基于STM32的CO2濃度探測系統(tǒng)研究

張學典+仲華

摘要：隨著社會的進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注，CO2濃度成為水環(huán)境安全的重要指標。針對傳統(tǒng)CO2濃度探測器智能化程度低和信號分析能力差的問題，應用非分散紅外（NDIR）新型CO2氣體檢測系統(tǒng)，持續(xù)不間斷地測量水體表面的CO2濃度。系統(tǒng)以單片機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CO2濃度測量進行優(yōu)化，通過采用不同濾光器的熱電堆之后亦可精確測量多種氣體的濃度。

關鍵詞關鍵詞：CO2濃度；NDIR；熱電堆

DOIDOI：10.11907/rjdk.171511

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011005103

0引言

隨著人類工業(yè)化的進行，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，人類活動對氣候的影響總體上呈上升趨勢。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對于水生植物光合作用有著至關重要的影響，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測量儀尤為重要[4]。該系統(tǒng)是一個完整的基于熱電偶的CO2測量儀，利用了非分散紅外技術原理，通過采用不同濾波器的熱電堆測量CO2濃度。

1系統(tǒng)結構

整個系統(tǒng)以STM32F103C8T6為核心，整個電路框架包括穩(wěn)壓模塊、溫濕度傳感器、兩個按鍵、四路AD采集、一個Nokia5110液晶屏以及一個泵。STM32系列的32位閃存微控制器是使用ARM公司 的CortexM3內核，它具有集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體的優(yōu)勢[5]，內含18通道的12位A/D轉換器及USART、IIC、USB2.0等豐富的外圍設備。穩(wěn)壓模塊采用ADP7105芯片，該芯片提供3個固定輸出電壓選項和可調輸出型號，可通過外置反饋分壓器，將輸出電壓調節(jié)至1.22V～19V，可以為二氧化碳探測器系統(tǒng)提供12V、5V、3.3V電壓。系統(tǒng)通過控制泵的轉動抽取現(xiàn)場氣體，經過光學氣室后四路AD采集相應信號，產生的信號電壓相對較?。◤膸装傥⒎綆缀练?，需要使用高增益和極低的失調與漂移的AD8629運算放大器放大輸出信號[6]。再通過相關算法計算CO2濃度，溫濕度傳感器檢測環(huán)境，液晶屏實時顯示環(huán)境溫度和CO2濃度。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2二氧化碳檢測工作原理

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，各熱電偶測溫端溫度上升，熱電偶之間就會產生電動勢，有源檢測器的紅外密度通過密封光路氣室遞減[8]，此關系稱為比爾朗伯定律，I=I0e-klx。該定律是本系統(tǒng)設計的基礎依據(jù)，描述如圖2所示。

式中，I表示在目標氣體中紅外密度，I0表示零氣體時紅外密度，K表示特定氣體和濾光氣體密度，l表示燈與檢測器之間的等效光學路徑長度，x表示氣體濃度。

圖2光強通過CO2變化情況

將CO2通入采樣腔中，當一束平行的單色光通過采樣腔時，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氣體或者純氮氣，再輸入高濃度的CO2，通過這兩種濃度的氣體進行校準。

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。當紅外輻射射入氣體中，并且當紅外波長匹配分子的自然頻率或諧振頻率時，原子能態(tài)根據(jù)分子的離散步長變化而振動[9]。

如圖3所示，CO2在4 200～4 300nm范圍內的吸收強度比在其它波長的吸收強度強，在3 500～4 000nm之間的吸收強度最弱。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，水對紅外頻譜的吸收較弱，因此選擇此波長段的光波。在檢測器上放置兩個濾光器，一個濾光器吸收波長4 260nm光的輸出作檢測通道，另一個吸收3 910nm光的輸出作基準通道。通過兩個通道的電壓之比即可計算出CO2的濃度（所有吸收數(shù)據(jù)均來自HITRAN數(shù)據(jù)庫）。

3系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)主要實現(xiàn)如下模塊功能：系統(tǒng)初始化、上位機通信協(xié)議、數(shù)據(jù)采集、算法設計、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)自檢初始化定時器，主要包括系統(tǒng)時鐘設置定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)先級設置NVIC_SetPriority（）和中斷使能NVIC_EnableIRQ（）。

