某CO₂濃度監(jiān)控教具研制的些許技術(shù)分享

王賀加

摘 要：本論文講述了室內(nèi)二氧化碳濃度監(jiān)控教具開發(fā)過程中遇到的技術(shù)問題及解決方案。這個教具的主體部分采用的是模擬型電路，實現(xiàn)了以電化學方式信號采集、放大和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)（新風）模擬；附屬部分采用的是數(shù)字型電路，實現(xiàn)了紅外信號采集，通信（含傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換）和電腦端調(diào)試（重點在于數(shù)據(jù)數(shù)制轉(zhuǎn)換）。本論文主要呈現(xiàn)的是：傳感器初步研究與選型，電化學傳感器基本研究，光耦合隔離放大器的應用，繼電器驅(qū)動器的功率實質(zhì)初探；調(diào)試軟件的簡析，數(shù)制轉(zhuǎn)換軟件的核心算法和實現(xiàn)研究。

關(guān)鍵詞：二氧化碳濃度；電化學；數(shù)制轉(zhuǎn)換；光耦合隔離放大器；繼電器驅(qū)動器

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0213-03

在國家級環(huán)保策略的大背景下，基于國際國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域研究的前提下，自我開發(fā)加之某杯賽課題的強化下，本人開發(fā)了室內(nèi)二氧化碳濃度監(jiān)控教具（其外觀參見圖1裝置主視圖）。

該教具的主體部分是模擬類型的電路：它是以電化學傳感器感知的二氧化碳濃度指標為輸入，并且將此指標時時和調(diào)定值比較，一旦大于或等于調(diào)定值且保持3～5秒時，負載繼電器動作，以驅(qū)動聲光報警和風扇（新、排風扇各一）運轉(zhuǎn)（模擬空調(diào)新風系統(tǒng)）；該教具的輔助部分是以數(shù)字類型的電路：它是以紅外傳感器感知的二氧化碳濃度為指標，經(jīng)過采集、傳輸（TTL轉(zhuǎn)USB協(xié)議）和調(diào)試三級軟件，得以在電腦端調(diào)試和顯示。

1 模擬電路開發(fā)要點

該教具主體部分系模擬電路類型，采取信號源及信號采集端，放大控制級和負載界三級電路，具體參見圖2模擬電路原理圖。

放大控制級電路采取三級放大設(shè)計，前級放大和傳感器集成在一起，中級是一個獨立的光耦合隔離放大器，末級放大器集成于繼電器驅(qū)動器內(nèi)。具體參見圖3模擬電路三級放大原理圖：

1.1 傳感器相關(guān)領(lǐng)域初步研究及選型

經(jīng)初步研究，本教具可能使用的傳感器至少有：金屬氧化物半導體式傳感器，催化燃燒式傳感器，定電位電解式氣體傳感器，PID光離子化氣體傳感器，迦伐尼電池式氧氣傳感器，紅外式傳感器等六類。在比對各自的優(yōu)缺點以后（兼顧成本考量），選定帶有以金電極作為參考電極的熱堆反應式金屬氧化物傳感器作為模擬電路傳感器；以紅外熱堆式傳感器作為數(shù)字電路的傳感器。

其電化學傳感器工作原理是：利用兩種不同的氫前金屬氧化物氧化鋰和氧化鈉，在被加熱的情況下，氧化鈉和空氣中的氧氣不停的化合后再分解；由于金屬單質(zhì)活潑性差異（鈉較鋰更活潑）。促使氧化鈉更快的和氧氣反應（俗稱此現(xiàn)象為“奪氧”）。所以，氧化鋰被迫的和二氧化碳反應，生成碳酸鹽，當然，也是不停的進行化合和分解。這兩個反應都是一種動態(tài)的平衡，總計產(chǎn)出物是4摩爾的電子。離子反應方程式如下：

就是這些釋放出來的電子構(gòu)成了最初始的信號，并和二氧化碳濃度相關(guān)（注意是負相關(guān)），而后續(xù)電路都是基于此特性進行設(shè)計（實際拿到的傳感器是一個集傳感器、放大器在一起的集成器件，并有相關(guān)電位器以供相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)）。

