基于紅外傳感器的CO氣體檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

基于紅外傳感器的CO2氣體檢測(cè)電路設(shè)計(jì)隨著人類社會(huì)的的進(jìn)步和科學(xué)學(xué)技術(shù)的發(fā)展展，人們的生生活水平得到到了迅速提高高，工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)規(guī)模也迅速速擴(kuò)大，但同同時(shí)導(dǎo)致了二二氧化碳的排排放成倍增長(zhǎng)長(zhǎng)，如溫室效效應(yīng)，土地荒荒漠化程度加加速等，嚴(yán)重重影響并破壞壞著人類的生生存環(huán)境。另另外，二氧化化碳是作物光光合作用的主主要原料，其其含量合適與與否直接影響響作物的生長(zhǎng)長(zhǎng)。近年來(lái)，隨隨著人們環(huán)保保意識(shí)的增強(qiáng)強(qiáng)，科技進(jìn)步步的進(jìn)步，如如何快速檢測(cè)測(cè)二氧化碳的的含量，削減減二氧化碳的的排放，已成成為各級(jí)政府府和廣大有識(shí)識(shí)之士特別關(guān)關(guān)注的問(wèn)題，因因此研究并設(shè)設(shè)計(jì)二氧化碳碳檢測(cè)電路具具有十分重要要的意義。

目前檢測(cè)二二氧化碳的方方法主要有化化學(xué)法、電化化學(xué)法、氣相相色譜法、容容量滴定法等等，這些方法法普遍存在著著價(jià)格貴，普普適性差等問(wèn)問(wèn)題，且測(cè)量量精度還較低低。而傳感器器法具有安全全可靠、快速速直讀、可連連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)。目前各各種檢測(cè)用的的二氧化碳傳傳感器主要有有固體電解質(zhì)質(zhì)式、鈦酸鋇鋇復(fù)合氧化物物電容式、電電導(dǎo)變化型厚厚膜式等，這這些傳感器存在對(duì)對(duì)氣體的選擇擇性差、易出出現(xiàn)誤報(bào)、需需要頻繁校準(zhǔn)準(zhǔn)、使用壽命命較短等不足足。而紅外吸吸收型二氧化化碳傳感器具有測(cè)測(cè)量范圍寬、靈靈敏度高、響響應(yīng)時(shí)間快、選選擇性好、抗抗干擾能力強(qiáng)強(qiáng)等特點(diǎn)。為為此本設(shè)計(jì)采采用紅外吸收收型二氧化碳碳傳感器，整個(gè)個(gè)電路設(shè)計(jì)力力求簡(jiǎn)單易用用，快速直讀讀，價(jià)格低廉廉。1檢測(cè)電路的的工作原理11.1紅外吸收型型二氧化碳?xì)鈿怏w傳感器的工作作原理〔1〕

紅外吸收型CO2氣體傳感器是基于于氣體的吸收收光譜隨物質(zhì)質(zhì)的不同而存存在差異的原原理制成的。不不同氣體分子子化學(xué)結(jié)構(gòu)不不同，對(duì)不同同波長(zhǎng)的紅外外輻射的吸收收程度就不同同，因此，不不同波長(zhǎng)的紅紅外輻射依次次照射到樣品品物質(zhì)時(shí)，某某些波長(zhǎng)的輻輻射能被樣品品物質(zhì)選擇吸吸收而變?nèi)?，產(chǎn)產(chǎn)生紅外吸收收光譜，故當(dāng)當(dāng)知道某種物物質(zhì)的紅外吸吸收光譜時(shí)，便便能從中獲得得該物質(zhì)在紅紅外區(qū)的吸收收峰。同一種種物質(zhì)不同濃濃度時(shí)，在同同一吸收峰位位置有不同的的吸收強(qiáng)度，吸吸收強(qiáng)度與濃濃度成正比關(guān)關(guān)系。因此通通過(guò)檢測(cè)氣體體對(duì)光的波長(zhǎng)長(zhǎng)和強(qiáng)度的影影響，便可以以確定氣體的的濃度。

根據(jù)比爾朗朗伯定律，輸輸出光強(qiáng)度、輸入光強(qiáng)強(qiáng)度和氣體濃度之間的關(guān)系系為：

式中為摩爾分子子吸收系數(shù)；；C為待測(cè)氣體體濃度；L為光和氣體體的作用長(zhǎng)度度（傳感長(zhǎng)度度）。對(duì)上式式進(jìn)行變換得得：

通過(guò)檢檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)據(jù)就可以得知知?dú)怏w的濃度度圖1

二氧化化碳傳感器探頭結(jié)結(jié)構(gòu)

