CO2濃度的檢測(cè)方法大致分化學(xué)方法和物理方法,。CO2濃度檢測(cè)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(jià)格貴,，普適性差等問(wèn)題,，且測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)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(duì)不同波長(zhǎng)的輻射的吸收程度不同,，CO2氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有強(qiáng)烈的吸收,。
目前各種檢測(cè)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(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CO2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)。因此,，本次設(shè)計(jì)采用紅外吸收型 CO2傳感器,。
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(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,，輸出光發(fā)光強(qiáng)度I,、輸入光發(fā)光強(qiáng)度I0和氣體濃度c之間的關(guān)系為
I=I0exp（-αmLc） （1）
式中：αm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)式（1）進(jìn)行變換,，得：
公式
2 儀器設(shè)計(jì)框圖
前端傳感器輸出的數(shù)字信號(hào),，以串口方式與STM32進(jìn)行通訊，此儀器設(shè)計(jì)三通道采集,，利用繼電器電路對(duì)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(guò)編寫(xiě)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(pán)數(shù)據(jù)等功能,?？驁D如圖1所示。
圖1 儀器設(shè)計(jì)框圖
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(yùn)用非色散紅外原理檢測(cè)氣體,，它包括長(zhǎng)壽命鎢紅外光源、供擴(kuò)散氣體進(jìn)入的光通道,、一對(duì)經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)募t外原理熱電交換檢測(cè)元件,、半導(dǎo)體溫度傳感器和處理紅外熱電交換檢測(cè)器信號(hào)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
4 硬件電路設(shè)計(jì)
本儀器設(shè)計(jì)3個(gè)通道的二氧化碳傳感器采集，通過(guò)3個(gè)繼電器來(lái)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
使用低功耗單片機(jī)STM32F103RE，內(nèi)核為：ARM 32-bitCortex-M3 CPU,，尺寸為：10mmx10 mm,，帶有4個(gè)串口，在本儀器設(shè)計(jì)中,，用到3個(gè)串口,，一個(gè)與傳感器進(jìn)行通訊，一個(gè)與液晶進(jìn)行通訊,，一個(gè)與USB存儲(chǔ)模塊通訊,。如圖4為控制器最小系統(tǒng),。
圖4 STM32STM32
選擇迪文科技有限公司的液晶，型號(hào)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,，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不用添加按鍵電路,，只需編寫(xiě)液晶按鍵程序就能實(shí)現(xiàn)按鍵功能,，簡(jiǎn)單的實(shí)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(jì)
儀器開(kāi)機(jī)后進(jìn)入液晶程序界面，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(diǎn)擊液晶顯示界面上的保存按鈕,，保存當(dāng)前時(shí)間的二氧化碳濃度值,。儀器軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖5所示。
圖5 軟件流程圖
6 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)
利用組裝的便攜式二氧化碳監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行了室內(nèi)的測(cè)試實(shí)驗(yàn),，如表1為3個(gè)通道對(duì)同一環(huán)境下,，二氧化碳濃度的測(cè)試數(shù)據(jù)，每個(gè)通道測(cè)試10次,。從測(cè)試數(shù)據(jù)上看每個(gè)通道測(cè)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。
7 結(jié)束語(yǔ)
該儀器的開(kāi)發(fā)主要是為二氧化碳儲(chǔ)存項(xiàng)目服務(wù),，對(duì)二氧化碳泄露進(jìn)行監(jiān)測(cè),，針對(duì)泄露的二氧化碳濃度值范圍不定的情況，儀器設(shè)計(jì)了三個(gè)通道,，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了三個(gè)通道數(shù)據(jù)采集情況,，測(cè)試結(jié)果說(shuō)明,，儀器運(yùn)行正常,。