后者，數(shù)字電路所用的紅外傳感器的原理見本文第二章 數(shù)字電路開發(fā)要點。

1.2 隔離放大器的應用

本裝置采用的是光耦型隔離放大器。光耦的基本原理參照圖4中的信號放大隔離器。其中，左邊的是光源，比如發(fā)光二極管，用于信號的發(fā)射；右邊是光敏元件，用于光信號的接收，比如光敏三極管。我們把需要進行阻抗匹配的前后兩級電路稱為前級和后級。前級視為信號采集端，光源發(fā)光強度隨輸入信號的強弱（本電路中傳感器的初始信號已經(jīng)前級放大器放大，所以說傳感器的輸出作為隔離器的輸入）而進行線性的變化，后級光敏元件的輸出電流也就同步隨之變化。后續(xù)電路對光敏原件的電流變化進行一些列的處理（為更適合與后續(xù)繼電器驅(qū)動器相匹配，所以本隔離器為線性型電壓輸出式）?？梢?，光耦型隔離器實現(xiàn)了電-光-電的轉(zhuǎn)換，具有抗干擾和較為容易的使得前后級“回避”了電氣阻抗匹配的問題。

1.3 繼電器驅(qū)動器的功率實質(zhì)初探

本電路中所采用的繼電器驅(qū)動器是光耦合型的，原理上和前級的光耦型隔離放大器是一樣的，只不過，繼電器驅(qū)動器的功率較大一些，且執(zhí)行繼電器和驅(qū)動器集成在一起。

但，也不能用它的繼電器直接作為負載的執(zhí)行元件。本裝置的設(shè)計是，仍然將這個繼電器作為控制元件，再加載個觸點容量更大的繼電器。這么設(shè)計不是冗余，而是處于安全考慮或者說是減少一旦出現(xiàn)過載的情況下，保護成本較高的元器件，以降低損失成本，且維修更方便（拆裝導軌上的繼電器比修理繼電器驅(qū)動器線路板方便得多）。

另，在調(diào)整繼電器工作點時候發(fā)現(xiàn)：繼電器驅(qū)動器的調(diào)節(jié)是電壓、電流的綜合指標。電壓、電流為二元變量，在一個方程之下有無數(shù)組解（當然，實際值的范圍也不會太大，基本上在以額定電壓值為基準上下一定范圍內(nèi)浮動）。其實，就是功率調(diào)節(jié)。具體表現(xiàn)為在額定電壓的上下一個范圍內(nèi)浮動，電流也隨之線性的變化（反比）。但是，在調(diào)節(jié)的時候不允許出現(xiàn)電流的反向流動。

2 數(shù)字電路開發(fā)要點

本裝置的數(shù)字電路部分完成的是二氧化碳濃度值的顯示功能。顯示的方式有16進制和10進制兩種；而根據(jù)使用裝置操作的人員權(quán)限管理需求，則將軟件區(qū)分為供管理員調(diào)試用的和實驗員觀察用的兩個軟件，前者功能較多，后者功能較少。

整體部署策略：對紅外傳感器感知的信號指標進行時時采集，放大和模數(shù)轉(zhuǎn)化，以異步串行方式（NART）傳輸給下級（接口為TTL門電壓）；下一級是用CP2102將傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)化為通用串行接口（即USB）協(xié)議，以供PC端調(diào)節(jié)和顯示（16進制轉(zhuǎn)10進制的數(shù)制轉(zhuǎn)化語句是本文陳述的重點，會同時給出Delphi和Arduino兩種語言的核心算法語句）。

2.1 紅外傳感器原理與應用

首先，每一種物質(zhì)（物體）都有自己的固有頻率，其只能反射或稱諧振相同頻率（波長）的入射波譜，這就使得波譜檢測法成為可能。目前常用的檢測方式有色散和非色散兩類。結(jié)合本裝置的需求和實際情況，采用非色散型熱電極紅外傳感器。

其次，該傳感器的組件部署包括：公共寬頻譜紅外光源，濾波器（片）（波長有區(qū)別），被測物（二氧化碳氣體），熱態(tài)光敏電極（熱堆）。

最后，就是工作原理。概括來說就是通過不同中心波長的濾波片構(gòu)成兩套不同的光路：一套是方便二氧化碳與紅外線產(chǎn)生最大幾率諧振的通路，即“信號采集”通路（濾波片中心波長4260nm）（這個波長是出于二氧化碳吸收紅外最大幾率（97%））；另外一套是反過來，即產(chǎn)生最小幾率諧振的通路，為“信號基準”通路（濾波片中心波長3910nm）（同時此波長也是過濾到最大的干擾源水蒸氣的干擾）[1]。

