基于單片機控制的二氧化碳濃度測試計的設計

　　1 引言

　　大氣中過(guò)多的二氧化碳(CO2)不僅對人類(lèi)賴(lài)依生存的地球造成威脅，同時(shí)公共場(chǎng)合由人體呼吸排出的大量二氧化碳氣體也容易導致人們疲勞、注意力不集中、頭痛等癥狀。因此，在醫院、學(xué)校等人口密集的環(huán)境中設置CO2監控設備可以有效地監測和改善空氣質(zhì)量。為人們提供更好的生活環(huán)境。最常用的CO2濃度測試方法是非色散紅外吸收法(NDIR法)。這種方法利用CO2有選擇性的吸收4．26μm紅外線(xiàn)的特性，根據朗伯比爾定律可精確測試CO2氣體濃度，但該方法有一個(gè)明顯缺點(diǎn)，即在CO2濃度較低的地方測試時(shí)，需要較長(cháng)的光路通過(guò)氣體(氣室長(cháng)度)以獲取良好的吸收效應，既意味著(zhù)需要使用體積較大且具有精密光學(xué)器件的設備，與這些昂貴的設備相比，利用半導體CO2傳感器測試CO2濃度，具有設備體積小，成本低、壽命長(cháng)等特點(diǎn)。提出一種基于CDM416l型CO2濃度測試模塊以及Attiny26單片機的CO2濃度測試與自動(dòng)通風(fēng)系統的設計方法。

　　2 CDM4161簡(jiǎn)介

　　有別于固態(tài)或者液態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器，半導體氣體傳感器是利用半導體材料的各種化學(xué)特性將空氣中含有的特定氣體(即待測氣體)以適當的電信號檢測或定量的器件。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應速度快、體積小、壽命長(cháng)、便于集成化、智能化，能使檢測轉換一體化。世界上最先實(shí)現半導體氣體傳感器商品化的是日本費加羅公司發(fā)明的TGS系列半導體氣體傳感器。CDM4161是費加羅公司生產(chǎn)的一種CO2氣體濃度測試模塊，其內部集成了TGS4161 CO2氣體傳感器以及PICl6LF88單片機，CDM4161對空氣中CO2氣體濃度的測量范圍為400～4000 ppm，并且在空氣中對CO2氣體有高選擇性．而對一氧化碳和甲烷等氣體不敏感，CDM4161內部集成的單片機可對傳感器采集到的信號處理和自動(dòng)校準，以使其輸出的電平值與CO2氣體的濃度保持良好的線(xiàn)性關(guān)系。CDM4161對外提供5個(gè)引腳，其引腳的功能描述如表1所示。

　　工作時(shí)CDM4161引腳l接+5 V電源，引腳2輸出電壓范圍0．4-4 V。相當于CO2氣體濃度范嗣為400～4 000 ppm。該模塊允許用戶(hù)通過(guò)跳線(xiàn)設置4檔極限值，當監測到的CO2濃度高于設定值時(shí)。引腳3輸出高電平以驅動(dòng)外部通風(fēng)設備，反之監測到的CO2濃度由高轉低，且低于某一門(mén)限值時(shí)，引腳3輸出電平也由高變低關(guān)閉外圍控制設備，CDM4161板上跳線(xiàn)與所設定極限值以及引腳3輸出電位的變化關(guān)系如表2所示。引腳4在傳感器故障時(shí)輸出低電位，可通過(guò)該引腳連接蜂鳴器．以及時(shí)監測CDM4161工作狀態(tài)。CDM4161模塊有3個(gè)工作狀態(tài)指示燈，當模塊上電時(shí)CDM4161需要預熱2 h，比時(shí)板上綠燈閃爍，而后進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，綠燈常亮。當引腳3輸出高電位時(shí)，紅燈閃爍，當模塊內部傳感器故障時(shí)黃燈閃爍。

　　3 系統硬件設計

　　圖l中JI與Attiny26相連用于在線(xiàn)程序更新。Attiny26是ATMEL公司開(kāi)發(fā)的低功耗、高性能的8位單片機，內部具有2KB Flash程序存儲器以及11個(gè)10位A/D轉換器單端通道，由Attiny26單片機與CDM4161構成的CO2濃度測試與自動(dòng)通風(fēng)系統的電路圖如圖1所示。使用Attiny26單片機端口PAO引腳讀取CDM4161引腳3輸出的模擬信號，并將其轉變?yōu)閿底中盘?，然后將測量結果送LCD顯示，Attiny26的PA3-PA6與LCDl602液晶顯示器的數據線(xiàn)D4～D7相連，工作時(shí)設置LCDl602為4 bit工作方式，CDM416l的引腳3與繼電器RELAYl相連以便在室內CO2氣體濃度過(guò)高時(shí)控制通風(fēng)設備通風(fēng)；CDM416l的引腳4與繼電器RELAY2相連以在CDM416l上的傳感器故障時(shí)控制告警設備發(fā)出告警信息。

　　4 軟件設計

　　二氧化碳濃度測試儀的軟件流程圖如圖2所示(圖略)，程序運行時(shí)首先初始化Attiny26單片機的I／O端口以及1602液晶顯示器的初始化，然后開(kāi)始從Attiny26的PAO引腳讀取CDM416l引腳2輸出的模擬電平，并進(jìn)行A/D轉換，而后每隔1 s再次從Attiny26的PAO引腳讀取CDM416l輸出的模擬電平，并進(jìn)行A／D轉換，Attiny26分析A／D變換后的數值，并在1602液品顯示器上顯示CDM416l的狀態(tài)和當前環(huán)境中CO2的濃度。

　　5 結語(yǔ)

　　由Attiny26單片機以及CDM4161構成的二氧化碳濃度測試儀電路結構簡(jiǎn)單，成本低，非常適合在人群密集的商場(chǎng)、醫院、學(xué)校等地方用于監測室內空氣質(zhì)量，通過(guò)連接外部的通風(fēng)以及告警設備可以及時(shí)改善室內空氣質(zhì)量并有效地監控設備運行情況。