本实用新型涉及内燃机和气体检测技术领域，具体涉及一种基于传感器的内燃机油耗和尾气中pm2.5含量检测装置。
背景技术：
伴随着经济的快速发展，环境污染问题日益加剧。其中pm2.5就是主要的空气污染物之一，pm2.5是一种直径长度小于2.5微米的颗粒物，由于体积较小，造成其在空气中的悬浮时间相对较长，因此它吸附了空气中较多的其他有害元素。如果人体长期暴露在pm2.5超标的环境中，会对人体产生较大的威胁。
而造成pm2.5浓度超标的一个主要原因就是内燃机的尾气排放，因此加强对内燃机的油耗和尾气中pm2.5含量的检测就变得尤为重要。传统的油耗计对油耗的检测，随着科学技术的进步，这一技术的弊端逐渐表现出来，具体表现为适用范围狭窄、精度不够、功耗较大、抗干扰性较差、不可靠等。如何对内燃机油耗进行精准检测，是目前迫在眉睫需要解决的问题。
我国对于空气中pm2.5含量的检测始于2012年，目前大部分用于检测空气中pm2.5含量的仪器，无法解决对内燃机尾气中pm2.5含量的精准、实时检测。因此研究一种能够自动精准检测内燃机尾气中pm2.5浓度的技术对于空气质量的改善具有极为重要的意义。
技术实现要素：
本实用新型实施例提供一种基于传感器的内燃机油耗和尾气中pm2.5含量检测装置,能够提高内燃机油耗和内燃机尾气中pm2.5含量检测的精确度,大幅降低仪器所需要功耗,同时还兼顾了仪器的抗干扰能力。
为了达到以上要求,本实用新型的实施例采用如下技术方案:一种基于传感器的内燃机油耗和尾气中pm2.5含量检测装置，包括传感器、单片机、显示器和气体收集箱；所述气体收集箱为收集内燃机尾气的装置，用塑料薄膜保证气体密封性，并通过空气流量计、气压表、红外测温装置，收集箱内的数据；该气体收集箱为流通式，包括进气口和排气口；其中，进气口通过软管与内燃机的排气口相连；所述红外测温装置分别测试传感器周围的温度数据，并返回数据给单片机；所述空气流量计与所述气体收集箱排风口相连，用于测量排气口的流量；所述传感器安装于发动机的进回油管道以及气体收集箱内，检测车辆油耗和尾气中pm2.5含量，同时把信号发送给单片机进行处理；单片机为该车辆油耗和尾气中pm2.5的检测装置的核心，主要任务包括接收来自传感器的信号并进行处理，将处理结果输出到显示器上进行显示。
所述尾气检测箱进气口17的直径为5cm，排气口20的直径为5cm，检测时保证检测箱内气压与大气压一致。
所述传感器包括检测油耗的传感器和检测内燃机尾汽中pm2.5含量的传感器。
进一步，所述检测油耗的传感器为容积式流量传感器，将其接在发动机的进、回油管道上，对燃油流量信号进行采集，并通过信号转换机构将信号转换后发送给单片机。
更进一步，所属容积式流量传感器的型号为YH-2型流量传感器。
更进一步，所述流量传感器，包括活塞1、连杆2、曲轴7以及信号转换器；在泵油的压力作用下，燃油推动活塞1运转，活塞1的运转推动曲轴7进行旋转，进而完成一次完整的进、排油循环，即曲轴7旋转一周，曲轴7旋转一周，4个缸全部排油一次。
更进一步，所述信号转换机构，包括转轴、光栅板10、主动磁铁、从动磁铁、发光二极管9、光敏管、电缆插座和壳体；主动磁铁和从动磁铁分别被安装在曲轴和转轴上，转轴的轴承在壳体内起到支撑作用，同时转轴的上方固定有转动光栅板13，光栅13的上下两侧固定有发光二极管和光敏管；曲轴7在转动时，由于两块磁铁的吸引作用，带动转轴包括其上方的转动光栅13开始转动，此时，通过发光二极管9和光敏管之间的光电作用，将曲轴的转动转变为光电脉冲信号传入单片机中，通过运算处理后，即可得到燃油量。