2.2 數(shù)制轉(zhuǎn)換軟件的核心算法和實現(xiàn)

模擬電路有通、斷；數(shù)字電路有1、0（雖然描述不同，但同樣都是兩態(tài)邏輯）。這就是二進制的根源。計算機作為模擬和數(shù)字（主要是數(shù)字電路）的典型集成也不例外的采用2進制。但，計算機物理層的2進制數(shù)據(jù)有時候在邏輯層表示起來很長，所以就取23即8進制、24即16進制等表示。不過，人類社會目前普遍采用的多為10進制，少數(shù)也有12進制等但都和2進制不一致。這就產(chǎn)生了用戶界面上的一個矛盾或者說是需求：數(shù)制轉(zhuǎn)換（本裝置所說的數(shù)制轉(zhuǎn)換專指二氧化碳濃度16進制數(shù)值轉(zhuǎn)化并顯示為10進制數(shù)值）。

首先，我們先研究一下傳感器輸出的16進制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。請參照以下表格1（以最大量程5000ppm傳感器所感知的二氧化碳濃度數(shù)據(jù)為例）：

根據(jù)數(shù)學模運算原則，建立16進制高、低位對應10進制的公式為：

將范例表格中16進制的018D的數(shù)值帶入后得到對應的10進制數(shù)值則為：

如果此時的需求是基于單板機的，且編程語言為Arduino的話，其數(shù)值轉(zhuǎn)換的核心語句參考如下：

{DEC1=comdata[2]；

DEC2=comdata[3]；

int o3val=DEC1*256+DEC2；}

如果此時的需求是基于PC機的，且編程語言為Delphi的話，其數(shù)值轉(zhuǎn)換的核心語句參考如下（Delphi語言已經(jīng)將前面的模運算固化而通過中間函數(shù)調(diào)用了）：

begin

move（buffer^，pchar（@receivebuf）^，bufferlength）；

for i：=0 to bufferlength-1 do

receivestring：=receivestring+inttohex（receivebuf[i]，2）；

CO2Values：=StrToInt（'$'+MidStr（receivestring，5，4））；

2.3 調(diào)試軟件簡析

2.3.1 零點校驗

傳感器出廠前都進行了硬件標定，一般6個月內(nèi)正常使用的前提下，無需再標定，但平時使用時，每天通過軟件進行一下0點校準還是必要的。

零點校驗的指令：參照廠家產(chǎn)品手冊；

2.3.2 讀取指令

獲得數(shù)據(jù)的方式一般有主動上傳、問答上傳和問答讀取三種類型。這里采用的是問答讀取式（具體的讀取的指令：參照廠家產(chǎn)品手冊）。

2.3.3 返回數(shù)值

返回數(shù)值的格式參見前述表1。

2.3.4 界面操作

根據(jù)用戶權(quán)限管理的需求，我們提供管理員和實驗員兩種不同級別的操作權(quán)限，前者是可以操作所有指令的，即可讀可寫（所謂寫就是指允許想前端發(fā)送指令）；后者是只能是讀取和保存，或簡單地說就是只讀。

（1）管理員操作。管理員在調(diào)試時候首先要確定外接組件和電腦端的端口號（即COM口號），允許用操作界面選擇，有指示燈協(xié)助判定。端口號確定以后，要調(diào)試一下參數(shù)：波特率9600，數(shù)據(jù)8，校驗位：無，停止位：1，發(fā)送周期：1000ms。然后注意：數(shù)制先選16進制，觀察相應二氧化碳濃度高地位數(shù)值（參見表1說明），然后通過計算器計算轉(zhuǎn)化的10進制是否正確（和實驗員界面進行比較）；發(fā)送方式：先選只輪發(fā)一次，以便調(diào)試時間比較充裕，然后再選擇：收到回答后發(fā)下一幀。最后，將檢驗指令輸入發(fā)送區(qū)1，將讀取指令輸入至發(fā)送區(qū)2。點擊手動發(fā)送，觀察發(fā)送值；校驗成功后，點擊發(fā)送區(qū)1的“清空按鈕”清除檢驗指令；然后，點擊發(fā)送去2的“手動發(fā)送”，發(fā)出讀取指令，觀察發(fā)送數(shù)值，正常后，改選為自動輪發(fā)模式。一切正常后，保存和調(diào)取數(shù)據(jù)，判斷是否正常。

