呂中虎 ， 張 徽 ， 張曉飛

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；2.國土資源部 地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071051）

C02濃度的檢測(cè)方法大致分化學(xué)方法和物理方法。CO2濃度檢測(cè)方法有滴定法、熱催化法、氣敏法、電化學(xué)法，這些屬于化學(xué)方法，這些方法普遍存在價(jià)格貴，普適性差等問題，且測(cè)量精度較低。而物理的方法有超聲波法、氣相色譜法以及眾多借助于光學(xué)來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的方法。也有像光聲光譜法這種化學(xué)和物理結(jié)合的方法。吸收光譜法的依據(jù)是不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的氣體分子對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射的吸收程度不同，CO2氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有強(qiáng)烈的吸收。

目前各種檢測(cè)用的CO2傳感器主要有固體電解質(zhì)式、鈦酸鋇復(fù)合氧化物電容式、電導(dǎo)變化型厚膜式等，這些傳感器存在對(duì)氣體的選擇性差、易出現(xiàn)誤報(bào)、需要頻繁校準(zhǔn)、使用壽命較短等不足。而紅外吸收型CO2傳感器具有測(cè)量范圍寬、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、選擇性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，本次設(shè)計(jì)采用紅外吸收型CO2傳感器[1]。

1 傳感原理

紅外吸收型CO2氣體傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的。不同氣體分子化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射的吸收程度就不同，因此，不同波長(zhǎng)的紅外輻射依次照射到樣品物質(zhì)時(shí)，某些波長(zhǎng)的輻射能被樣品物質(zhì)選擇吸收而變?nèi)酰a(chǎn)生紅外吸收光譜，故當(dāng)知道某種物質(zhì)的紅外吸收光譜時(shí)，便能從中獲得該物質(zhì)在紅外區(qū)的吸收峰。

同一種物質(zhì)不同濃度時(shí)，在同一吸收峰位置有不同的吸收強(qiáng)度，吸收強(qiáng)度與濃度成正比關(guān)系。因此通過檢測(cè)氣體對(duì)光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的影響，便可以確定氣體的濃度[2-3]。

根據(jù)比爾朗伯定律，輸出光發(fā)光強(qiáng)度I、輸入光發(fā)光強(qiáng)度I0和氣體濃度c之間的關(guān)系為

式中:αm為摩爾分子吸收系數(shù)；c為待測(cè)氣體濃度；L為光和氣體的作用長(zhǎng)度（傳感長(zhǎng)度）。對(duì)式（1）進(jìn)行變換，得:

2 儀器設(shè)計(jì)框圖

前端傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)，以串口方式與STM32進(jìn)行通訊，此儀器設(shè)計(jì)三通道采集，利用繼電器電路對(duì)傳感器通道進(jìn)行選擇，STM32將濃度值顯示在液晶屏上，液晶屏帶有觸摸功能，通過編寫液晶顯示界面，調(diào)用相關(guān)按鍵程序，選擇傳感器通道以及保存為U盤數(shù)據(jù)等功能?？驁D如圖1所示。

圖1 儀器設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Instrument design diagram

3 傳感器選擇

選擇了DYNAMENT公司的premier二氧化碳傳感器，此傳感器運(yùn)用非色散紅外原理檢測(cè)氣體，它包括長(zhǎng)壽命鎢紅外光源、供擴(kuò)散氣體進(jìn)入的光通道、一對(duì)經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)募t外原理熱電交換檢測(cè)元件、半導(dǎo)體溫度傳感器和處理紅外熱電交換檢測(cè)器信號(hào)的電子電路，使用方便快捷，如圖2為二氧化碳傳感器外形封裝圖，

圖2 二氧化碳傳感器外形封裝Fig.2 Carbon dioxide sensor encapsulation shape

4 硬件電路設(shè)計(jì)