紅外二二氧化碳傳感感器探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖1所示。是由由紅外光源、測(cè)量氣氣室、可調(diào)干干涉濾光鏡、光光探測(cè)器、光光調(diào)制電路、放放大系統(tǒng)等組組成。紅外光光源采用鎳鉻鉻絲，其通電電加熱后可發(fā)發(fā)出3～10μm的紅外線，其其中包含了4.26μm處CO2氣體的強(qiáng)吸吸收峰。在氣氣室中，二氧氧化碳吸收光光源發(fā)出特定定波長(zhǎng)的光，經(jīng)經(jīng)探測(cè)器檢測(cè)測(cè)則可顯示出出二氧化碳對(duì)對(duì)紅外線的吸吸收情況。干干涉濾光鏡是是可調(diào)的，調(diào)調(diào)節(jié)他可改變變其通過(guò)的光光波波段，從從而改變探測(cè)測(cè)器探測(cè)到信信號(hào)的強(qiáng)弱。紅紅外探測(cè)器為為薄膜電容，吸吸收了紅外能能量后，氣體體溫度升高，導(dǎo)導(dǎo)致室內(nèi)壓力力增大，電容容兩極間的距距離就要改變變，電容值隨隨之改變。CO2氣體的濃度度愈大，電容容值改變也就就愈大。1.2檢測(cè)電路的的設(shè)計(jì)原理圖2檢測(cè)電路路原理框圖

檢測(cè)電電路設(shè)計(jì)的原原理框圖如圖圖2所示。

檢測(cè)電路由由紅外二氧化化碳傳感器、數(shù)字字濾波電路、放放大電路、穩(wěn)穩(wěn)流電路、單單片機(jī)系統(tǒng)、溫溫度補(bǔ)償?shù)冉M組成。設(shè)計(jì)的的基本原理是是紅外二氧化化碳傳感器將檢測(cè)測(cè)到的二氧化化碳?xì)怏w濃度度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)應(yīng)的電信號(hào)，輸輸出的電信號(hào)號(hào)分別經(jīng)過(guò)濾濾波、放大處處理，輸入到到單片機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)，并經(jīng)溫度度和氣壓補(bǔ)償償?shù)忍幚砗?，由由單片機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)輸出送顯示示裝置顯示其其測(cè)量值。1.3檢測(cè)電路的的設(shè)計(jì)圖3

二氧化化碳檢測(cè)電路路圖

按照上上述設(shè)計(jì)原理理，設(shè)計(jì)的二二氧化碳檢測(cè)測(cè)電路如圖3所示。工作作原理是首先先由紅外傳感感器將探測(cè)到到二氧化碳?xì)鈿怏w的濃度并并轉(zhuǎn)換成電信信號(hào)，濾波電電路提取電信信號(hào)并輸出到到放大電路，經(jīng)經(jīng)過(guò)單片機(jī)系系統(tǒng)處理后輸輸出，再由74AC1138送入顯示電電路，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對(duì)二氧化碳碳?xì)怏w濃度的的檢測(cè)。

電路中由R1、R2、R3、R4、C1、C2和運(yùn)放組成成濾波電路〔2〕，在電路路中既引入了了負(fù)反饋，又又引入了正反反饋。當(dāng)信號(hào)號(hào)頻率趨于零零時(shí)，由于C1的電抗趨于于無(wú)窮大，因因而正反饋很很弱；當(dāng)信號(hào)號(hào)頻率趨于無(wú)無(wú)窮大時(shí)，C2的電抗趨于于零。這樣就就保證了當(dāng)信信號(hào)頻率在趨趨于零和無(wú)窮窮大之間的任任何一個(gè)值，濾濾波電路都可可以正常提取取相應(yīng)的電信信號(hào)。

濾波電路之之后的放大電電路，其作用用是將濾波電電路輸出的信信號(hào)放大到一一定的程度，以以便驅(qū)動(dòng)負(fù)載載。R6和C4串聯(lián)構(gòu)成校校正網(wǎng)絡(luò)用來(lái)來(lái)對(duì)電路進(jìn)行行相位補(bǔ)償。

單片機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)主要由MC144433和8031構(gòu)成，MC144433是一種雙積積分A/D轉(zhuǎn)換芯片，與與8031單片機(jī)如圖圖方式連接。MC144433的轉(zhuǎn)換結(jié)果Q-Q接8031的P1.0--P1.3，選通輸出出脈沖DS1-DDS4接8031的P1.4--P1.7。轉(zhuǎn)換結(jié)果果標(biāo)志EOC，一方面接接至更新轉(zhuǎn)換換控制信號(hào)輸輸入線DU，另一方面面接至8031的中斷輸入入線INT1，表明單片片機(jī)既可采用用中斷方式讀讀入A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果果，也可以采采用查詢方式式。最后的結(jié)結(jié)果送入74AC1138并驅(qū)動(dòng)數(shù)碼碼管顯示具體體數(shù)值[3][44]。2檢測(cè)處理程程序流程框圖圖

檢測(cè)處理程程序流程框圖圖如圖4所示。采用MCS系列匯編語(yǔ)語(yǔ)言〔5〕編程，由由于有硬件設(shè)設(shè)計(jì)的保證，使使得整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)既可以工作作在循環(huán)查詢?cè)兊姆绞?，也也可工作在中中斷管理的方方式?結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)已成成功運(yùn)用于延延安市農(nóng)科所所花卉示范園園，運(yùn)行效果果良好。實(shí)踐踐證明本檢測(cè)測(cè)電路