二氧化碳濃度檢測與報警系統的研究與設計

引言：二氧化碳（CO2）的濃度對人體健康、生產安全和農作物生長具有重大影響。二氧化碳濃度過高不僅會危害人體健康、在較密閉空間作業容易發生窒息等安全事故，還會造成溫室效應，土地荒漠化加速等不良現象。若溫室大棚CO2濃度適宜，還可以取到增產增收的效果。目前國內越來越注重環保，政策上大力扶持農業，對二氧化碳檢測及報警系統的需求量越來越大。因此，研究便攜式、低成本的二氧化碳濃度報警系統在生產生活中具有重大意義。

一、前言

隨著科技的發展，框架式密閉高層建筑和小車的普及，作為室內主要污染物的CO2嚴重影響人的健康。當室內CO2體積百分比達到4%時，人呼吸加深，

產生頭暈，頭痛，耳鳴，眼花，血壓上升等癥狀，嚴重影響人的工作和學習效率。當達到8%-10%時，呼吸困難，全身無力，神智由興奮至喪失，達到30%時，可能出現死亡現象，因此加強CO2濃度的檢測很有必要。

二氧化碳及溫度檢測儀可以在農業、養殖業、工業領域中廣泛使用，可以產生極大的社會經濟效益，具有很大的開發價值。本研究是基于單片機設計的二氧化碳檢測儀，旨在檢測環境CO2濃度，在精細化農業，溫室控制，密閉空間（如空調房，小汽車內，井下生產）檢測方面有重要意義，可以方便生產和生活的需要。

二、紅外吸收CO2氣體檢測的基本原理

1、雙原子分子紅外吸收光譜的基本原理

1.1雙原子分子的振動

紅外光譜是分子中基團原子間振動躍遷時吸收紅外光所產生的。為了討論的方便，在最簡單的雙原子分子中化學鍵的振動可按諧振子處理。把雙原子分子中的原子看成質量為m1和m2的兩個小球，

其間的化學鍵看成是無質量的連接兩個小球的彈簧。當分子吸收紅外光時，兩個原子將在連接的軸線上做振動。雖然從經典力學方面解釋了振動光譜的基頻吸收，但是對除基頻吸收外的一些其他吸收帶無法解釋。所以還要引入量子力學的理論。根據量子力學的理論，分子中的振動能級是量子化的，而不是連續的。

2、多原子分子的振動

多原子分子的振動形式一般可分成兩大類：伸縮振動和變形振動。多原子分子的振動比雙原子分子的振動要復雜的多。雙原子分子的振動只有一種振動方式（伸縮振動），所以，可產生一個基本振動吸收峰。而多原子分子隨著原子數目的增加，振動方式也隨著變得復雜，所以，它可產生不止一個的吸收峰，并且這些峰的數目與分子的振動自由度有關。當分子的振動自由度的數目越大，在紅外吸收光譜中出現的吸收峰數目也會越多。

3、CO2"氣體分子的紅外吸收光譜

1.1"CO2氣體分子結構

CO2分子結構是直線型，所有原子處在一條直線上，如圖"2.3.1"所示。

圖2.3.1二氧化碳分子結構

1.2"CO2氣體分子的吸收譜線

CO2分子的鍵角為"180°，有四個自由度，具有三種振動模式（ω1，ω23）。CO2分子的第一振動和第二振動各有一個自由度，第三種振動垂直方向，故有兩個自由度，所以CO2分子有四個自由度，三種振動模式。我們選擇中心波長"4.26μm處的吸收譜線作為檢測依據，因為此波段的吸收最為強烈，衰減最劇烈。

4、紅外吸收檢測工作原理

1.1"朗伯（Beer-Lambert）定律

當光輻射通過介質時，光強度發生減弱的現象，稱為光的吸收。在線性吸收情況下，光的吸收滿足朗伯定律。

根據"Beer-Lambert"定律，當紅外光源發射的紅外光通過CO2氣體時，CO2氣體會對相應波長的紅外光進行吸收。"當一束波長為"λ，光強為"I0（cd）的單色平行光射向CO2氣體和空氣的混合氣室時，由于氣室中的樣品在"λ"處具有吸收線和吸收帶，光會被混合氣體吸收一部分，光通過氣體后光強會發生衰減。

三、紅外吸收型CO2氣體檢測裝置的設計

1、氣體傳感器分類及特點

1.1"接觸式測量

基本原理：當被測氣體分子與特點物質接觸，特定物質的特性將發生變化，物質特性的這種變化與氣體濃度成一定比例關系。由此，我們可以將無法量化的氣體濃度轉化為可以量化的電信號。

