便携式汽车排放物测试系统设计开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1)我国汽车数量现状

公安部交通管理局近日发布统计数据显示,2018年全国新注册登记机动车3172万辆,机动车保有量已达3.27亿辆,其中汽车2.4亿辆,小型载客汽车首次突破2亿辆;机动车驾驶人突破4亿人,达4.09亿人,其中汽车驾驶人3.69亿人。

截至2018年底,全国汽车保有量达2.4亿辆,比2017年增加2285万辆,增长10.51%。小型载客汽车保有量达2.01亿辆,首次突破2亿辆,比2017年增加2085万辆,增长11.56%,是汽车保有量增长的主要组成部分;私家车(私人小微型载客汽车)持续快速增长,2018年保有量达1.89亿辆,近五年年均增长1952万辆;载货汽车保有量达2570万辆,新注册登记326万辆,再创历史新高。

全国有61个城市的汽车保有量超过百万辆,27个城市超200万辆,其中,北京、成都、重庆、上海、苏州、郑州、深圳、西安等8个城市超300万辆,天津、武汉、东莞3个城市接近300万辆。

图1.1是近五年小型载客汽车和私家车保有情况:


图1.1 近五年小型载客汽车和私家车保有情况

2)汽车尾气排放物的现状

我国公安部交管局2017年1月10发布的数据显示我国汽车保有量达1.94亿辆,小型载客汽车达1.6亿辆,以个人名义登记的小型载客汽车(私家车)达到1.46亿辆,2016年新车注册量、年增量达历史最高水平。2012年全国私人小型车为7222万台,仅仅4年时间,私人小型车增长量就翻了一倍多,当然排放的污染物增加速度远大于汽车的增长,汽车保有量的快速增长是加速空气污染的直接原因。据统计,一辆普通的轿车一年排出有害废气量大约是自身重量的4倍。2011年,湖北省有1200多万辆汽车,按照公式计算得出,2011年的湖北省排放一氧化碳约125万吨,碳氢化合物约15万吨, 氮氧化物约18万吨,颗粒物约1.8万吨,如此庞大的排放量,着实触目惊心。图1.2为2017年全国机动车四项排放量:


图1.2 2017年全国机动车四项排放量

3)ECU介绍

ECU(Electronic ControlUnit)电子控制单元,又称“行车电脑”、“车载电脑”等。它和普通的电脑一样,由微处理器(CPU)、存储器(ROM、RAM)、输入/输出接口(I/O)、模数转换器(A/D)以及整形、驱动等大规模集成电路组成。ECU的内部原理如图1.3所示:


图1.3 ECU内部原理图

ECU是每一辆车必不可少的系统,用一句简单的话来形容就是“ECU就是汽车的大脑”。本次毕业设计的便携式汽车尾气检测系统装置,是一个类似于ECU却独立于ECU的系统。

4)便携式汽车尾气检测系统的前景预估

市场需求方面:1、随着我国日益严峻的环保压力,国家对汽车尾气排放要求越来越严格,私家车车主对定期检测车辆性能有了更高的要求。2、目前的便携式尾气检测系统价格高昂,且多用于公司或车间进行车辆集体检测。

经济社会效益分析:1、对接社会需求,性价比高,市场发展潜力巨大;2、对接“国六”标准,促进环保法规实施;3、产品实用性强,成本低,服务于汽车后市场。

用户方面:操作简单,便捷,且无需繁琐复杂的理论知识,可随时随地进行监测。

4)汽车排放物控制技术国内外差距

排放标准宽松。我国现行的汽车排放标准比现在美国的标准宽3~15倍 , 比日本宽10~20倍。以我国生产车排放水平为例,CO为60~125g/试验 ,NOx为6~24g/试验,HC为9~25g/试验;国外CO为10.88g/试验,(NOx HC)为3.08g/试验。