所述检测内燃机尾气中pm2.5含量的传感器为SDS011，该传感器通过激光散射原理，分别布置在气体收集箱的顶部、中部、底部，可准确检测出内燃机尾气中pm2.5含量,并通过数字化输出，将结果传送到单片机。
所述单片机为51系列单片机。
进一步，所属单片机的型号为89C51。
所述显示器为1.44寸TFT屏，分辨率为128x128,用于对单片机传输的数据进行实时显示。
基于上述技术方案的检测车辆油耗和尾气中pm2.5含量的装置，可以获取被检测车辆的油耗信息，并能够获得该内燃机的尾气中pm2.5的含量。
一种内燃机油耗和尾气中pm2.5含量检测方法，包括油耗检测和pm2.5检测，具体步骤为：
步骤1)油耗检测；
步骤1.1)流量传感器采集发动机的进、回油管道的燃油流量，排油量的计算公式为：
式中：V为排油量，单位cm3；4为油缸的数量；πD2/4为活塞的截面积，单位cm2；2h为活塞的行程，单位cm。
步骤1.2)信号转换机构将曲轴的转动转变为光电脉冲信号传入单片机中；
步骤1.3)计算燃油量，具体计算公式如下：
式中：N为脉冲数；V为排油量，单位L。
将系数K预先保存在单片机的存储器中，单片机从得到的YH-2型流量传感器传回的脉冲频率f和系数K求得燃油量Q,具体计算公式为：
式中：f为脉冲频率，单位Hz；Q为燃油量，单位L/h；
步骤2)内燃机尾气中pm2.5检测：
步骤2.1)设计尾气收集箱体积的大小，具体计算公式为：
V＝Mp·Vep·d
式中：V为经过通道的流量，单位m3；Mp为微粒质量，单位g；
Vep为经过过滤器的流量,单位m3；d为和运转循环相同的距离，单位km。
步骤2.2)尾气收集时间，根据如下公式得到：
式中：t为尾气收集时间，单位s；v为内燃机排量，单位L；n为发动机转速，单位r/min；
步骤2.3)对内燃机尾气中pm2.5含量进行检测：
步骤2.31)试验车预热5～10min,发动机的怠速稳定在750r/min,水箱的温度达到80℃，在此怠速工况下进行测试；
步骤2.32)将待检测车辆排气管和尾气检测箱进行连接；
步骤2.33)实验数据每30s记录一下，包括pm2.5实时浓度和均值浓度、箱内的湿度和温度；当检测值趋于稳定，数值记录无明显变化，测试结束；
步骤2.34)测试结束后，因为尾气中湿度较高，将尾气检测箱进行风干操作，以便于进行下次检测。
所述流量传感器输出两路脉冲信号，使用正反转的判断程序，降低了由于回油压力波冲击流量传感器，造成的数据采集上的误差问题，将误差控制在0.1mL以内。
所述pm2.5检测采用光散射原理间接测量pm2.5含量，当光线照射颗粒物时发生散射现象，测量光被散射后的光照强度，颗粒物的散射光光照强度与其质量浓度成正比关系，从而得到pm2.5的含量。该测量方法要求空气具有一定的流通性，将其置于尾气收集箱中，可完全满足其测量所需要的条件。
检测内燃机尾气中pm2.5含量时，传感器向串口发送包含10个字节的数据包，数据包主要包含报文头、指令号、pm10低字节、pm10高字节、pm2.5低字节、pm2.5高字节、传感器ID、传感器ID2、校验和报文尾；收到数据后取出有关pm2.5数据的两个字节，通过如下公式计算pm2.5数值：
与现有的技术相比，本实用新型为内燃机油耗和尾气中pm2.5含量检测提供的解决方案，有如下优点：
本实用新型应用了先进的传感器技术、显示技术以及单片机技术，开发车辆油耗和尾气中pm2.5含量的检测装置。主要包括检测装置系统硬件的选择，组建了装置整体结构；进行了装置整体系统的设计和实现。
