基于單片機(jī)控制的二氧化碳濃度測(cè)試計(jì)

1 引言

大氣中過多的二氧化碳(CO2)不僅對(duì)人類賴依生存的地球造成威脅，同時(shí)公共場(chǎng)合由人體呼吸排出的大量二氧化碳?xì)怏w也容易導(dǎo)致人們疲勞、注意力不集中、頭痛等癥狀。因此，在醫(yī)院、學(xué)校等人口密集的環(huán)境中設(shè)置CO2監(jiān)控設(shè)備可以有效地監(jiān)測(cè)和改善空氣質(zhì)量。為人們提供更好的生活環(huán)境。最常用的CO2濃度測(cè)試方法是非色散紅外吸收法(NDIR法)。這種方法利用CO2有選擇性的吸收4．26μm紅外線的特性，根據(jù)朗伯比爾定律可精確測(cè)試CO2氣體濃度，但該方法有一個(gè)明顯缺點(diǎn)，即在CO2濃度較低的地方測(cè)試時(shí)，需要較長(zhǎng)的光路通過氣體(氣室長(zhǎng)度)以獲取良好的吸收效應(yīng)，既意味著需要使用體積較大且具有精密光學(xué)器件的設(shè)備，與這些昂貴的設(shè)備相比，利用半導(dǎo)體CO2傳感器測(cè)試CO2濃度，具有設(shè)備體積小，成本低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。提出一種基于CDM416l型CO2濃度測(cè)試模塊以及Attiny26單片機(jī)的CO2濃度測(cè)試與自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2 CDM4161簡(jiǎn)介

有別于固態(tài)或者液態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器，半導(dǎo)體氣體傳感器是利用半導(dǎo)體材料的各種化學(xué)特性將空氣中含有的特定氣體(即待測(cè)氣體)以適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)檢測(cè)或定量的器件。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、壽命長(zhǎng)、便于集成化、智能化，能使檢測(cè)轉(zhuǎn)換一體化。世界上最先實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體氣體傳感器商品化的是日本費(fèi)加羅公司發(fā)明的TGS系列半導(dǎo)體氣體傳感器。CDM4161是費(fèi)加羅公司生產(chǎn)的一種CO2氣體濃度測(cè)試模塊，其內(nèi)部集成了TGS4161 CO2氣體傳感器以及PICl6LF88單片機(jī)，CDM4161對(duì)空氣中CO2氣體濃度的測(cè)量范圍為400～4000 ppm，并且在空氣中對(duì)CO2氣體有高選擇性．而對(duì)一氧化碳和甲烷等氣體不敏感，CDM4161內(nèi)部集成的單片機(jī)可對(duì)傳感器采集到的信號(hào)處理和自動(dòng)校準(zhǔn)，以使其輸出的電平值與CO2氣體的濃度保持良好的線性關(guān)系。CDM4161對(duì)外提供5個(gè)引腳，其引腳的功能描述如表1所示。

工作時(shí)CDM4161引腳l接+5 V電源，引腳2輸出電壓范圍0．4-4 V。相當(dāng)于CO2氣體濃度范嗣為400～4 000 ppm。該模塊允許用戶通過跳線設(shè)置4檔極限值，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的CO2濃度高于設(shè)定值時(shí)。引腳3輸出高電平以驅(qū)動(dòng)外部通風(fēng)設(shè)備，反之監(jiān)測(cè)到的CO2濃度由高轉(zhuǎn)低，且低于某一門限值時(shí)，引腳3輸出電平也由高變低關(guān)閉外圍控制設(shè)備，CDM4161板上跳線與所設(shè)定極限值以及引腳3輸出電位的變化關(guān)系如表2所示。引腳4在傳感器故障時(shí)輸出低電位，可通過該引腳連接蜂鳴器．以及時(shí)監(jiān)測(cè)CDM4161工作狀態(tài)。CDM4161模塊有3個(gè)工作狀態(tài)指示燈，當(dāng)模塊上電時(shí)CDM4161需要預(yù)熱2 h，比時(shí)板上綠燈閃爍，而后進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，綠燈常亮。當(dāng)引腳3輸出高電位時(shí)，紅燈閃爍，當(dāng)模塊內(nèi)部傳感器故障時(shí)黃燈閃爍。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖l中JI與Attiny26相連用于在線程序更新。Attiny26是ATMEL公司開發(fā)的低功耗、高性能的8位單片機(jī)，內(nèi)部具有2KB Flash程序存儲(chǔ)器以及11個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器單端通道，由Attiny26單片機(jī)與CDM4161構(gòu)成的CO2濃度測(cè)試與自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)的電路圖如圖1所示。使用Attiny26單片機(jī)端口PAO引腳讀取CDM4161引腳3輸出的模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后將測(cè)量結(jié)果送LCD顯示，Attiny26的PA3-PA6與LCDl602液晶顯示器的數(shù)據(jù)線D4～D7相連，工作時(shí)設(shè)置LCDl602為4 bit工作方式，CDM416l的引腳3與繼電器RELAYl相連以便在室內(nèi)CO2氣體濃度過高時(shí)控制通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)；CDM416l的引腳4與繼電器RELAY2相連以在CDM416l上的傳感器故障時(shí)控制告警設(shè)備發(fā)出告警信息。

4 軟件設(shè)計(jì)

二氧化碳濃度測(cè)試儀的軟件流程圖如圖2所示(圖略)，程序運(yùn)行時(shí)首先初始化Attiny26單片機(jī)的I／O端口以及1602液晶顯示器的初始化，然后開始從Attiny26的PAO引腳讀取CDM416l引腳2輸出的模擬電平，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，而后每隔1 s再次從Attiny26的PAO引腳讀取CDM416l輸出的模擬電平，并進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，Attiny26分析A／D變換后的數(shù)值，并在1602液品顯示器上顯示CDM416l的狀態(tài)和當(dāng)前環(huán)境中CO2的濃度。

5 結(jié)語(yǔ)

由Attiny26單片機(jī)以及CDM4161構(gòu)成的二氧化碳濃度測(cè)試儀電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，非常適合在人群密集的商場(chǎng)、醫(yī)院、學(xué)校等地方用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量，通過連接外部的通風(fēng)以及告警設(shè)備可以及時(shí)改善室內(nèi)空氣質(zhì)量并有效地監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況。