排放标准修改更新慢。国外通常一年就修改一次,逐步加严。而我国十年一贯制 , “修改更新慢 ”。

淘汰汽车报废制度不健全。目前,我国还有不少90年代车仍在路上行, “老弱病残”车超期服役,排放极其恶劣。相反,美、日、欧等国则制定了严格的淘汰报废制度,而且回收报废车。美国和德国把每辆车重量的85%的部件都收回重新利用起来,并在努力提高到90%。法国现在回收利用汽车部件也接近90%。

5)国家排放标准

汽车废气中各污染物的浓度如表1-1所示:

表1-1汽车废气中各污染物浓度(容积比)

污染物

单位

怠速

正常行驶

CO

%

4.07

2

HC

ppm

1200

400

NOx

ppm

600

1000

容积与质量换算系数:

对大气中的污染物,常见体积浓度和质量-体积浓度来表示其在大气中的含量。体积浓度是用每立方米的到中含有污染物的体积数来表示,常用的表示方法是PPM。而用每立方米大气中污染物的质量数来表示的浓度叫质量-体积浓度,单位是mg/m3。体积浓度和质量-体积浓度之间的换算关系为:

X=C#8226;M/22.4

式中: X——污染物以每立方米的毫克数表示的浓度值,mg/m3;

C——污染物以 ppm 表示的浓度值;

M——污染物的分子量,该项目中汽车废气主要污染物分子量,CO=28,HC=72,NO2=46,CO2=44;

根据上式计算,该项目中汽车废气主要污染物体积浓度与质量-体积浓度换算系数分别为 CO 1.25、HC 3.21、 NO2 2.05。

6)汽车排放物控制的目的及意义

综合以上分析可以看出,近50年以来,世界上发达国家和发展中国家都先后遇到了随着工 业的发展、汽车保有量增加而带来的新的环境问题,即汽车排气对大气的污染问题,这是一个全球性的问题在一些工业发达国家,由于汽车工业的大发展,汽车保有量剧增,汽车排放物对大气的污染已构成公害,直接危害人的健康,以至破坏了自然界的生态平衡,引起世人的关注。为了保护大气的洁净,不少国家先后根据国情制定了限制汽车排放物的法规。

各发达国家经过30多年的努力,分阶段逐步加严了对汽车排放污染的控制制定了一套严格的汽车污染物排放法规或标准,并建立了完善的法规、标准实施管理机构,使得汽车污染物的排放治理有法可依,有效地削减了汽车污染物的总排放量,改善了环境。总结发达国家的成功经验,汽车污染物的控制过程,就是一个有效地实施法规标准的过程。

汽车排放的控制,促进了汽车工业和其他相关产业的发展,汽车排放法规、标准的不断加严,促使汽车生产厂家不断提高质量,提高技术,不断开发研制出高新技术产品。

由80年代初开始,我国也逐渐对汽车排气实施控制,由怠速法、 度法起步,逐步开发强制装置法和工况法,其控制污染物的项目逐渐完善,标准逐渐加严但由于我国的国情所限,目前我国的汽车污染物控制和发达国家相比,尚处于初级阶段,汽车排放水平落后发达国家20 多年。今后的10~20年,将是我国汽车发展速度最快的时期,也将是汽车污染急剧加重的时期 。因此,我们面临的任务十分艰巨。

目前,我国汽车排放标准尽管已经逐步完善,但标准、法规的实施尚待健全,因此,标准还未能完全有效实施。汽车排放污染控制工作是一项需要耗费大量资金和人力的工作,若仅有标准,却没有其配套的实施机制,没有足够的人力、物力去研究管理,标准也只能停留在纸面上,不能付诸实施。特别是由于我国汽车的总体技术水平较低且使用时间长,在使用期内经1~2次大修,汽车技术状况劣化的就比较严重同时,在汽车的使用和维修中不重视汽车的排放性能调整及监测,使其排放对大气的污染明显加重。近年来,北京、 广州和上海等地加强了汽车排放检测的力度,缩短了检测周期(3个月) ,使汽车排放性能劣化的问题得到了有效的抑制。但对有关在用车排放性能的劣化规律、影响因素及其群体特征尚未开展深人的研究,尤其是寒带地区汽车排放污染问题仍然是一个空白。

