張學(xué)典+仲華

摘要：隨著社會(huì)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，環(huán)境問題越來越受到人們的關(guān)注，CO2濃度成為水環(huán)境安全的重要指標(biāo)。針對(duì)傳統(tǒng)CO2濃度探測(cè)器智能化程度低和信號(hào)分析能力差的問題，應(yīng)用非分散紅外（NDIR）新型CO2氣體檢測(cè)系統(tǒng)，持續(xù)不間斷地測(cè)量水體表面的CO2濃度。系統(tǒng)以單片機(jī)STM32為控制芯片，電路是基于熱電堆的氣體傳感器，利用了非分散紅外（NDIR）原理。該電路針對(duì)CO2濃度測(cè)量進(jìn)行優(yōu)化，通過采用不同濾光器的熱電堆之后亦可精確測(cè)量多種氣體的濃度。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：CO2濃度；NDIR；熱電堆

DOIDOI：10.11907/rjdk.171511

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）011005103

0引言

隨著人類工業(yè)化的進(jìn)行，大量的煤炭、石油、天然氣等化石燃料的使用和土地利用方式的變化，使得大氣中溫室氣體濃度迅速增加[1]。自從工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響總體上呈上升趨勢(shì)。截至2005年，大氣濃度值已從工業(yè)化前的約280ppm上升到400ppm，并在持續(xù)增加[2]。CO2對(duì)于水生植物光合作用有著至關(guān)重要的影響，水中CO2的溶解服從亨利定律[3]，并受溫度影響，CO2濃度升高對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響極其顯著。因此，在全球氣候變化背景下研究CO2測(cè)量?jī)x尤為重要[4]。該系統(tǒng)是一個(gè)完整的基于熱電偶的CO2測(cè)量?jī)x，利用了非分散紅外技術(shù)原理，通過采用不同濾波器的熱電堆測(cè)量CO2濃度。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)以STM32F103C8T6為核心，整個(gè)電路框架包括穩(wěn)壓模塊、溫濕度傳感器、兩個(gè)按鍵、四路AD采集、一個(gè)Nokia5110液晶屏以及一個(gè)泵。STM32系列的32位閃存微控制器是使用ARM公司 的CortexM3內(nèi)核，它具有集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的優(yōu)勢(shì)[5]，內(nèi)含18通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器及USART、IIC、USB2.0等豐富的外圍設(shè)備。穩(wěn)壓模塊采用ADP7105芯片，該芯片提供3個(gè)固定輸出電壓選項(xiàng)和可調(diào)輸出型號(hào)，可通過外置反饋分壓器，將輸出電壓調(diào)節(jié)至1.22V～19V，可以為二氧化碳探測(cè)器系統(tǒng)提供12V、5V、3.3V電壓。系統(tǒng)通過控制泵的轉(zhuǎn)動(dòng)抽取現(xiàn)場(chǎng)氣體，經(jīng)過光學(xué)氣室后四路AD采集相應(yīng)信號(hào)，產(chǎn)生的信號(hào)電壓相對(duì)較?。◤膸装傥⒎綆缀练枰褂酶咴鲆婧蜆O低的失調(diào)與漂移的AD8629運(yùn)算放大器放大輸出信號(hào)[6]。再通過相關(guān)算法計(jì)算CO2濃度，溫濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境，液晶屏實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度和CO2濃度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2二氧化碳檢測(cè)工作原理

系統(tǒng)使用熱電堆傳感器接收照射的紅外光源，熱電堆傳感器由若干熱電偶串聯(lián)而成，被紅外光波照射的吸收膜是一種熱容量小、溫度容易上升的薄膜[7]。紅外光照射熱電堆時(shí)，各熱電偶測(cè)溫端溫度上升，熱電偶之間就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，有源檢測(cè)器的紅外密度通過密封光路氣室遞減[8]，此關(guān)系稱為比爾朗伯定律，I=I0e-klx。該定律是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù)，描述如圖2所示。

式中，I表示在目標(biāo)氣體中紅外密度，I0表示零氣體時(shí)紅外密度，K表示特定氣體和濾光氣體密度，l表示燈與檢測(cè)器之間的等效光學(xué)路徑長(zhǎng)度，x表示氣體濃度。

圖2光強(qiáng)通過CO2變化情況

將CO2通入采樣腔中，當(dāng)一束平行的單色光通過采樣腔時(shí)，CO2的吸光度與CO2濃度和光的乘積成正比。采樣腔中的CO2濃度越大則對(duì)光的吸收愈多，透過的光就愈弱。向采樣腔中通入低濃度的CO2氣體或者純氮?dú)?，再輸入高濃度的CO2，通過這兩種濃度的氣體進(jìn)行校準(zhǔn)。