種類：電化學原理、固態電解質原理、催化燃燒檢測原理、半導體檢測原理等。

優點：可以同時檢測多種氣體，迅速的響應時間，造價可能比較低，重量比較輕

缺點：氣體選擇性低，精確度比較低，使用壽命短

1.2非接觸式測量（光學測量）

基本原理：不同氣體分子吸收特定波長的紅外線，氣體濃度的多少與吸收紅外線的多少成一定的比例關系。從而我們可以通過吸收紅外線的多少來檢測氣體濃度。

種類：非色散紅外檢測原理（NDIR）、圖音檢測方法

優點：高精度和對被測氣體高選擇性、使用壽命長，在使用期間內，傳感器有高穩定性、低功耗（不需要對傳感器單獨加熱）

缺點：不可能測量單原子分子氣體、價格相對較高

隨著低成本小體積的紅外傳感器的發展，越來越多的人們由過去的接觸式測量傳感器，逐步選用紅外傳感器，所以我們決定CO2濃度探測方式選擇非接觸式紅外傳感器。

2、紅外單光束和雙光束原理的區別

單光束檢測原理：單光束紅外檢測只要一個探測器，所以和雙光束相比，隨著時間的推移，單光束檢測原理會出現很大的檢測錯誤。當你使用這種檢測原理的傳感器一段時間以后，傳感器必須用標氣定期標定，因為紅外燈，能量供給，放大器，外部溫度發生改變了。雖然這種檢測原理的傳感器可以應用到標定儀器檢測量標準氣，這種檢測原理的二氧化碳傳感器不適合于檢測控制室內空氣質量。

雙光束檢測原理：雙光束彌補了單光束紅外檢測的弱點。它由二個部分組成，一部分計量由于二氧化碳濃度的多少而吸收的紅外光線的數量，另一部分叫“復合”，檢測沒有被任何氣體影響的紅外線的數量，檢測外部環境的變化，這使傳感器不需要人為標定而具有長期穩定性。雙光束傳感器有很好的穩定性，不管是時間還是溫度條件變化的情況下。雙光束傳感器廣泛應用于室內空氣質量檢測。

為了增加探測精度和系統的穩定性，我們選用雙光束CO2濃度傳感器。

四、CO2濃度檢測與報警系統電路的設計及軟件實現

1、系統的總體設計

紅外發射裝置在驅動電路以及單片機發出的脈沖控制下，發出周期性的紅外光，經過充滿氣體的氣室后，紅外光被CO2氣體分子吸收，強度發生變化。紅外探測器將紅外輻射能轉化為電壓信號，溫度探測器實時監測環境溫度。

從CO2紅外探測器輸出的電壓信號經過放大濾波等調理電路處理后，經過A/D轉換送入到單片機進行處理，再按預先設置判斷進行聲光報警，然后把氣體濃度、溫度和濕度送液晶屏顯示。

2、系統硬件設計

1.1主要器件的選用

（1）單片機的選用

本系統設計為滿足低功耗，易攜帶或易安裝，低功耗和有擴展空間的要求，

選用高速、低功耗、內部存儲空間的大的STC90c516RD+單片機。它具有高抗電性，寬電壓，寬溫度范圍，加密型強等特點。

（2）CO2傳感器的選用

我們選用的是IRM300型雙光束CO2濃度傳感器，IRM300采用NDIR紅外吸收原理進行濃度采集，采用單光源、雙通道，實現了空間上雙光路參比補償。工作電壓4.6～5.4V，探測范圍0～5000ppm，測量精度60ppm5%。重復性8%。

IRM300具有NDIR產品特有的良好選擇性，高靈敏度，無氧氣依賴性，壽命長等特點。

1.2"放大濾波電路

紅外探測器輸出信號非常微弱，容易被環境噪聲淹沒，所以在信號被放大之前，先通過低頻濾波電路除去高頻噪聲;由于紅外探測器IRM300工作電壓為直流電，故需要對信號進行隔直流處理，當信號調整合適后，經A/D轉換等后續電路處理，最后送入單片機進行相關處理。

放大濾波電路由紅外探測器輸出的信號從Vin"腳輸入，經過R3和C1低通濾波后進入運算放大電路，運放的增益為A=1+R2/R1，C5為隔直電容，R4和R5組成電壓提升電路，信號最終變成直流電壓后經過電壓跟隨電路進入單片機處理。