车辆油耗和内燃机尾气中pm2.5含量检测装置在单片机的控制下，采用容积式流量传感器和SDS011分别实现对油耗和pm2.5含量的精确测量，具有较强的抗干扰能力，实时数据的可靠性大幅提高。克服了国内外，同类产品精度较低、测试功能不够全面、成本较高等诸多问题。可以对车辆燃油、气体排放是否能够达标进行综合评估，应用前景广阔。
附图说明
为了说明本实用新型实施例以及现有技术中的技术方案，下面对实施例中所使用到的部分附图进行简单介绍。此处的附图并入说明书，并作为本说明书的一部分，并与该说明书一起解释本实用新型的原理。
图1为本实用新型提供的容积式流量传感器本体结构示意图。
图2为容积式流量传感器的信号转换机构的结构示意图。
图3为本实用新型提供的内燃机尾气中pm2.5含量检测装置结构示意图。
图4为本实用新型提供的内燃机油耗和内燃机尾气中pm2.5含量检测装置中单片机和串口扩展芯片的连接示意图。
图5为本实用新型提供的显示器和单片机的连接示意图。
图6为本实用新型提供的单片机系统电路原理图。
图中1、3、6、8-活塞；2-连杆；4-输油管道；5-排油口；7-曲轴；9-光敏二极管；10-固定光栅；11-磁性轴节；12-信号端子；13-转动光栅；14-转速/脉冲交换装置；15-流量/转速交换装置；16-活塞；17-进气口；18-组合式温度、湿度、风速、大气压力五合一检测装置；19-SDS011pm2.5检测传感器；20-排气口。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细、完整地描述。以下所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，并不是全部实施例。
如图1、2所示，各种流量传感器的工作方式不同，可分为容积式流量传感器和质量式流量传感器，出于对抗干扰能力、测量精度、性价比等方面的综合考虑，容积式流量传感器要优于质量式流量传感器，并且容积式流量传感器与车辆发动机油路更易于连接。因此，本实用新型在油耗检测中选择容积式流量传感器，型号为YH-2型流量传感器。
YH-2型流量传感器的相关技术参数，如表1所示。
表1 YH-2型流量传感器的相关技术参数
YH-2型流量传感器主要构成包括活塞1、连杆2、曲轴7以及信号转换器。在泵油的压力作用下，燃油推动活塞1运转，活塞1的运转可以推动曲轴7进行旋转，进而完成一次完整的进、排油循环，即曲轴7旋转一周。曲轴7旋转一周，4个缸全部排油一次，排油量的计算可使用下式：
式中：V为排油量，单位cm3；4为油缸的数量；πD2/4为活塞的截面积，单位cm2；2h为活塞的行程，单位cm。
信号转换机构，包括转轴、光栅板10、主动磁铁、从动磁铁、发光二极管9、光敏管、电缆插座和壳体等组成。主动磁铁和从动磁铁分别被安装在曲轴和转轴上，转轴的轴承在壳体内起到支撑作用，同时转轴的上方固定有转动光栅板13，光栅13的上下两侧固定有发光二极管和光敏管。曲轴7在转动时，由于两块磁铁的吸引作用，会带动转轴包括其上方的转动光栅13开始转动，这时，可通过发光二极管9和光敏管之间的光电作用，由此可将曲轴的转动转变为光电脉冲信号传入单片机中，通过运算处理后，即可得到燃油量。
燃油量的具体计算公式如下：
式中：N为脉冲数；V为排油量，单位L。
将系数K预先保存在单片机的存储器中，单片机即可从得到的YH-2型流量传感器传回的脉冲频率f和系数K求得燃油量Q,具体计算公式为：