在紅外頻譜中，氣體可吸收特定頻率的光波，這種特性可用作氣體分析。當(dāng)紅外輻射射入氣體中，并且當(dāng)紅外波長(zhǎng)匹配分子的自然頻率或諧振頻率時(shí)，原子能態(tài)根據(jù)分子的離散步長(zhǎng)變化而振動(dòng)[9]。

如圖3所示，CO2在4 200～4 300nm范圍內(nèi)的吸收強(qiáng)度比在其它波長(zhǎng)的吸收強(qiáng)度強(qiáng)，在3 500～4 000nm之間的吸收強(qiáng)度最弱。圖4顯示了CO2吸收頻譜與水的吸收頻譜重疊，可以明顯發(fā)現(xiàn)，在3 500～4 300mm范圍內(nèi)，水對(duì)紅外頻譜的吸收較弱，因此選擇此波長(zhǎng)段的光波。在檢測(cè)器上放置兩個(gè)濾光器，一個(gè)濾光器吸收波長(zhǎng)4 260nm光的輸出作檢測(cè)通道，另一個(gè)吸收3 910nm光的輸出作基準(zhǔn)通道。通過兩個(gè)通道的電壓之比即可計(jì)算出CO2的濃度（所有吸收數(shù)據(jù)均來自HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)）。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下模塊功能：系統(tǒng)初始化、上位機(jī)通信協(xié)議、數(shù)據(jù)采集、算法設(shè)計(jì)、液晶顯示。系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5系統(tǒng)流程

3.1系統(tǒng)初始化

初始化MCU和系統(tǒng)自檢初始化定時(shí)器，主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置定ADC初始化、串口初始化和通用I/O口GPIO的配置[1013]。

RCC_Configuration（）；//定義系統(tǒng)時(shí)鐘初始化函數(shù)

ADC_Init（）；//初始化函數(shù)

CO2_NVICInit（）//中斷初始化

中斷初始化函數(shù)涉及中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置NVIC_SetPriority（）和中斷使能NVIC_EnableIRQ（）。

對(duì)GPIO的配置分為模擬輸入和模擬輸出兩種模式，主要是對(duì)PA、PC、PF幾個(gè)IO口進(jìn)行配置。PF6、PF7作為輸出模式控制紅綠指示燈狀態(tài)，PF0、PF1作為模擬輸入口檢測(cè)按鍵，PA作為輸出模式驅(qū)動(dòng)5110液晶，PC0、PC1驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊，用ADC0、ADC1、ADC2、ADC3采集傳感器輸出信號(hào)。

3.2上位機(jī)通信協(xié)議設(shè)置

在串口設(shè)置代碼中設(shè)置上位機(jī)的串口波特率115 200Hz、1個(gè)啟動(dòng)位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗(yàn)7位和2個(gè)停止位。打開上位機(jī)，如果波特率設(shè)置不正確，則電路無法響應(yīng)。通過上位機(jī)發(fā)送指令Start開啟光學(xué)電路的指示燈并且啟動(dòng)ADC采集信號(hào)，由于燈和熱電堆的特性不同，開啟燈和熱電堆時(shí)必須通過上位機(jī)發(fā)送指令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，設(shè)計(jì)scal指令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，首先向密室中注入零氣體使光路環(huán)境穩(wěn)定，在上位機(jī)中輸入scal命令回車，屏幕顯示輸入零氣體值，向氣室中充入氮?dú)夥€(wěn)定后在上位機(jī)中輸入零氣體濃度值0，屏幕顯示輸入滿量程值，向氣室中充入高濃度二氧化碳穩(wěn)定后在上位機(jī)中輸入高濃度值。系統(tǒng)通過輸入的量程值通過核心算法計(jì)算出濃度計(jì)算公式中的相關(guān)參數(shù)。系統(tǒng)校準(zhǔn)之后向氣室中輸入一定濃度值的二氧化碳，系統(tǒng)通過將二氧化碳濃度值帶入校準(zhǔn)好的濃度公式中計(jì)算出CO2濃度值。endprint

3.3數(shù)據(jù)采集

非分散紅外技術(shù)是通過一定波長(zhǎng)的紅外光照射密封氣室，再通過一定濃度值的CO2對(duì)光強(qiáng)度的影響計(jì)算CO2的濃度值[1417]。密封氣室通過管道通向目標(biāo)氣體，在氣室口通過泵的轉(zhuǎn)動(dòng)注入氣體，系統(tǒng)通過L9110電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)泵，通過L9110init（）函數(shù)初始化電機(jī)驅(qū)動(dòng)的GPIO口。密室中充滿某濃度值的CO2后，在程序中通過設(shè)置ADC中斷定時(shí)采集熱電堆傳感器輸出信號(hào)。NVIC_EnableIRQ（）函數(shù)使能ADC中斷，通過ADC_IRQ（）函數(shù)處理數(shù)據(jù)。

