基于傳感器信息采集技術(shù)的CO2濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

劉皖蘇 盧彪

摘 要：為了解決空氣中CO2濃度含量檢測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于CO2濃度傳感器的信息采集和濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng).首先，進(jìn)行了CO2濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)，主要包括了傳感器模塊設(shè)計(jì)、信號(hào)調(diào)理電路模塊設(shè)計(jì)、主控芯片電路設(shè)計(jì)和鋰電池升降壓電路設(shè)計(jì)等.然后，進(jìn)行了硬件電路連接設(shè)計(jì)，包括主控芯片STM32F103VET整體連接電路設(shè)計(jì)、傳感器電路連接設(shè)計(jì)、LCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、USB通信和上位機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)和供電電路設(shè)計(jì)等.最后，對(duì)CO2濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體軟件流程進(jìn)行了設(shè)計(jì).該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CO2的實(shí)時(shí)檢測(cè)和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，并能夠通過(guò)數(shù)據(jù)傳送接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的信息交互和信息處理，該系統(tǒng)對(duì)于提高生產(chǎn)效率和節(jié)能減排起到非常重要的作用.

關(guān)鍵詞：CO2濃度;信息采集;濃度監(jiān)測(cè);傳感器

中圖分類號(hào)：TP302? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）10-0033-03

隨著人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，越來(lái)越多的工業(yè)領(lǐng)域長(zhǎng)期大量使用煤炭等資源，導(dǎo)致空氣中的CO2含量越來(lái)越高，CO2慢慢導(dǎo)致的“溫室效應(yīng)”在步步破壞人類的生存環(huán)境，因此定時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)空氣中CO2的濃度含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制變得越來(lái)越重要[1].在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，CO2的濃度含量對(duì)人類的呼吸系統(tǒng)疾病的威脅非常嚴(yán)重.在農(nóng)業(yè)生態(tài)領(lǐng)域，CO2的濃度對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)也有重要的影響.因此，快速實(shí)現(xiàn)CO2濃度的檢測(cè)技術(shù)變得慢慢迫切起來(lái)，它對(duì)于人們提高身體健康、經(jīng)濟(jì)水平和社會(huì)發(fā)展都起到重要的作用[2].

為了實(shí)現(xiàn)空氣中二氧化碳含量的實(shí)時(shí)檢測(cè)和實(shí)時(shí)控制，本文設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式芯片STM32F103VET的CO2濃度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

1 CO2濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該CO2濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)STM32F103VET芯片作為主控制器，其工作流程分為3個(gè)步驟[3]：（1）首先，CO2濃度檢測(cè)傳感器采集的信息通過(guò)放大輸出模擬信號(hào);（2）然后，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計(jì)算出空氣中二氧化碳的濃度值;（3）將CO2的濃度值通過(guò)MB1322芯片處理后傳送至LCD屏進(jìn)行數(shù)字顯示.該系統(tǒng)提供USB接口，可以用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出讀取，實(shí)現(xiàn)CO2采集系統(tǒng)與上位機(jī)的信息對(duì)接和信息交互.其中，該系統(tǒng)的供電系統(tǒng)采用常規(guī)的鋰電池進(jìn)行供電，保障系統(tǒng)的正常工作運(yùn)轉(zhuǎn).CO2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)如圖1所示.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103VET最小系統(tǒng)

STM32F103VET主控芯片具備大量的寄存器和I/O接口，可以為CO2濃度采集系統(tǒng)提供較快的信息處理能力和快速的系統(tǒng)反應(yīng)速度，同時(shí)支持系統(tǒng)c語(yǔ)言編程和系統(tǒng)調(diào)試[4].該片同時(shí)具備較小的體積，在電路連接設(shè)計(jì)的時(shí)候極大的縮小的系統(tǒng)空間利用.該系統(tǒng)主要包括了高速程序上傳下載和電路調(diào)試、系統(tǒng)上電、系統(tǒng)重啟、高低速晶片振蕩電路和電源接口[5].STM32F103VET主控芯片電路設(shè)計(jì)連接如圖2所示.

2.2 CO2傳感器電路設(shè)計(jì)

CO2濃度傳感器采用南京經(jīng)緯公司生產(chǎn)的LP908傳感器，該傳感器通過(guò)主芯片的傳感器輸出和輸入引腳P6.3和P6.4完成電壓信號(hào)的采集輸出和數(shù)據(jù)處理輸入等功能[6].在特定的溫濕度環(huán)境下，LP908接收的電壓值與空氣中的二氧化碳濃度值成一個(gè)反比關(guān)系，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換之后得到的CO2傳感器電壓輸出值通過(guò)反比關(guān)系可以轉(zhuǎn)換成的CO2濃度值.CO2傳感器電路設(shè)計(jì)如圖所示.