本儀器設(shè)計(jì)3個(gè)通道的二氧化碳傳感器采集，通過3個(gè)繼電器來選擇傳感器的通斷。如圖3為繼電器控制電路。

圖3 繼電器控制電路Fig.3 Relay control circuit

圖4 STM32最小系統(tǒng)Fig.4 STM32 minimum system

使用低功耗單片機(jī)STM32F103RE，內(nèi)核為：ARM 32-bit Cortex-M3 CPU，尺寸為：10 mm×10 mm，帶有 4個(gè)串口，在本儀器設(shè)計(jì)中，用到3個(gè)串口，一個(gè)與傳感器進(jìn)行通訊，一個(gè)與液晶進(jìn)行通訊，一個(gè)與USB存儲(chǔ)模塊通訊。如圖4為控制器最小系統(tǒng)[4-5]。

選擇迪文科技有限公司的液晶，型號(hào)為DMT32240C035_02W，基本參數(shù)為：3.5英寸，M100內(nèi)核，65K色串口液晶人機(jī)界面。此款液晶帶有觸摸功能[6]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不用添加按鍵電路，只需編寫液晶按鍵程序就能實(shí)現(xiàn)按鍵功能，簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)保存，檔位切換等功能。

5 軟件設(shè)計(jì)

儀器開機(jī)后進(jìn)入液晶程序界面（如圖5所示），選擇傳感器通道，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集程序，將當(dāng)前二氧化碳濃度值顯示于液晶屏上，點(diǎn)擊液晶顯示界面上的保存按鈕，保存當(dāng)前時(shí)間的二氧化碳濃度值。儀器軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖5 儀器開機(jī)界面圖Fig.5 Instrument boot interface diagram

圖6 軟件流程圖Fig.6 Software flow chart

6 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

利用組裝的便攜式二氧化碳監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行了室內(nèi)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，如表1為3個(gè)通道對(duì)同一環(huán)境下，二氧化碳濃度的測(cè)試數(shù)據(jù)，每個(gè)通道測(cè)試10次。從測(cè)試數(shù)據(jù)上看每個(gè)通道測(cè)試數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。且與空氣中二氧化碳碳理論在濃度值接近。

表1 室內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 The indoor test data

7 結(jié)束語

該儀器的開發(fā)主要是為二氧化碳儲(chǔ)存項(xiàng)目服務(wù)，對(duì)二氧化碳泄露進(jìn)行監(jiān)測(cè)，針對(duì)泄露的二氧化碳濃度值范圍不定的情況，儀器設(shè)計(jì)了三個(gè)通道，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了三個(gè)通道數(shù)據(jù)采集情況，測(cè)試結(jié)果說明，儀器運(yùn)行正常。

[1]何睿.基于紅外光譜吸收原理的二氧化碳?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2009.

[2]白澤生.基于紅外傳感器的CO2氣體檢測(cè)電路設(shè)計(jì) [J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（3）:59-60.BAI Ze-sheng.Design of CO2detection circuit based on infrared sensor[J].Insrument Technique and Sensor，2007（3）:59-60.

[3]甘宏，潘丹，張洪春.便攜式非分光紅外吸收型二氧化碳傳感器[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào).2007（3）:19-20 GAN Hong，PAN Dan，ZHANG Hong-chun，Singlechipmicrocomputer-basedcarbondioxide Sensingsystemwithinfraredabsorption[J].Journal of Guilin University of Electronic Technology， 2007（3）:19-20.

[4]張盼盼.基于STM32芯片的工控板設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（11）:135-136.ZHANG Pan-pan.Industrial control board design based on STM32 chip[J].Electronic Design Engineering，2013，21（11）:135-136.

[5]張愛民.STM32微控制器的可靠串口通信技術(shù)研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（10）:21-22.ZHANG Ai-min.Research on serial reliable conmunication technologies based on STM32 microcontroller[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2013（10）:21-22.

[6]辛銳.DGUS觸摸屏串口通信應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].內(nèi)江科技，2013（5）:169-171.XIN RUI.Application design of the DGUS touch screenserial port communication[J].Neijiang Technology，2013（5）:169-171.