基于LabVIEW 的CO2 傳感器自標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭冬冬

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 安徽省淮南市 232001）

當(dāng)下，社會(huì)發(fā)展越來越快，碳排放量也越來越多，碳排放量的增多導(dǎo)致全球變暖、冰川消融等問題，因此如何提高監(jiān)測儀器測量的準(zhǔn)確性與可靠性便成了問題的核心。相較于國外，安徽合肥中科院安光所就如何測量大氣立體成分研發(fā)出一系列設(shè)備，如多組分紫外氣體分析儀、污染物分布紅外光譜成像遙測系統(tǒng)、車載污染氣體分布及網(wǎng)格化排放遙測系統(tǒng)，但是這些設(shè)備造價(jià)昂貴，設(shè)備笨重并不適合便攜出門。因此，尺寸小、成本低廉的氣體傳感器走進(jìn)了人們視野，但是傳感器的長時(shí)間使用，容易受到環(huán)境溫度或其他因素的影響，導(dǎo)致所采集的數(shù)據(jù)誤差越來越大。因此，如何省時(shí)省力解決傳感器的標(biāo)定問題就凸顯而來。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，并且為了解決當(dāng)下現(xiàn)有傳感器標(biāo)定過程復(fù)雜、自動(dòng)化程度低、精度差等問題，本文通過圖形化編程語言，編寫自標(biāo)定軟件，實(shí)驗(yàn)表明，該自標(biāo)定系統(tǒng)性能穩(wěn)定、標(biāo)定精度高、全程自動(dòng)化提高CO傳感器的標(biāo)定效率。

1 工作原理

NDIR 紅外氣體傳感器由紅外光源、采樣腔、感光素子、信號(hào)處理電路構(gòu)成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它的檢測原理是標(biāo)準(zhǔn)氣體通過氣孔進(jìn)入光腔，光腔內(nèi)部的中波段紅外光束穿過采樣腔，各組分氣體吸收內(nèi)部光源射出的特定頻率的紅外光束，通過測量相應(yīng)頻率的紅外透射率，從而確定氣體濃度。其中氣體濃度與紅外透射率滿足朗伯-比爾定律。

圖1：NDIR 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2 自標(biāo)定系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

CO傳感器自標(biāo)定系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，該系統(tǒng)主要由CO氣體傳感器MH-Z14A、溫濕度傳感器DHT11、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、流量計(jì)、氣閥、減壓閥、氣室、標(biāo)準(zhǔn)氣體、傅里葉紅外分析系統(tǒng)（FTIR）、計(jì)算機(jī)構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由STM32 微處理器、ADS1256（24 位A/D采樣卡）等元件構(gòu)成，以純氮?dú)鈦沓洚?dāng)背景氣體與CO標(biāo)準(zhǔn)氣體混合進(jìn)行標(biāo)定。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)當(dāng)中，STM32 充當(dāng)該系統(tǒng)的核心部件，因在標(biāo)傳感器的標(biāo)定過程中其模擬電壓輸出小數(shù)點(diǎn)后六位，其自有的12 位A/D 無法準(zhǔn)確采集模擬電壓信號(hào)，所以使用的外部24 位A/D(即ADS1256)來確保在標(biāo)定過程中，對(duì) CO傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)高精度采集，來保證后期傳感器對(duì)大氣CO的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)測量。

圖2：自標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)過程中，多組分配氣儀將固定濃度的CO標(biāo)準(zhǔn)氣體配置成幾種具有不同濃度點(diǎn)的CO氣體，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過測量不同濃度點(diǎn)下的CO傳感器模擬電壓，并使用FTIR分析儀充當(dāng)當(dāng)前濃度點(diǎn)下所測量的CO準(zhǔn)確濃度，通過多次測量不同濃度梯度下的模擬信號(hào)，將之代入LabVIEW 中線性擬合從而得到固定濃度點(diǎn)下CO模擬電壓與CO準(zhǔn)確濃度的函數(shù)關(guān)系式，從而完成自標(biāo)定。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 STM32主控模塊

