基于STM32的便攜式二氧化碳監(jiān)測儀設(shè)計

呂中虎 ， 張 徽 ， 張曉飛

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；2.國土資源部 地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，河北 保定 071051）

C02濃度的檢測方法大致分化學(xué)方法和物理方法。CO2濃度檢測方法有滴定法、熱催化法、氣敏法、電化學(xué)法，這些屬于化學(xué)方法，這些方法普遍存在價格貴，普適性差等問題，且測量精度較低。而物理的方法有超聲波法、氣相色譜法以及眾多借助于光學(xué)來實現(xiàn)檢測的方法。也有像光聲光譜法這種化學(xué)和物理結(jié)合的方法。吸收光譜法的依據(jù)是不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的氣體分子對不同波長的輻射的吸收程度不同，CO2氣體分子對特定波長的紅外光有強烈的吸收。

目前各種檢測用的CO2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，這些傳感器存在對氣體的選擇性差、易出現(xiàn)誤報、需要頻繁校準(zhǔn)、使用壽命較短等不足。而紅外吸收型CO2傳感器具有測量范圍寬、靈敏度高、響應(yīng)時間快、選擇性好、抗干擾能力強等特點。因此，本次設(shè)計采用紅外吸收型CO2傳感器[1]。

1 傳感原理

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，對不同波長的紅外輻射的吸收程度就不同，因此，不同波長的紅外輻射依次照射到樣品物質(zhì)時，某些波長的輻射能被樣品物質(zhì)選擇吸收而變?nèi)酰a(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，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，在同一吸收峰位置有不同的吸收強度，吸收強度與濃度成正比關(guān)系。因此通過檢測氣體對光的波長和強度的影響，便可以確定氣體的濃度[2-3]。

根據(jù)比爾朗伯定律，輸出光發(fā)光強度I、輸入光發(fā)光強度I0和氣體濃度c之間的關(guān)系為

式中:αm為摩爾分子吸收系數(shù)；c為待測氣體濃度；L為光和氣體的作用長度（傳感長度）。對式（1）進(jìn)行變換，得:

2 儀器設(shè)計框圖

前端傳感器輸出的數(shù)字信號，以串口方式與STM32進(jìn)行通訊，此儀器設(shè)計三通道采集，利用繼電器電路對傳感器通道進(jìn)行選擇，STM32將濃度值顯示在液晶屏上，液晶屏帶有觸摸功能，通過編寫液晶顯示界面，調(diào)用相關(guān)按鍵程序，選擇傳感器通道以及保存為U盤數(shù)據(jù)等功能?？驁D如圖1所示。

圖1 儀器設(shè)計框圖Fig.1 Instrument design diagram

3 傳感器選擇

選擇了DYNAMENT公司的premier二氧化碳傳感器，此傳感器運用非色散紅外原理檢測氣體，它包括長壽命鎢紅外光源、供擴(kuò)散氣體進(jìn)入的光通道、一對經(jīng)溫度補償?shù)募t外原理熱電交換檢測元件、半導(dǎo)體溫度傳感器和處理紅外熱電交換檢測器信號的電子電路，使用方便快捷，如圖2為二氧化碳傳感器外形封裝圖，

圖2 二氧化碳傳感器外形封裝Fig.2 Carbon dioxide sensor encapsulation shape

4 硬件電路設(shè)計

本儀器設(shè)計3個通道的二氧化碳傳感器采集，通過3個繼電器來選擇傳感器的通斷。如圖3為繼電器控制電路。

圖3 繼電器控制電路Fig.3 Relay control circuit

圖4 STM32最小系統(tǒng)Fig.4 STM32 minimum system

使用低功耗單片機(jī)STM32F103RE，內(nèi)核為：ARM 32-bit Cortex-M3 CPU，尺寸為：10 mm×10 mm，帶有 4個串口，在本儀器設(shè)計中，用到3個串口，一個與傳感器進(jìn)行通訊，一個與液晶進(jìn)行通訊，一個與USB存儲模塊通訊。如圖4為控制器最小系統(tǒng)[4-5]。

選擇迪文科技有限公司的液晶，型號為DMT32240C035_02W，基本參數(shù)為：3.5英寸，M100內(nèi)核，65K色串口液晶人機(jī)界面。此款液晶帶有觸摸功能[6]，系統(tǒng)設(shè)計時，不用添加按鍵電路，只需編寫液晶按鍵程序就能實現(xiàn)按鍵功能，簡單的實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)保存，檔位切換等功能。

5 軟件設(shè)計

儀器開機(jī)后進(jìn)入液晶程序界面（如圖5所示），選擇傳感器通道，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集程序，將當(dāng)前二氧化碳濃度值顯示于液晶屏上，點擊液晶顯示界面上的保存按鈕，保存當(dāng)前時間的二氧化碳濃度值。儀器軟件總體設(shè)計流程如圖6所示。

圖5 儀器開機(jī)界面圖Fig.5 Instrument boot interface diagram

圖6 軟件流程圖Fig.6 Software flow chart

6 室內(nèi)實驗

利用組裝的便攜式二氧化碳監(jiān)測儀進(jìn)行了室內(nèi)的測試實驗，如表1為3個通道對同一環(huán)境下，二氧化碳濃度的測試數(shù)據(jù)，每個通道測試10次。從測試數(shù)據(jù)上看每個通道測試數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。且與空氣中二氧化碳碳理論在濃度值接近。

表1 室內(nèi)測試數(shù)據(jù)Tab.1 The indoor test data

7 結(jié)束語

該儀器的開發(fā)主要是為二氧化碳儲存項目服務(wù)，對二氧化碳泄露進(jìn)行監(jiān)測，針對泄露的二氧化碳濃度值范圍不定的情況，儀器設(shè)計了三個通道，并通過實驗測試了三個通道數(shù)據(jù)采集情況，測試結(jié)果說明，儀器運行正常。

[1]何睿.基于紅外光譜吸收原理的二氧化碳?xì)怏w檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實驗研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2009.

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[3]甘宏，潘丹，張洪春.便攜式非分光紅外吸收型二氧化碳傳感器[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報.2007（3）:19-20 GAN Hong，PAN Dan，ZHANG Hong-chun，Singlechipmicrocomputer-basedcarbondioxide Sensingsystemwithinfraredabsorption[J].Journal of Guilin University of Electronic Technology， 2007（3）:19-20.

[4]張盼盼.基于STM32芯片的工控板設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2013，21（11）:135-136.ZHANG Pan-pan.Industrial control board design based on STM32 chip[J].Electronic Design Engineering，2013，21（11）:135-136.

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[6]辛銳.DGUS觸摸屏串口通信應(yīng)用設(shè)計[J].內(nèi)江科技，2013（5）:169-171.XIN RUI.Application design of the DGUS touch screenserial port communication[J].Neijiang Technology，2013（5）:169-171.