紅外傳感器CO2氣體檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

隨著人類社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平得到了迅速提高，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模也迅速擴(kuò)大，但同時(shí)導(dǎo)致了二氧化碳的排放成倍增長(zhǎng)，如溫室效應(yīng)，土地荒漠化程度加速等，嚴(yán)重影響并破壞著人類的生存環(huán)境。另外，二氧化碳是作物光合作用的主要原料，其含量合適與否直接影響作物的生長(zhǎng)。近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，科技進(jìn)步的進(jìn)步，如何快速檢測(cè)二氧化碳的含量，削減二氧化碳的排放，已成為各級(jí)政府和廣大有識(shí)之士特別關(guān)注的問(wèn)題，因此研究并設(shè)計(jì)二氧化碳檢測(cè)電路具有十分重要的意義。

目前檢測(cè)二氧化碳的方法主要有化學(xué)法、電化學(xué)法、氣相色譜法、容量滴定法等，這些方法普遍存在著價(jià)格貴，普適性差等問(wèn)題，且測(cè)量精度還較低。而傳感器法具有安全可靠、快速直讀、可連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。目前各種檢測(cè)用的二氧化碳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。而紅外吸收型二氧化碳傳感器具有測(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)。為此本設(shè)計(jì)采用紅外吸收型二氧化碳傳感器，整個(gè)電路設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)單易用，快速直讀，價(jià)格低廉。

1 檢測(cè)電路的工作原理

1.1 紅外吸收型二氧化碳?xì)怏w傳感器的工作原理〔1〕

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)?，產(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(guò)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。

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

式中 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)上式進(jìn)行變換得：

通過(guò)檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)就可以得知?dú)怏w的濃度 。

圖1 二氧化碳傳感器探頭結(jié)構(gòu)

紅外二氧化碳傳感器探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。是由紅外光源、測(cè)量氣室、可調(diào)干涉濾光鏡、光探測(cè)器、光調(diào)制電路、放大系統(tǒng)等組成。紅外光源采用鎳鉻絲，其通電加熱后可發(fā)出3～10μm的紅外線，其中包含了4.26μm處CO2氣體的強(qiáng)吸收峰。在氣室中，二氧化碳吸收光源發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，經(jīng)探測(cè)器檢測(cè)則可顯示出二氧化碳對(duì)紅外線的吸收情況。干涉濾光鏡是可調(diào)的，調(diào)節(jié)他可改變其通過(guò)的光波波段，從而改變探測(cè)器探測(cè)到信號(hào)的強(qiáng)弱。紅外探測(cè)器為薄膜電容，吸收了紅外能量后，氣體溫度升高，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大，電容兩極間的距離就要改變，電容值隨之改變。CO2氣體的濃度愈大，電容值改變也就愈大。

1.2 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)原理

圖2 檢測(cè)電路原理框圖

檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的原理框圖如圖2所示。

檢測(cè)電路由紅外二氧化碳傳感器、數(shù)字濾波電路、放大電路、穩(wěn)流電路、單片機(jī)系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償?shù)冉M成。設(shè)計(jì)的基本原理是紅外二氧化碳傳感器將檢測(cè)到的二氧化碳?xì)怏w濃度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，輸出的電信號(hào)分別經(jīng)過(guò)濾波、放大處理，輸入到單片機(jī)系統(tǒng)，并經(jīng)溫度和氣壓補(bǔ)償?shù)忍幚砗?，由單片機(jī)系統(tǒng)輸出送顯示裝置顯示其測(cè)量值。

1.3 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

圖3 二氧化碳檢測(cè)電路圖

按照上述設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)的二氧化碳檢測(cè)電路如圖3所示。工作原理是首先由紅外傳感器將探測(cè)到二氧化碳?xì)怏w的濃度并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，濾波電路提取電信號(hào)并輸出到放大電路，經(jīng)過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)處理后輸出，再由74AC138送入顯示電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳?xì)怏w濃度的檢測(cè)。

電路中由R1、R2、R3、R4、C1、C2和運(yùn)放組成濾波電路〔2〕，在電路中既引入了負(fù)反饋，又引入了正反饋。當(dāng)信號(hào)頻率趨于零時(shí)，由于C1的電抗趨于無(wú)窮大，因而正反饋很弱;當(dāng)信號(hào)頻率趨于無(wú)窮大時(shí)，C2的電抗趨于零。這樣就保證了當(dāng)信號(hào)頻率在趨于零和無(wú)窮大之間的任何一個(gè)值，濾波電路都可以正常提取相應(yīng)的電信號(hào)。

濾波電路之后的放大電路，其作用是將濾波電路輸出的信號(hào)放大到一定的程度，以便驅(qū)動(dòng)負(fù)載。R6和C4串聯(lián)構(gòu)成校正網(wǎng)絡(luò)用來(lái)對(duì)電路進(jìn)行相位補(bǔ)償。

單片機(jī)系統(tǒng)主要由MC14433和8031構(gòu)成，MC14433是一種雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片，與8031單片機(jī)如圖方式連接。MC14433的轉(zhuǎn)換結(jié)果Q-Q接8031的P1.0-P1.3，選通輸出脈沖DS1-DS4接8031的P1.4-P1.7。轉(zhuǎn)換結(jié)果標(biāo)志EOC，一方面接至更新轉(zhuǎn)換控制信號(hào)輸入線DU，另一方面接至8031的中斷輸入線INT1，表明單片機(jī)既可采用中斷方式讀入A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，也可以采用查詢方式。最后的結(jié)果送入74AC138并驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示具體數(shù)值。

2 檢測(cè)處理程序流程框圖

檢測(cè)處理程序流程框圖如圖4所示。采用MCS系列匯編語(yǔ)言〔5〕編程，由于有硬件設(shè)計(jì)的保證，使得整個(gè)系統(tǒng)既可以工作在循環(huán)查詢的方式，也可工作在中斷管理的方式。

3 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)已成功運(yùn)用于延安市農(nóng)科所花卉示范園，運(yùn)行效果良好。實(shí)踐證明本檢測(cè)電路操作簡(jiǎn)單，數(shù)值顯示，體積小便于攜帶，非常直觀，連續(xù)快速檢測(cè)，可隨時(shí)檢測(cè)室內(nèi)、外各種場(chǎng)合二氧化碳?xì)怏w的含量。

本電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷，價(jià)格低廉，普適性強(qiáng)，克服了需要頻繁校準(zhǔn)、使用壽命較短、價(jià)格貴等不足。