該采集系統(tǒng)基于STM32F103ZET6，相較于C8T6、R8T6 等其他芯片，其144 個(gè)引腳數(shù)目，擴(kuò)展性更強(qiáng)，提高了系統(tǒng)的可靠性與通用性。

選用的STM32 主控模塊主要是由STM32F103ZET6 芯片、復(fù)位電路、晶振電路、降壓電路、調(diào)試接口電路等組成。當(dāng)標(biāo)定過程遇到數(shù)據(jù)采集過程停止或其他突發(fā)故障，復(fù)位電路對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。晶振電路主要被用來為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。降壓電路主要是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓輸出供采集模塊的使用。調(diào)試接口電路主要用來對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

為了提高對(duì)CO傳感器的模擬電壓的采集精度，來確保標(biāo)定后CO傳感器檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。使用了以ADS1256為芯片的24 位外部A/D，來代替STM32 系統(tǒng)原有的12 位A/D。該外部A/D 可實(shí)現(xiàn)同時(shí)8 路模數(shù)轉(zhuǎn)換，其強(qiáng)大擴(kuò)展能力，便于拓展實(shí)現(xiàn)后續(xù)其他類型氣體傳感器的標(biāo)定工作。

CO傳感器所輸出的模擬電壓經(jīng)ADS1256 處理后，通過串行外設(shè)接口(SPI)送入STM32，主控模塊通過USART上傳到LabVIEW 進(jìn)行處理、顯示。

3.3 串口通訊模塊

要確保所采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定、直觀的輸送到LabVIEW 上位機(jī)。本文使用串行通信設(shè)備(USART)。串口所通訊的數(shù)據(jù)包從發(fā)射設(shè)備的TXD 口輸出，輸送到接收設(shè)備的RXD 口。串口數(shù)據(jù)包由1 個(gè)起始位、8 個(gè)數(shù)據(jù)位、1 個(gè)停止位、1 個(gè)校驗(yàn)位4 部分構(gòu)成。收發(fā)雙方須將數(shù)據(jù)包格式一致才能正常發(fā)送接收。

本STM32 主控模塊通過板載的Mini USB 接口。該接口用于USB 連接CH340G 芯片，才能實(shí)現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)TTL 串口，只有將USB 輸送過來的電平轉(zhuǎn)為TTL 電平，才能和上位機(jī)建立通訊。

3.4 電源模塊

為了給CO傳感器、溫濕度傳感器、ADS1256 外部A/D 提供電源。本系統(tǒng)12V 轉(zhuǎn)5V 供CO傳感器與ADS1256外部A/D 使用，5V 轉(zhuǎn)3.3V 供溫濕度傳感器使用。其接入適當(dāng)大小的電容與鉭電容來濾除高頻與低頻噪聲，提供穩(wěn)定的電壓輸出來確保擬合結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 自標(biāo)定系統(tǒng)總程序

系統(tǒng)上電后，CO傳感器自標(biāo)定系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。

圖3：CO2 傳感器自標(biāo)定系統(tǒng)工作流程圖

在STM32 與外部初始化完成后，由外部A/D 處理后的CO傳感器采集數(shù)據(jù)通過串口送入自標(biāo)定系統(tǒng)，當(dāng)所采集的數(shù)據(jù)超過5 個(gè)，將對(duì)5 個(gè)數(shù)值進(jìn)行平均值處理顯示。得到當(dāng)前濃度點(diǎn)下的平均值后模擬電壓與FTIR 分析儀所得出的準(zhǔn)確CO濃度值，將之送入自標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行最小二乘法擬合，擬合后輸出函數(shù)關(guān)系式的截距K1 與斜率B1，計(jì)算出濃度Y1，從而完成CO傳感器的自標(biāo)定。