1.3"蜂鳴器報警電路

單片機的一個I/O口控制聲音報警方式。報警電路由開關三極管、蜂鳴器和限流電阻組成。開關三級管選用PNP型的硅型三極管8550。它是一種低電壓，大電流，小信號常用的普通三極管，驅動能力強。蜂鳴器為YMD-12095-G型電磁式有源蜂鳴器。當單片機I/O口為低電平時，三極管導通，蜂鳴器發出報警聲。

1.4"A/D轉換電路

因為模擬信號在時間上十連續的，而輸出的數字信號是離散的，所以需要用到A/D轉換器來進行轉換，在轉換時，必須在一系列選的瞬間對輸入的模擬信號采樣，然后再把這些采樣值轉換為數字量。在該系統中我們選用逐次比較型A/D轉換器PCF8591P，它有多路模擬輸入、內置跟蹤保持、8-bit模數轉換和8-bit數模轉換、最大轉化速率由I2C總線的最大速率決定等特點。

1.5"串口通信電路

為了便于單片機機更好的采集數據并對數據進行分析和處理，實現單片機和"PC"機之間的通訊是十分必要的。由于單片機輸出的是"TTL"電平，而"PC"機為"RS-232"電平，因此，設計中使用了"MAX-232"實現單片機和"PC"機之間的通訊，

1.6"液晶顯示電路

液晶顯示屏用來顯示CO2濃度、溫度、濕度和有關操作。本課題選用的液晶顯示器是SMC1602A型的LCD。陣列顯示模式采用的是超級扭流狀液晶向列顯示，藍色背光。顯示內容16*2個字符，芯片工作電壓4.5V-5.5V，字符尺寸為2.95*4.35（W*H）mm。單片機將數據處理后通過液晶屏顯示出來，其中電容用來濾除雜波，使電壓穩定，滑動電阻RJ6用來調節背光燈的對比度。

3、系統軟件設計

系統軟件包括以下幾大模塊：CO2濃度數據采集處理功能模塊、溫度采集處理模塊、濕度采集處理模塊、液晶顯示模塊、聲光報警模塊。

在軟件系統中，開始對溫度，時鐘，CO2濃度范圍數據進行初始化，用戶可根據具體需要選擇調整CO2濃度的最大最小報警判定范圍。當低于最小濃度時，蜂鳴器慢嘀聲報警，同時黃燈閃爍;高于最大濃度時，紅燈報警，同時蜂鳴器快嘀聲報警。在濃度區間范圍內顯示綠燈，表示CO2濃度合適，系統正常工作。在這三種情況下均顯示CO2濃度值，溫度值。切換可顯示時間，便于相關人員采集數據時，建立數據資料庫。

五、結果與分析

1、測量方式

本實驗的目的是使CO2濃度報警系統達到設計要求，得到準確的濃度值，和數值測量的穩定性，所以我們需要對作品的相關指標來進行測試。我們主要在探測濃度的分辨率，精確度，可重復性這幾個方面進行分析。

鑒于溫度濕度傳感器選用的是成熟器件，我們主要對其在固定溫度或濕度下驗證測量值的穩定性，不作過多數據分析。對于CO2的探測濃度，我們通過在密閉氣室內通入0%～10%二氧化碳濃度的氣體來進行測量。然后著重分析固定濃度下探測濃度的分辨率，精確度，可重復性。

1. 數據整理與分析

1.1測量結果

在培養箱中，我們首先沖入100%的氮氣，由于氮氣在近紅外波段沒有吸收，不會對系統產生影響，此時就可以對系統進行絕對零點校準。然后我們改變各自輸入變量（濕度、溫度、CO2濃度）就可以來進行輸出數據的測量。

