸車，2005，4.

［4］高占斌，天野，陳輝，王永堅.柴油機煙度測量方法研究［J］.集美大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，11.

［5］趙立，解世文，孫玉德.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煙度檢測系統(tǒng)的研究［J］.計量學(xué)報，2004，1.

［6］SiliconLab.C8051F340 Datasheet［DB/OL］.http：//www.silabs.corn/ public/Document/tpub-doc/dsheet/Microcontrollers/USB/en/ c8051f34x，2014.

［7］李群芳.單片機原理、接口及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［8］Lxdcn.LXD23CV-R Datasheet［DB/OL］.？http：//www.lxdcn.com/Chinese/chan_pin_xin_xi/PDF_chan_pin_zi_liao/硅光電池規(guī)格書/硅光電池%20LXD23CV-R.pdf，2014.

［9］Low Power Quad Operational Amplifiers.LM324？datasheet［DB/OL］. http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/lm124-n.pdf，2014.

［10］童長飛.C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

Design of Smoke Density Detecting System Based on Microcontroller

LI Hua-Ying1，CHEN Li-Chang1，GUO Lin1，ZHANG Jia-Jin2
（1.School of Mechanic and Electronic Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming Yunnan 650201，China；2.School of Science and Information Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming Yunnan 650201，China）

Diesel engine can generate a huge mount of black smoke while working，which will do damage to our living environment and harm our health.In the paper light strength was used to measure the density of smoke.This smoke density detecting system is designed in accordance with the principle that fumes have light-absorbing ability.The system makes full use of the advantages of C8051F340 microcontroller，such as low energy consumption，A/D transform etc.It is characterized with high sensitivity，high accuracy，low cost and user-friendly.It can also be used to detect other kinds of smoke density.Sample test shows that the detection accuracy is±2%，in agreement with the relevant requirements of the state.

light strength；smoke density detecting；C8051F340 Microcontroller；low power consumption；A/D transform

TH-39

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.033

1002-6673（2015）02-086-03

2015-01-10

項目來源：云南農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金的支持（YNAU2013IN631-11）

李華英（1965-）女，湖南衡陽人，副教授。主要從事理論力學(xué)，符號學(xué)研究；通信作者：張佳進。