4.2 自標(biāo)定系統(tǒng)子程序

自標(biāo)定系統(tǒng)由圖形化語言進(jìn)行便寫，其中自標(biāo)定系統(tǒng)子程序由圖4 所示。該子程序主要包括：串口選擇、采集電壓數(shù)值顯示、濃度表達(dá)式計(jì)算顯示、溫濕度顯示、波形顯示、最小二乘法擬合、歷史記錄顯示、均值記錄顯示、歷史數(shù)據(jù)輸出TXT 保存。

圖4：自標(biāo)定系統(tǒng)子程序流程圖

4.3 自標(biāo)定系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

在LabVIEW 中，根據(jù)圖形化編程的自標(biāo)定系統(tǒng)前面板來看。根據(jù)所構(gòu)建的自標(biāo)定系統(tǒng)前面板，自左到右可分為4個(gè)模塊，分別為：參數(shù)設(shè)置模塊、采集數(shù)據(jù)顯示模塊、最小二乘法擬合模塊、歷史記錄模塊。

（1）參數(shù)設(shè)置模塊：當(dāng)前面板開始連續(xù)運(yùn)行后，根據(jù)串口框與波特率選擇框選用正確的串口號(hào)與在STM32 程序中所設(shè)置的波特率相同。只有選用正確，數(shù)據(jù)顯示框才正常顯示。由于PC 端與自標(biāo)定系統(tǒng)端通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以PC 端USB 不同將會(huì)導(dǎo)致串口號(hào)的選擇不同，串口號(hào)與波特率須都相同，狀態(tài)指示燈將會(huì)綠燈正常顯示傳輸。

（2）采集數(shù)據(jù)顯示模塊：系統(tǒng)在正常開始采集后，所采集的傳感器模擬電壓信號(hào)將會(huì)在A1 采集數(shù)值電壓實(shí)時(shí)顯示，自標(biāo)定系統(tǒng)所處環(huán)境的溫濕度將在下方顯示，所采集的數(shù)據(jù)將在后續(xù)的圖表進(jìn)行波形顯示，用來觀察所采集的電壓信號(hào)波動(dòng)情況。最后，A2、A3 用來后續(xù)CO 氣體、HCHO等其他氣體進(jìn)行標(biāo)定顯示。

（3）最小二乘法擬合模塊：通俗來講最小二乘法之是通過最小誤差的平方和找到數(shù)據(jù)函數(shù)的最佳擬合。本系統(tǒng)中，采集的數(shù)據(jù)每5 次做平均得到Z1，將5 次Z1 的值輸入到擬合模塊左側(cè)的數(shù)值窗口，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。得到的函數(shù)關(guān)系式的斜率和截距。將其分別輸入到K1 和B1 即可得到當(dāng)前的CO濃度值Y1。

（4）歷史記錄模塊：自標(biāo)定系統(tǒng)從上電運(yùn)行開始采集至停止采集，所采集到的CO數(shù)值電壓A1、擬合后濃度Y1、對(duì)CO數(shù)值電壓每5 次去平均的Z1 分別進(jìn)行顯示，最后數(shù)據(jù)無誤，通過上側(cè)的Save 進(jìn)行保存TXT。

5 標(biāo)定池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

在系統(tǒng)的標(biāo)定池設(shè)計(jì)當(dāng)中，只有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所處的標(biāo)定池氣體擴(kuò)散均勻才可以說明所標(biāo)定的函數(shù)關(guān)系式準(zhǔn)確。對(duì)所設(shè)計(jì)的2 種標(biāo)定池結(jié)構(gòu)對(duì)比分析其氣體擴(kuò)散模型來選取氣體擴(kuò)散最均勻的標(biāo)定池進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。由圖5 所示，在圖5(a)與圖5(b)種兩種不同結(jié)構(gòu)標(biāo)定池的氣體擴(kuò)散模型對(duì)比當(dāng)中，擁有分流器的結(jié)構(gòu)在標(biāo)定池中擴(kuò)散更加均勻，因此在本次自標(biāo)定系統(tǒng)當(dāng)中選取圖5(b)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來做為傳感器標(biāo)定過程中的標(biāo)定池。