2. 研究的基本内容与方案

1)设计目标

便携式汽车排放物测试系统的设计。

2)基本内容

设计一种采用电池供电的便携式汽车排放物测试系统,对被检测车辆尾气进行直采,通过非分光红外和电化学气体传感器实时测量整车排放污染物的体积浓度。检测尾气排放污染物包括一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)总碳氢化合物(THC)和氮氧化物(NOX),检测结果通过无线蓝牙模块传送至PC服务器。

3)技术方案

总方案一:流程图如图2.1所示:

图2.1 方案一流程图

总方案二:流程图如图2.2所示:

图2.2 方案二流程图

方案一与方案二区别为微处理器的选择不同,具体区别如表2-1所示,可行性对比与分析如表2-2所示:

表2-1 方案一与方案二微处理器区别

方案一

方案二

STC51

STM32

8位机,速度20M

32位机,速度72M或168M

存储空间小

存储空间大

结构简单,引脚少,功能较少

结构复杂,引脚多,功能齐全

趋于淘汰

符合当代趋势

表2-2 可行性分析与对比

方案一(STC51)

方案二(STM32)

竞争对手功能比较

功能较少,单一

功能齐全,可不断开发

技术风险

所用微处理器大众化,所用传感器的公司可以提供技术支持

易用性及用户使用门槛

服务端设计简单,客户端使用简单

服务端设计适中,客户端使用简单

产品环境依赖性

正常环境使用

软硬件成本

微处理器价格低廉,传感器可以根据用户对精度的要求选择不同

市场开拓,竞争压力分析

目前的便携式尾气检测系统价格高昂,该产品主打价格低廉,操作简单,精度高,竞争优势大

后期维护

一次性销售,产品可靠性高

投资回报周期

产品开发简单,一次性消费,经费运转周期小

对接法规及标准

为响应国家环境保护措施,产品设计以国六为标准

对环境影响

产品主要用于检测,无排放,电池供电,属于环境友好型

综上,本次设计选择方案二。

软件设计方案:

本设计采用模块化的编程思路,主要包括STM32F103最小系统程序、各个传感器数据采集程序、数据处理程序、数据存储程序以及蓝牙通讯程序等。系统通过4路气体传感器分别采集CO、CO2、HC以及NOx气体的浓度,并通过相应的数据采集电路把采集到的气体浓度值转换为可被单片机内部AD采集的电压值,最后通过蓝牙通讯的方式把数据发送到上位机实时显示。系统上电后首先执行初始化操作,把装有4路气体电化学传感器的装置置于废气中,让废气通过该装置,通过外部按键控制系统的运行,软件流程图如图2.3所示:

图2.3软件设计流程图

4)措施

尾气的检测采用双怠速检测方法,即汽车在空挡条件下,加油至高速和低速时检测污染物的方法。根据两个工况的排放状况能够基本反映车辆排放状况。

传感器检测到相应气体的浓度,并通过a/d传感器发送给微处理器stm32,stm32将接收到的浓度值通过ILI9341液晶显示屏显示出来;与此同时,stm32通过蓝牙模块hc-05将接收的浓度值发送给pc端,pc端将接收的浓度值通过Labview软件制作的浓度显示界面显示出来,并与标准值进行比较。

3. 研究计划与安排

2.18~2.20 了解本设计的设计背景,应用前景与目前国家在该领域研究的主要方向及深度;

2.21~2.22 阅读gb 18352.6-2106 《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》的相关要求,找到汽车排放尾气中相应气体的正常排放标准,作为本次设计的浓度比较基准;

2.23 学习非分光红外气体分析的原理,查找并阅读相关文献;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 孙友文,刘文清,汪世美,黄书华,于晓曼.非分散红外多组份气体检测技术及其在cems中的应用[a],2012.

[2]王强. 基于电化学传感器的有毒气体检测器设计[j].科技创新与应用,2017(33):92-94.

[3]崔志华. 浅析电化学型气体传感器的工作原理和检测方法[j].黑龙江科技信息,2010(36):45.

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