下面框圖（表5.2.1）中為我們在5.4%二氧化碳濃度，65%RH濕度，"19環境條件下的部分測量值。

樣本數

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

二氧化碳濃度/ppm

540

540

550

540

560

540

540

530

530

530

溫度/℃

18.75

18.94

18.5

18.5

19.16

19.0

19.13

19.13

19.19

19.25

濕度/%rh

65.2

65.4

65.2

65.3

65.3

65

64.9

65

64.9

64.9

樣本數

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

二氧化碳濃度/ppm

550

530

530

530

540

530

530

540

540

530

溫度/℃

18.88

19

19.19

19.3

19.13

19.4

19.5

19.63

18.94

19.06

濕度/%rh

65

65

64.9

64.8

64.7

64.7

64.6

64.6

64.7

64.6

樣本數

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

二氧化碳濃度/ppm

530

530

540

550

530

550

530

540

560

550

溫度/℃

19.13

19.31

19.38

19.6

19.63

19.3

19.75

19.75

18.88

18.88

濕度/%rh

64.7

64.6

64.7

64.7

64.7

64.6

64.7

64.4

64.8

64.8

表"5.2.1

1.2數據分析

（1）CO2測量穩定性

我們用加權最小方差原理對上面的CO2濃度數據進行擬合，得到的擬合圖像如圖5.2.2。

圖5.2.2

圖中，n是測量次數，y為CO2濃度。

由圖可知，該圖比較直觀的顯現了CO2濃度波動較始終在540左右，可以發現多次測量都會在540ppm左右浮動，說明測量穩定性好，三次方擬合方程為：

（2）CO2測量精度分析

根據表5.2.1的數據和誤差公式（"），可以得知的最大值為20ppm.再由相對誤差公式得

因為3.7%小于我們系統設計需要達到的精度要求5%，所以該系統符合精度設計要求。在其他濃度條件下也在精度范圍內，再此不一一贅述。

（3）可重復性分析

重復性一般用多次測量的相對標準差來表示。由表5.3.1中的數據和樣本標準偏差公式得

式中，"N表示在相同環境條件下測量的總體數據中抽取的30個樣本，Xi是樣本，"表示所采用的樣本的均值538.7，"S表示樣本偏差。

相對標準偏差為：

相對標準偏差的結果遠小于設計要求的8%，這說明實驗具有良好的可重復性。

由于溫度傳感器（型號DS18B20）和濕度傳感器（型號AM2302）采用的是成熟元器件，我們主要對它們的擬合效果進行分析。環境溫度在19，濕度在65%RH條件下，各測得30組數據，根據測試結果分別得到溫濕度擬合方程。

溫度擬合方程為：

濕度擬合方程為：

由溫濕度擬合公式可知，擬合公式對溫濕度擬合性高，溫濕度測量值穩定性好。

六、二氧化碳濃度對作物的影響及作物不同生育期對二氧化碳CO2濃度的需求

光合作用作為植物獲取養分的重要途徑，對于植物的生長有著至關重要的影響。而作為光合作用重要原材料之一——CO2，其濃度無疑成為農產品生長的重要指標之一。根據調查研究顯示，如密閉蔬菜培養溫室內，二氧化碳濃度一天內變化很大，日出前達到最大值1000～1200ppm，日出后2.5～3小時降為100ppm左右，僅為大氣濃度（330ppm）的30%左右，而且一直維持到午后2小時才開始回升，到下午4時左右恢復到大氣水平。蔬菜需二氧化碳濃度一般1000～1500ppm。而蔬菜需二氧化碳濃度一般為1000～1500ppm。

不同種類的農作物對于二氧化碳的濃度需求也不全然相同，甚至同種農作物在不同時期對于二氧化碳濃度的需求也不全然相同。由此可見因此，在很長一段時間內，大棚內的二氧化碳濃度并不處于最合適農作物生長的范圍之中。塑料大棚內二氧化碳虧缺相當嚴重，成為影響塑料大棚蔬菜產量的重要因素。因此安裝二氧化碳監測儀可以保證在二氧化碳監測儀濃度不足的情況下及時報警，從而使用氣肥。保證蔬菜、食用菌、鮮花、中藥等提早上市、高質高產。據此，我們在運用二氧化碳濃度報警系統時，可以參考該作物對應的CO2濃度數據設定相應的濃度范圍，用于實際的蔬菜增產中。

七、結語

本課題基于現有條件下，運用CO2濃度探測原理和相關知識做出真正具有實用價值的便攜式二氧化碳濃度探測報警系統。論文從社會需求，實現原理，硬件制作，軟件控制過程，最終效果評定和社會實踐幾個方面對該系統進行了闡釋。本研究具有重要的現實意義和極大的運用價值。但由于實驗環境的限制和其他因素的限制，系統盡管實現了基本功能，仍然存在許多不成熟的地方，需要從各種環境下的適用性，系統的精確性，系統成本等方面進行改進。

參考文獻

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[3]何睿.基于紅外光譜吸收原理的二氧化碳氣體檢測系統的設計和研究.吉林大學碩士學位論文.2009年4月.

（作者單位：浙江工商大學信電學院）