2.3 LCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)CO2濃度值顯示的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在屏顯驅(qū)動(dòng)器電路中采用MB1322多功能LCD模塊和額數(shù)字顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)、讀寫修改等命令模式，并可以將數(shù)字信息直接顯示在LCD屏幕上[7].MB1322上的Read、Write、Data和CS等串口可以與STM32F103VET上的P2.X等接口直接數(shù)據(jù)對(duì)接，完成系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)讀寫、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理輸出等功能.LCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖所示.

2.4 USB通信與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片電路連接設(shè)計(jì)

在濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面采用的是具備16MB的K36P90存儲(chǔ)芯片，該芯片可以動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、分片和整體修改等按照頁(yè)數(shù)讀寫數(shù)據(jù)功能.K36P90芯片使用特殊的KPI控制器，直接控制和自動(dòng)生成系統(tǒng)自動(dòng)控制時(shí)序.當(dāng)K36P90芯片完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，數(shù)據(jù)與上位機(jī)進(jìn)行交互功能實(shí)現(xiàn)采用的是LP1108串口芯片[8].上位機(jī)與K36P90交互采用USB接口與UART來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸，控制器的請(qǐng)求應(yīng)答類可以完成UART的控制功能.USB通信與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片電路連接設(shè)計(jì)如圖所示.

2.5 供電系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電電壓主要包括STM32F103VET、MB1322和LP908等芯片的3.6v電壓電路和傳感器供電電壓6v兩種需求，而本系統(tǒng)采用的鋰電池提供的正常電壓為4v電壓電路，為了保障系統(tǒng)芯片的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須設(shè)計(jì)出基于鋰電池電壓的升壓電路設(shè)計(jì)和降壓電路設(shè)計(jì).升壓芯片采用3com公司的DSP1708芯片，降壓芯片采用delivery公司的NAX16993.鋰電池升降壓電路設(shè)計(jì)如圖6所示，其中左半部分為降壓電路設(shè)計(jì)連接，又半部分為升壓電路設(shè)計(jì)連接.

3 CO2濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

CO2濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備靈活性以及后期的升級(jí)維護(hù)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊與硬件電路驅(qū)動(dòng)模塊一一對(duì)應(yīng).系統(tǒng)主要包括了主程序設(shè)計(jì)、傳感器信息采集程序、信息處理、LCD數(shù)字顯示、系統(tǒng)中斷重啟、USB通信與數(shù)據(jù)上位機(jī)存儲(chǔ)交互等.系統(tǒng)主程序流程如下圖7所示.

3.2 應(yīng)用軟件界面

CO2濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了氣體濃度的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)更新、實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)檢測(cè)等功能，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面設(shè)計(jì)如圖8所示.

4 CO2濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)精準(zhǔn)度測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試取8組樣本，分別重復(fù)測(cè)試10次共計(jì)80組數(shù)據(jù).經(jīng)過(guò)計(jì)算得知，系統(tǒng)檢測(cè)精度范圍-1.31%-0.87%之間，符合國(guó)家氣體檢測(cè)誤差標(biāo)準(zhǔn)（-2.48%-4.10%），相對(duì)偏差范圍為2.172%-4.184%表明該系統(tǒng)具備良好的重復(fù)實(shí)用性.

4.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性

利用CO2濃度檢測(cè)系統(tǒng)將8組氣體樣本分別沖出測(cè)試10次，將表2的數(shù)據(jù)繪制成濃度曲線，結(jié)果見(jiàn)圖9.從圖中可見(jiàn)，該濃度檢測(cè)系統(tǒng)在一定誤差范圍內(nèi)具備較強(qiáng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性.

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于主控芯片STM32F103VET的CO2濃度信息采集和濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了空氣中二氧化碳濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)字顯示.該系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)主要包括了傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理電路模塊、主控芯片電路模塊和鋰電池升降壓電路模塊等幾個(gè)部分.在硬件電路設(shè)計(jì)上，主要包括了主控芯片STM32F103VET整體連接電路、傳感器電路連接、LCD驅(qū)動(dòng)、、USB通信與上位機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和鋰電池升壓降壓等功能設(shè)計(jì).在軟件流程設(shè)計(jì)上，主要實(shí)現(xiàn)了模塊化CO2濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程，保障了硬件系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了CO2的實(shí)時(shí)檢測(cè)、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、信息交互和信息處理，CO2濃度信息采集和濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于提高節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)效益和生活水平等方面提供了保證.

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