基于ARM的CO2氣體采集報(bào)警及排除裝置的設(shè)計(jì)

魏璐

（西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安710055）

隨著生活水平的提高和自我健康意識(shí)的不斷增強(qiáng)人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ）[1]的關(guān)心也日益加強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每人每天約80～90%[2]的時(shí)間是在室內(nèi)度過的，室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響人們的工作和生活，若室內(nèi)污染物得不到及時(shí)置換，CO2濃度到達(dá)一定限度時(shí)會(huì)刺激人的呼吸中樞，導(dǎo)致呼吸急促，煙氣吸入量增加，并且會(huì)引起頭痛、神智不清甚至死亡等癥狀。

為了避免不幸事故發(fā)生很有必要對(duì)室內(nèi)CO2氣體進(jìn)行有效的檢測(cè)和控制。文中介紹了一種基于嵌入式系統(tǒng)控制CO2氣體采集報(bào)警及自動(dòng)排除裝置，若檢測(cè)到室內(nèi)空氣CO2濃度超過了人體安全限度時(shí)，就可立即報(bào)警并自動(dòng)啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)排出CO2氣體。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件主要由3部分組成：1）信號(hào)的采集處理部分，包括放大電路、濾波電路、采樣保持電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路；2）微控制器數(shù)據(jù)的處理部分，其中包括實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)所需要的電源電路、液晶顯示接口電路、報(bào)警電路、鍵盤操作電路以及用于調(diào)試的JTAG接口電路；3）控制處理部分，包括進(jìn)風(fēng)及排風(fēng)機(jī)電路。硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 硬件設(shè)計(jì)

為了滿足安全生產(chǎn)地需要，硬件電路設(shè)計(jì)盡可能選用功耗小、性能穩(wěn)定的集成電路，在整個(gè)電路設(shè)計(jì)的過程中藥考慮電平、性能之間的匹配。

2.1 微控制器CPU

CPU[3－4]是本設(shè)計(jì)電路中的核心，完成數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示及控制等功能。本設(shè)計(jì)采用了LPC2478作為核心處理器，該處理器具有 4個(gè) UART，2路 CAN－bus、1個(gè) SPI接口、2個(gè)SSP接口、3個(gè)I2C接口和1個(gè)I2S接口，同時(shí)支持STN和TFT顯示的LCD控制器、10/100 M以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）、異步靜態(tài)存儲(chǔ)器設(shè)備和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的外部存儲(chǔ)器控制器（EMC）、USB 2.0全速Device/Host/OTG控制器。并且還帶有1個(gè)片內(nèi)4 MHz內(nèi)部振蕩器、98 kB RAM以及多個(gè)32位定時(shí)器、ADC、DAC、PWM 等接口。

2.2 CO2傳感器模塊

2.2.1 非分散紅外CO2傳感器

傳統(tǒng)的CO2氣體傳感器多采用半導(dǎo)體和催化元件，這種傳感器造價(jià)低廉但長(zhǎng)時(shí)間接觸被檢測(cè)氣體會(huì)造成傳感器靈敏度下降甚至損壞。因此本設(shè)計(jì)采用的是非分散紅外CO2傳感器[5－7]，它是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同存在差異的原理制成的，其吸收關(guān)系服從朗伯－比爾（Lambert-Beer）吸收定律，這樣，根據(jù)入射光與出射光能量的比對(duì)就可以測(cè)量CO2氣體的濃度。此傳感器具有較好的穩(wěn)定性、抗干擾能力等諸多優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)朗伯－比爾定律，出射光線I、入射光線I0和氣體濃度C之間的關(guān)系為:

式中，K為吸收系數(shù)；C為待測(cè)氣體濃度；L為光和氣體的作用長(zhǎng)度。對(duì)式（1）進(jìn)行變換，得：

通過檢測(cè)室內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)就可得知?dú)怏w濃度C。

2.2.2 放大電路

由于CO2氣體傳感器的輸出信號(hào)幅度非常小無法進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。因此需要連接一個(gè)集成運(yùn)算放大器對(duì)傳感器輸出的小信號(hào)進(jìn)行有效地放大。本模塊采用的是AD620運(yùn)算放大器，此放大器成本較低，精度較高，僅需要一個(gè)外部電阻來設(shè)置增益即可，而且AD620還具有高精度，低失調(diào)電壓和低失調(diào)漂移的特點(diǎn)。此外，AD620有2種封裝方式，一種8引腳的SOIC封裝，另一種是8引腳的DIP封裝，2種封裝的電特性完全相同。

2.2.3 濾波電路

根據(jù)采樣定理可知，當(dāng)信號(hào)的最高頻率超過采集系統(tǒng)的奈奎斯特頻率的一半時(shí)，從采樣信號(hào)恢復(fù)的信號(hào)會(huì)發(fā)生頻率混疊。為了防止混頻現(xiàn)象，也為了去掉被采集信號(hào)的高頻噪聲，通常要對(duì)信號(hào)預(yù)先進(jìn)行濾波。本系統(tǒng)中采用了無源濾波電路，此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)、成本低廉、運(yùn)行可靠。