3.5液晶顯示

Nokia5110較其它液晶性價(jià)比高，可以顯示15個(gè)漢字，30個(gè)字符，接口簡(jiǎn)單只需要4根I/O口就可驅(qū)動(dòng)，速度是12 864的20倍，1 602的40倍。首先通過LCD初始化函數(shù)LCDIoInit（）對(duì)I/O口初始化，再根據(jù)時(shí)序圖驅(qū)動(dòng)液晶。

4系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室，通過將不同標(biāo)準(zhǔn)值的CO2氣體輸入探測(cè)器中，濃度值分別為20ppm、50ppm、150ppm、500ppm、1 000ppm、2 000ppm，環(huán)境溫度控制在25℃，采樣若干次將采樣數(shù)據(jù)導(dǎo)入文本中，得到的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

經(jīng)分析，該探測(cè)器滿足GB/T 18204.24-2000標(biāo)準(zhǔn)，并且在環(huán)境溫度合理范圍內(nèi)，該模塊數(shù)據(jù)沒有明顯變化。對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：①CO2濃度較低時(shí)，測(cè)得氣體濃度一般低于實(shí)際氣體濃度；②CO2濃度較高時(shí)，測(cè)得氣體濃度一般高于實(shí)際氣體濃度；③氣體濃度較高時(shí)，氣體濃度測(cè)量?jī)x進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)需要一定時(shí)間，剛開始測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差較大；④氣體濃度較高或較低時(shí)，測(cè)得數(shù)據(jù)誤差較大；⑤氣體濃度適中時(shí)，測(cè)得數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)：

[1]劉中奇，王汝琳.基于紅外吸收原理的氣體檢測(cè)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，33（1）：6568.

[2]黃書華，孫友文，劉文清，等.基于非分散紅外光譜吸收法的SO2測(cè)系統(tǒng)研究[J].紅外，2011，32（12）：1013.

[3]孫友文，劉文清，汪世美，等.NDIR多組分氣體分析的干擾修正方法研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2011，31（10）：27192724.

[4]陳曉寧，劉建國(guó)，司福祺，等.非分散紅外吸收光譜法空氣痕量污染氣體監(jiān)測(cè)濃度算法[J].光電工程，2008，35（2）：114117.

[5]陳曉寧，劉建國(guó)，司福祺，等.非分散紅外CO氣體檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，2（3）：207210.

[6]張勇.基于非分散紅外_NDIR_原理的便攜式瓦斯檢測(cè)儀[J].煤礦機(jī)械，2012，33（10）：173174.

[7]劉敏，唐禎安，張洪泉.基于非分散紅外（NDm）原理的煤礦甲烷檢測(cè)儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（3）：1820.

[8]張軍輝，董永貴，王東生.非調(diào)制型NDIR傳感器及其信號(hào)處理方法的改進(jìn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，48（2）：189191.

[9]李小偉，桑志鋒，莊汝科，等.基于NDIR原理的便攜式CO2濃度檢測(cè)儀[J].山東科學(xué)，2009，22（3）：5052.

[10]王文萃，欒美生，于彤彥.紅外甲烷氣體檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)以及干擾分析[J].紅外技術(shù)，2009，31（8）：458460.

[11]李小偉，車曉波，馬建輝.基于NDIR原理的紅外CO濃度檢測(cè)儀[J].山東煤炭科技，2009（4）：8686.

[12]張勇.基于非分散紅外_NDIR_原理的便攜式瓦斯檢測(cè)儀[J].煤礦機(jī)械，2012，33（10）：173174.

[13]劉敏，唐禎安，張洪泉.基于非分散紅外（NDm）原理的煤礦甲烷檢測(cè)儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（3）：1820.

[14]陳曉寧，劉建國(guó)，司福祺，等.非分散紅外CO氣體檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，2（3）：207210.

[15]司福祺，劉建國(guó)，謝品華，等.相關(guān)檢測(cè)技術(shù)在CO氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].光電工程，2006，33（7）：7477.

[16]王海棠，黃琦蘭，劉尚.基于NDIR法汽車尾氣分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（6）：4850.

[17]張帆，張立萍.紅外吸收光譜法在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，27（5）：6264.

責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）endprint