對GPIO的配置分為模擬輸入和模擬輸出兩種模式，主要是對PA、PC、PF幾個IO口進行配置。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按鍵，PA作為輸出模式驅動5110液晶，PC0、PC1驅動電機模塊，用ADC0、ADC1、ADC2、ADC3采集傳感器輸出信號。

3.2上位機通信協(xié)議設置

在串口設置代碼中設置上位機的串口波特率115 200Hz、1個啟動位、8個數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗7位和2個停止位。打開上位機，如果波特率設置不正確，則電路無法響應。通過上位機發(fā)送指令Start開啟光學電路的指示燈并且啟動ADC采集信號，由于燈和熱電堆的特性不同，開啟燈和熱電堆時必須通過上位機發(fā)送指令對系統(tǒng)進行校準，設計scal指令對系統(tǒng)進行校準，首先向密室中注入零氣體使光路環(huán)境穩(wěn)定，在上位機中輸入scal命令回車，屏幕顯示輸入零氣體值，向氣室中充入氮氣穩(wěn)定后在上位機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算出濃度計算公式中的相關參數(shù)。系統(tǒng)校準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好的濃度公式中計算出CO2濃度值。endprint

3.3數(shù)據(jù)采集

非分散紅外技術是通過一定波長的紅外光照射密封氣室，再通過一定濃度值的CO2對光強度的影響計算CO2的濃度值[1417]。密封氣室通過管道通向目標氣體，在氣室口通過泵的轉動注入氣體，系統(tǒng)通過L9110電機驅動芯片驅動泵，通過L9110init（）函數(shù)初始化電機驅動的GPIO口。密室中充滿某濃度值的CO2后，在程序中通過設置ADC中斷定時采集熱電堆傳感器輸出信號。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較其它液晶性價比高，可以顯示15個漢字，30個字符，接口簡單只需要4根I/O口就可驅動，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I/O口初始化，再根據(jù)時序圖驅動液晶。

4系統(tǒng)測試結果

在實驗室，通過將不同標準值的CO2氣體輸入探測器中，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)導入文本中，得到的測試結果如表1所示。

經分析，該探測器滿足GB/T 18204.24-2000標準，并且在環(huán)境溫度合理范圍內，該模塊數(shù)據(jù)沒有明顯變化。對多組數(shù)據(jù)進行觀察發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：①CO2濃度較低時，測得氣體濃度一般低于實際氣體濃度；②CO2濃度較高時，測得氣體濃度一般高于實際氣體濃度；③氣體濃度較高時，氣體濃度測量儀進入穩(wěn)定工作狀態(tài)需要一定時間，剛開始測得的數(shù)據(jù)誤差較大；④氣體濃度較高或較低時，測得數(shù)據(jù)誤差較大；⑤氣體濃度適中時，測得數(shù)據(jù)較為準確。

參考文獻參考文獻：

[1]劉中奇，王汝琳.基于紅外吸收原理的氣體檢測[J].煤炭科學技術，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].光譜學與光譜分析，2011，31（10）：27192724.

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

[5]陳曉寧，劉建國，司福祺，等.非分散紅外CO氣體檢測系統(tǒng)研究[J].大氣與環(huán)境光學學報，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儀[J].煤礦機械，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儀[J].儀表技術與傳感器，2007（3）：1820.

[8]張軍輝，董永貴，王東生.非調制型NDIR傳感器及其信號處理方法的改進[J].清華大學學報：自然科學版，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濃度檢測儀[J].山東科學，2009，22（3）：5052.

[10]王文萃，欒美生，于彤彥.紅外甲烷氣體檢測儀的設計以及干擾分析[J].紅外技術，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儀[J].煤礦機械，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儀[J].儀表技術與傳感器，2007（3）：1820.

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

[15]司福祺，劉建國，謝品華，等.相關檢測技術在CO氣體監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[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計與實現(xiàn)[J].天津工業(yè)大學學報，2006，25（6）：4850.

[17]張帆，張立萍.紅外吸收光譜法在氣體檢測中的應用[J].唐山師范學院學報，2005，27（5）：6264.

責任編輯（責任編輯：孫娟）endprint