2.2.4 采樣保持電路

采樣保持電路，具有一個(gè)模擬信號(hào)輸入，一個(gè)控制信號(hào)輸入和一個(gè)模擬信號(hào)輸出。該電路的作用是在某個(gè)規(guī)定的時(shí)刻接收輸入電壓，并在輸出端保持該電壓直至下次采樣開始為止。

采樣保持器的作用主要有2點(diǎn)：1）能保證輸入量在A/D轉(zhuǎn)換期間保持不變；2）將某一時(shí)刻各點(diǎn)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)保持下來，供單片機(jī)分時(shí)地加以檢測(cè)和處理，以確保檢測(cè)到的數(shù)字量具有時(shí)間上的一致性。

2.2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路是把輸入模擬電壓或電流變成與其成正比的數(shù)字量的電路。主要有逐次逼近法、雙積分法和電壓頻率轉(zhuǎn)換3種方法。本設(shè)計(jì)采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片是PCF8591[8]，此芯片是一個(gè)單片集成、單電源供電、低功耗、8位 COMS數(shù)據(jù)獲取器件。操作電壓范圍為2.5～6 V，4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串口I2C總線接口，3個(gè)地址引腳A0、A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個(gè)I2C總線上接入8個(gè)PCF8591器件，而無需額外的硬件。

3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

A3955SB是美國(guó)Allegro公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用芯片。其工作電壓可達(dá)50 V，電流可達(dá)1.5 A。A3955SB內(nèi)部的3位非線性數(shù)模轉(zhuǎn)換器與內(nèi)部PWM電流控制相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的全、1/2、1/4、1/8運(yùn)行模式。而且內(nèi)部的PWM電流控制電路和外部參考電壓相結(jié)合可用于決定電流是否為快衰減、慢衰減還是混合衰減模式。

4 電路設(shè)計(jì)

在對(duì)以上電路分析研究的基礎(chǔ)上，作者設(shè)計(jì)了CO2采集報(bào)警及自動(dòng)排除電路如圖2所示。 整個(gè)系統(tǒng)的工作過程是由非分散紅外傳感器檢測(cè)到待測(cè)氣體濃度，將氣體含量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳給放大電路，濾波電路，采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換模塊，再經(jīng)過ARM系統(tǒng)處理后輸出，最終通過TFT顯示氣體濃度，然后按預(yù)先編好的程序，根據(jù)結(jié)果自動(dòng)發(fā)出控制命令，最終控制風(fēng)機(jī)的啟停。

其中由R1與A1組成放大電路，器作用的將傳感器輸出的信號(hào)放大到一定的程度，以便供濾波使用。

由 R2、R3、R4、R5和 A2 運(yùn)放組成了濾波電路[9]，在電路中引入了正、負(fù)反饋。而C1、C2保證了信號(hào)頻率在趨于零和無窮大之間的任何一個(gè)值濾波電路都可以取到。

由開關(guān)K、R6和A3、A4運(yùn)放組成采樣/保持電路。此工作方式受控制端的數(shù)字信號(hào)值控制。當(dāng)方式控制端輸入信號(hào)為“0”時(shí)，開關(guān)K閉合，采樣/保持電路處于采樣狀態(tài)；當(dāng)方式控制端信號(hào)電平為“1”時(shí)，開關(guān)K打開，有R6和C3組成的采樣/保持電路處于“保持”狀態(tài)，但電容C3的值對(duì)采樣/保持的精度影響很大，因此，A3、A4以提高輸入阻抗和減小輸出阻抗。

A/D轉(zhuǎn)換芯片PCF8591T與LPC2478連接。轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過AOUT接到LPC2478的P0.23，在控制器中經(jīng)過處理后，一路送入TFT顯示器中，一路用來控制電機(jī)的啟停。

5 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件主要由初始化程序、主程序、A/D轉(zhuǎn)化程序、顯示程序等組成。由于用C語言編程時(shí)當(dāng)今單片機(jī)開發(fā)的一種趨勢(shì)，因此文中也相應(yīng)的采用Code Warrior IDE集成開發(fā)環(huán)境，此環(huán)境集成ARM匯編器、ARM的C/C++編譯器、Thumb的C/C++編譯器等等。與普通的C語言相比，它增加了許多庫函數(shù)，大大提高了編譯效率[10]。

圖2 CO2采集報(bào)警及自動(dòng)排除電路Fig.2 CO2acquisition alarm and automatic eliminate circuit

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart the software design

部分代碼程序如下所示：

初始化程序：

主程序：

測(cè)試CO2氣體濃度過程中，有3個(gè)不同的氣體濃度測(cè)試點(diǎn)，可通過測(cè)試結(jié)果研究整個(gè)電路的性能。文中將CO2氣體濃度的限定值設(shè)為2.5 ppm，當(dāng)室內(nèi)CO2氣體濃度達(dá)到此限定值時(shí)系統(tǒng)報(bào)警并自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，排除有害氣體。此結(jié)果可以看出電路的精度符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了一種CO2氣體采集報(bào)警及排除裝置，此裝置具有較高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力，它成功的實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)空氣中CO2氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示和風(fēng)機(jī)的自動(dòng)開啟。這樣不僅提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)而且還有助于提醒人們注意自身安全。

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