基于广域氧传感器的λ仪设计

摘要

进入21世纪，随着汽车数量越来越多，汽车尾气造成的大气污染日益成为全球性问题，而其有害气体的含量与发动机燃烧气的实际空燃比有关，所以在控制汽车尾气污染中对发动机空燃比的测量便十分重要。同时，随着汽车尾气排放标准的不断提高以及稀薄燃烧技术在汽车发动机领域的广泛应用，传统开关型车用氧传感已经不能满足空燃比控制需求。测量范围广、控制精度高的广域氧传感器（Universal Exhaust Gas Oxygen，简称UEGO）已经在汽车发动机燃烧控制系统中得到广泛应用，然而，不同传感器生产厂家由于技术参数的差异，其生产的UEGO传感器需协同专属驱动器才可以正常工作，限制了其移植性。
　　本文以在汽车尾气处理和发动机燃烧控制中应用比较广泛、性能较成熟的德国BOSCH公司生产的LSU4.2型 UEGO氧传感器为研究对象，对广域氧传感器在应用中出现的优缺点、以及其工作、测量原理与控制方法进行了详细阐述。并以 STM32单片机为控制器设计了相应硬件电路和软件控制系统，完成了一种基于UEGO传感器的λ分析仪的设计工作，实现了对氧传感器工作温度的实时监测、调控和氧泵电池回路电流的控制、测量以及显示、人机交互等功能。其中硬件电路主要包括：UEGO氧传感器氧浓差电动势的采集与处理电路、氧泵电池回路电流的输出与控制电路，以及对氧传感器工作温度的调控电路等。软件控制系统则是以STM32单片机处理器为控制单元，基于Keil MDK开发环境完成的C语言控制驱动程序。由于该类传感器材质构造为钇稳定氧化锆导致其只有在高温环境下才呈现出氧离子导电状态，因此使用该传感器时需确保其工作在恒定的高温环境下。于是，本文首先采用阻抗分析仪对在不同工作温度条件下的氧传感器的浓差电池内阻进行测量分析，建立了氧传感器工作温度控制的数学模型，最后通过单片处理器采用数字PID控制算法实现了对传感器工作温度的监测与调控。这也是本文的主要创新点。
　　最后为了对本文设计的λ分析仪的工作性能进行研究，以CS200-A系列数字气体质量流量控制器（MFC）为控制模块，联合NI公司的LabVIEW软件设计了相应的配气、燃烧测试系统。通过实验测试建立了氧泵电流与发动机燃烧状态参数λ（空燃比）值之间的静态关系曲线，并对测试结果进行了处理分析。

目录

声明

引言

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2空燃比分析仪的研究现状

1.3论文的主要工作及创新点

2.1氧传感器的选择

2.2单片机处理的选择

2.3本章小结

3.1方案要求

3.2方案确定

3.3系统特点

4λ分析仪硬件设计

4.1 STM32F407简介

4.2电源管理电路

4.3加热丝功率控制

4.4氧传感器的外围控制和信号输出电路

4.5信号串口通信电路

4.6按键控制与LCD显示电路

4.7硬件实物

4.8本章小结

5λ分析仪软件设计

5.1预加热与温度控制模块

5.2信号处理模块

5.3按键与LCD显示模块

5.4串口通信模块

5.5 STM32仿真调试之Keil MDK介绍

5.6本章小结

6配气系统和测试平台设计以及λ分析仪性能的分析

6.1配气系统与测试平台硬件设计

6.2配气系统的软件设计

6.3λ分析仪性能分析

6.4本章小结

7总结与展望

参考文献

在学研究成果

致谢