圖5

6 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果分析

6.1 實(shí)驗(yàn)方法

首先將實(shí)驗(yàn)用的CO傳感器放置在純凈的空氣中并通電24h，之后將進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)。

（1）將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放置在標(biāo)定池底部，通過PC 端的USB 口給系統(tǒng)供電，用氮?dú)馇鍜邩?biāo)定池，待CO傳感器模擬電壓顯示接近最低限0.4V，設(shè)置600、1200、1800、2400、3000ppm 量級(jí)濃度梯度，以純氮?dú)鉃楸尘皻鈱⒅cCO標(biāo)準(zhǔn)氣體混合，設(shè)置好后打開減壓閥與氣閥以1.2L/min流速泵入標(biāo)定池，第一個(gè)濃度點(diǎn)測量完成后，用氮?dú)獯祾邩?biāo)定池，之后再進(jìn)行后續(xù)不同濃度梯度測量，以防先前殘留的CO氣體對(duì)后續(xù)測量造成影響。

（2）在5 個(gè)不同量級(jí)濃度梯度測完過后，將5 個(gè)不同量級(jí)濃度梯度模擬電壓與FTIR 參考濃度進(jìn)行最小二乘法擬合，將擬合后得到的斜率與截距代入自標(biāo)定系統(tǒng)中的K1 和B1，通過函數(shù)關(guān)系式計(jì)算得到實(shí)時(shí)濃度Y1，完成傳感器標(biāo)定。

（3）將完成標(biāo)定后的NDIR 傳感器和FTIR 分析儀放置在安徽合肥科學(xué)島安光所綜合實(shí)驗(yàn)6 樓同一區(qū)域，同時(shí)對(duì)CO溫室氣體進(jìn)行為期24h 的測量，將各自測量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析保存。

6.2 結(jié)果分析

為驗(yàn)證本系統(tǒng)標(biāo)定的可靠性，在24h 室內(nèi)CO濃度測量完成之后，將FTIR 采集的數(shù)據(jù)與NDIR 所采集的數(shù)據(jù)引入Origin 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。圖6 為自標(biāo)定系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖6：自標(biāo)定系統(tǒng)實(shí)物圖

從圖7(a)標(biāo)定過后的時(shí)間序列圖可以看出當(dāng)日室內(nèi)CO濃度變化幅度較大，呈由低到高再到低的趨勢，其中下午2:00到晚上8:00 間CO濃度變化為當(dāng)天高峰期，20 點(diǎn)過后CO濃度趨勢呈平緩狀。FTIR 與NDIR 所采集的2 組數(shù)據(jù)趨勢完全一致，進(jìn)一步說明本自標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)于傳感器漂移等問題具有良好作用。圖7(b)為當(dāng)日下午2:00 點(diǎn)至晚上8:00 間CO濃度高峰期線性擬合圖。

圖7

7 結(jié)論

為解決傳感器長期使用所造成的漂移等問題，分別搭建自標(biāo)定系統(tǒng)的硬件電路與總框架，編寫其LabVIEW 上位機(jī)軟件，完善CO傳感器自標(biāo)定過程。并驗(yàn)證其標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，放置室內(nèi)進(jìn)行24h 的數(shù)據(jù)測量，經(jīng)參考設(shè)備FTIR對(duì)比，其高峰期數(shù)據(jù)相關(guān)度達(dá)0.95。結(jié)果表明，本自標(biāo)定系統(tǒng)可有效的對(duì)CO傳感器進(jìn)行自標(biāo)定，同時(shí)可對(duì)其它氣體，如CO、NO等氣體傳感器進(jìn)行自標(biāo)定。相較于傳統(tǒng)的標(biāo)定系統(tǒng)，其更加自動(dòng)化，更加準(zhǔn)確。