（2）實驗員操作。在通過管理員界面調(diào)試時候，同時也觀察實驗員界面的顯示是否同步和一致。一切正常后，關(guān)閉管理員界面。通過實驗員操作界面保存和調(diào)取數(shù)據(jù)，觀察是否正常。正常后，清空數(shù)據(jù)，觀察是否有效。

3 工藝開發(fā)要點

工藝設(shè)計的原則底線是：以安全為底線，方便為目的，即各類行政技術(shù)標準做加法，機電特性需求做減法（比如后面將要說的感性負載的保護性時延）。其他的人為需求都不得抵觸安全原則。

3.1 工作點的調(diào)整

采取先前級在后級的原則，即傳感器、隔離器和繼電器驅(qū)動器。其中，繼電器驅(qū)動器的調(diào)節(jié)是電壓、電流的綜合指標。電壓與電流構(gòu)成二元變量，在一個方程之下有無數(shù)組解（當然，實際值的范圍也不會太大，基本上在以額定電壓值為基準上下一定范圍內(nèi)浮動）。其實，就是功率調(diào)節(jié)。具體表現(xiàn)為在額定電壓的上下一個范圍內(nèi)浮動，電流也隨之線性的變化（反比）。但是，在調(diào)節(jié)的時候不允許出現(xiàn)電流的反向流動。

3.2 安全規(guī)范與標準

（1）相關(guān)技術(shù)標準來自于疾控部門。一般講，對于機構(gòu)件，凡金屬材料，一般推薦的以醫(yī)用不銹鋼為主。而本裝置的選材原則是：至少保證是不銹鋼材料，比如機箱鋼板、按鈕外殼等；另外，考慮到盡量減小對于某些電氣元件的核磁、電磁特性，如電源模塊中變壓器的磁鋼，繼電器中的吸合零件等的干擾，最終選用弱磁性不銹鋼板制作機箱；不過，處于便于實驗操作和收納物品，聲光報警器選用的是磁吸式，則根據(jù)機械尺寸，設(shè)計了一個中等磁性的法蘭盤，專供報警器在實驗狀態(tài)下定位；

（2）電氣機箱行業(yè)相關(guān)規(guī)范。一般講，箱內(nèi)零部件，至少故障率相對高的采用導軌式安裝，以便安裝維修過程中的拆卸；

（3）國家國際強制標準。一般，是強電元件之國家、國際強制標準；近年，由于材料環(huán)保要求也在逐步加強。本裝置在選材時候，是要求零件制造廠家書面提供第三方證書、報告。本裝置涉及的有：選擇具有第三方檢測機構(gòu)報告、電源線和插座（主要是強電部分，但弱電部分也不是不考慮，比如熱堆式傳感器工作溫升較高，信號又較弱，所以，就選擇鍍銀導體加特氟龍外被的導線作為傳輸線）；盡可能選擇具有第三方檢測機構(gòu)報告的環(huán)保材料，如環(huán)保電池盒；采用密封性好，機械穩(wěn)固性高遵循航空行業(yè)標準的不銹鋼插頭作為負載輸出接口等。另外，前面提到的兩級繼電器設(shè)計，也是處于安全考量（總負載功率要小于繼電器觸點容量，或稱留有一定的安全系數(shù)）。

3.3 其它需求

（1）操作友好（從事與勞動保護領(lǐng)域（國外稱為人體工程學））：為方便教具實驗狀態(tài)方便人員操作（擬定以坐姿為主），機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計為臥式；

（2）合理的冗余控制：考慮到本裝置是校園內(nèi)實驗室中所使用的教具，所以在聲光報警器的聲音報警線路里串聯(lián)了一個開關(guān)，即最大限度的減少噪音干擾。當然，在真正的工業(yè)控制應用中而非目前的實驗室教具應用中，則嚴禁加增此類開關(guān)（甚至于用戶提出有人員值班也不可以）。

參考文獻

[1]陳媛婧.懸浮吸收層的MEMS熱電堆紅外傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備方法研究[D].中北大學碩士學位論文，2014.