大面积氧气传感器（UEGO）是柴油发动机后处理系统的重要传感器。UEGO传感器具有特殊的结构，需要控制器一起工作。
文档使用MC9S12XS128作为内核来设计控制器。采用积分比例微分加热（PID）策略来保持传感器温度，并收集和显示过量空气系数λ。后，使用测试台对传感器进行校准，以检查数据的有效性。着越来越严格的减排法规，各种节能减排新技术被不断应用于乘用车，柴油机，重型卡车等领域。面积氧气传感器（UEGO）可以在宽范围内准确测量混合在废气中的气体的过量空气系数λ，从而间接获得空燃比。UEGO传感器和三元催化转化器组成的闭环燃油控制系统是当前发动机废气排放控制系统中最有效的手段[1]。2000年，氧气传感器开始在美国和欧洲用于排气排放控制系统[2]。后，氧气传感器技术不断提高。传统的开关式氧气传感器相比，UEGO不仅可用于控制普通发动机上混合气的空燃比，而且在控制混合气的空燃比方面起着极其重要的作用。燃油[3]。了控制和检测UEGO，需要专门的控制器来执行数据的收集和诊断[4]。种设计方案是将专用控制器集成到发动机电子控制单元（ECU）中，该控制器已应用于许多高端乘用车[5]。
是，对已经量产的发动机ECU进行大修将对成本造成压力。一种设计方案是设计一个独立的控制器[6]，该控制器使用控制器局域网（CAN）总线与发动机ECU通信以控制废气排放。方案可以有效降低后续开发成本。文档基于第二张图设计的独立UEGO LSU4.9控制器，恒温阀芯并且已对系统进行了校准。
UEGO是氧化锆型氧气传感器。传统的开关式氧气传感器上增加了氧气泵，该氧气泵可以检测混合气体的化学计量比和临界电流。的工作原理是在λ= 1时保持被测气体的氧气含量等于废气的氧气含量，并根据电流的方向和大小间接确定混合物的空燃比。气泵。
UEGO结构[7]如图1所示。化锆材料的氧离子电导率[8]。温度超过300℃时，O 2吸附表面电离并从具有较高氧分压的大气侧流向具有较低氧分压的排气侧。量的氧离子积累，从而在两侧的铂膜之间形成电势差。此，UEGO控制器的主要任务是精确控制内部氧气泵的电流和热量，以保持探头的工作温度。LSU4.9 UEGO对控制器有以下要求：首先，控制系统必须将探头保持在最佳工作温度范围内。次，系统可以实时检测温度和氧气含量值，并将其发送给处理后显示。后，系统喂入探针。
据要求，所设计系统的功能框图如图2所示。系统由电源模块，单片机模块，显示模块和显示模块组成。讯接口模块。控制器采用飞思卡尔公司[64]的64引脚LQFP封装的16位MC9S12XS128单片机。
模型包括一个模数（AD）转换模块，一个串行外围接口（SPI）模块，一个CAN模块和一个通用异步收发器（UART）。些模块，脉冲调制模块（PWM）和丰富的输入和输出（IO）资源可以完全满足系统要求。示模块包括三个数字7段管。源模块将探头和微控制器的24 V灾难分别转换为5 V和3.3V。感器控制模块采用BOSCH的ASIC芯片，具有4种功能，即：探针加热控制模块，电源模块，IP控制电路和Vout输出电路。软件方面，系统具有以下要求：首先，响应探头的冷启动和加热顺序，如图3所示。次，它响应传感器的控制命令。机和引擎ECU。外，空燃比电压的值Ua被线性地调节，并且值λ被计算和测量。
三，显示主机监控界面。后，在测试平台上进行在线编程。据系统要求，下部计算机控制软件编写在平台CodeWarrior上，包括加热控制，SPI，UART，CAN，数字管显示，线性连接器和引导加载程序。完成了对传感器探头的控制，测试数据的获取以及指令传输和其他功能，软件流程如图4所示。机计算机的监视接口由LABVIEW编写，以获得一个实时显示测试数据。面如图5所示。据LSU4.9的要求，探头控制器的冷启动加热过程不能超过30 s，初始加热电压低于8.5 V ，PWM模块的加热速率小于0.4 V / s，最大加热电压小于13V。
感器的温度必须保持在780°C（最佳lambda采集温度）。[10]使用废气来维持探头的温度，但是由于操作条件的变化，这种方法将导致传感器的响应性能下降。本文中，PID算法用于实现主动加热，这可以在整个工作条件范围内保证传感器的性能。统加电后，初始化每个模块并读取当前温度。
果未达到定义的阈值，则启动冷启动加热策略以在大约13秒内完成对第一阶段的加热；否则，直接进入第二阶段加热过程并使用PID加热，该策略将探头温度保持在定义的范围内。果温度在规定范围内，则读取值Ua并通过表格搜索方法输出值λ，然后根据该值将值λ发送至数字管，主机或发动机ECU。要。自主机或引擎ECU的控制命令通过中断从单片机获得响应，并通过SPI寄存器读取传感器控制模块和探头的操作状态。测量阶段，主机可以通过串行端口（通过CAN总线的发动机控制单元）查询传感器的运行状态，当前温度和λ值。
据调试现场编程的需要，端口PA0用于确定是否进入引导加载程序引导程序。导加载程序通过串行端口实现微控制器的在线编程，以便开发人员可以在远离平台的位置进行调试。LSU4.9 UEGO输出的参数是模拟电压值Ua，Ur（传感器温度电压），其中Ua和λ具有函数关系[11]，为了获得两者之间的对应关系，传感器必须校准。6显示了所用氧气传感器的校准测试流程图。试设备包括：涡流测功机500，AVL PUMA工作台，HoribaMEXA-700λ空燃比分析仪，大型表面氧传感器控制器，PC和稳压电源。了准确确定λ值，在AVL PUMA测试台的排气管上安装了氧气传感器和大面积控制器。度，λ和诊断数据通过RS232总线连接到PC侧的监视接口，并与Horiba空燃计一起显示。照λ。了精确定义LSU4.9 UEGO的工作状态，有必要确定最佳工作温度范围和λ的校准基准。据UEGO传感器对工作温度环境的要求：当探头材料的电阻Ri为300Ω时，探头处于780°C的最佳温度，该温度用作探头的参考点。度校准。排气空燃比为理论值时，输出电压Ua为1.5 V，用作λ= 1的校准参考点。油机的控制系统为用于连续调节发动机的工况，从而改变废气混合物的空燃比。定后，将根据来自from场空燃比分析仪的数据进行校准。准过程中的工作条件越多，校准数据的范围就越大，调整曲线的精度也越高。据测试条件，总共获得31个有效测试数据集，并在经过软件过滤和平均处理后读取与测试点相对应的电压值Ua，如图7所示。
用分段线性拟合法建立函数λ与Ua之间的关系。一次校准后，λ值调整功能将重新编程并传输并记录在主机的监视界面上。准测试后，将UEGO控制器的值λ与Horiba空燃比分析仪的数据进行比较。考结果表明，测量数据与第一个校准条件点一致，在测试间隔内，λ误差小于5％。据UEGO传感器的工作原理和特点，设计了以单片机为心脏的微控制器。据通过UART总线和PC监视接口在CAN总线和引擎ECU之间进行通信，并进行空气系数λ的收集。后，在AVL PUMA测试台上进行了UEGO校准测试，结果表明所设计的控制系统在测试范围内具有较高的精度。
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