式中：f为脉冲频率，单位Hz；Q为燃油量，单位L/h。
本实用新型采用的YH-2型流量传感器输出两路脉冲信号，可以使用正反转的判断程序，很好地降低了由于回油压力波冲击流量传感器，造成的数据采集上的误差问题，可以将误差控制在0.1mL以内，精度较高。
如图3为内燃机尾气中pm2.5含量检测装置结构示意图。
pm2.5含量检测采用SDS011 19，相关技术参数如表2所示。
表2 SDS011pm2.5检测装置参数
SDS011采用光散射原理间接测量pm2.5含量，当光线照射颗粒物时，会发生散射现象，测量光被散射后的光照强度，颗粒物的散射光光照强度与其质量浓度成正比关系，从而可以得到pm2.5的含量。该测量方法要求空气具有一定的流通性，将其置于尾气收集箱中，可完全满足其测量所需要的条件。
SDS011向串口发送包含10个字节的数据包。数据包主要包含报文头、指令号、pm10低字节、pm10高字节、pm2.5低字节、pm2.5高字节、传感器ID、传感器ID2、校验和、报文尾。收到数据后取出有关pm2.5数据的两个字节，通过如下公式计算pm2.5数值：
传感器(SDS011)周围温度检测采用AR 8889型红外测温装置,参数如表3所示。
表3 AR 8889型红外测温装置参数表
尾气检测箱内环境参数的检测，选用组合式温度、湿度、风速、大气压力检测五合一检测装置18，具体参数如表4所示。
表4五合一检测装置参数表
尾气收集箱体积大小的设计可由以下公式得到：
V＝Mp·Vep·d
式中：V为经过通道的流量，单位m3；Mp为微粒质量，单位g；
Vep为经过过滤器的流量,单位m3；d为和运转循环相同的距离，单位km。
尾气收集时间根据如下公式得到：
式中：t为尾气收集时间，单位s；v为内燃机排量，单位L；n为发动机转速，单位r/min。
尾气检测箱的设计应符合如下要求，进气口17的直径为5cm，排气口20的直径为5cm，检测时还应保证检测箱内气压与大气压一致，其他相关检测装置的位置如图3所示。
对内燃机尾气中pm2.5含量的检测，具体包括以下步骤：
S1、试验车需要进行预热5～10min,发动机的怠速稳定在750r/min,水箱的温度要求达到80℃，在此怠速工况下进行测试。
S2、将待检测车辆排气管和尾气检测箱进行连接。
S3、实验数据需要每30s记录一下，包括pm2.5实时浓度和均值浓度、箱内的湿度和温度。当检测值趋于稳定，数值记录无明显变化，测试结束。
S4、测试结束后，因为尾气中湿度较高，需要将尾气检测箱进行风干操作，以便于进行下次检测。
如图4所示，本实用新型采用单片机串口拓展芯片GM8125，共扩展出4个串口，3、4和YH-2型流量传感器连接，5、6和SDS011pm2.5检测装置连接，7、8和红外测温装置连接，9,10和组合式温度、湿度、大气压力、风速五合一检测装置连接。通过串口连接时监测仪器的通信稳定性得到提高。
如图5所示为本实用新型提供的显示器和单片机的连接示意图。P3.0连接RS，
P3.1连接P3.2连接E。首先对LCD进行初始化操作，在驱动芯片ST7735上进行编程，其中为了显示我们需要的字符，首先需要对字符进行取模，将字符转换成为16进制的数组，通过调用GUI的API对这些数据在显示屏上进行打印。
如图6所示，本实用新型的检测部分共分为两部分，一部分用于对内燃机油耗的检测，另一部分用于内燃机尾气中pm2.5含量的检测，传感器接收到数据后，将数据发送给处理部分，单片机程序对数据进行处理，最后把结果发送给显示屏显示。