基于STM32的便攜式二氧化碳監測儀設計

　　CO2濃度的檢測方法大致分化學(xué)方法和物理方法。CO2濃度檢測方法有滴定法、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)現檢測的方法。也有像光聲光譜法這種化學(xué)和物理結合的方法。吸收光譜法的依據是不同化學(xué)結構的氣體分子對不同波長(cháng)的輻射的吸收程度不同，CO2氣體分子對特定波長(cháng)的紅外光有強烈的吸收。

　　目前各種檢測用的CO2傳感器主要有固體電解質(zhì)式、鈦酸鋇復合氧化物電容式、電導變化型厚膜式等，這些傳感器存在對氣體的選擇性差、易出現誤報、需要頻繁校準、使用壽命較短等不足。而紅外吸收型CO2傳感器具有測量范圍寬、靈敏度高、響應時(shí)間快、選擇性好、抗干擾能力強等特點(diǎn)。因此，本次設計采用紅外吸收型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)結構不同，對不同波長(cháng)的紅外輻射的吸收程度就不同，因此，不同波長(cháng)的紅外輻射依次照射到樣品物質(zhì)時(shí)，某些波長(cháng)的輻射能被樣品物質(zhì)選擇吸收而變弱，產(chǎn)生紅外吸收光譜，故當知道某種物質(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度，吸收強度與濃度成正比關(guān)系。因此通過(guò)檢測氣體對光的波長(cháng)和強度的影響，便可以確定氣體的濃度。

　　根據比爾朗伯定律，輸出光發(fā)光強度I、輸入光發(fā)光強度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;c為待測氣體濃度;L為光和氣體的作用長(cháng)度(傳感長(cháng)度)。對式(1)進(jìn)行變換，得：

　　2儀器設計框圖

　　前端傳感器輸出的數字信號，以串口方式與STM32進(jìn)行通訊，此儀器設計三通道采集，利用繼電器電路對傳感器通道進(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，調用相關(guān)按鍵程序，選擇傳感器通道以及保存為U盤(pán)數據等功能?？驁D如圖1所示。

　　圖1儀器設計框圖

　　3傳感器選擇

　　選擇了DYNAMENT公司的premier二氧化碳傳感器，此傳感器運用非色散紅外原理檢測氣體，它包括長(cháng)壽命鎢紅外光源、供擴散氣體進(jìn)入的光通道、一對經(jīng)溫度補償的紅外原理熱電交換檢測元件、半導體溫度傳感器和處理紅外熱電交換檢測器信號的電子電路，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硬件電路設計

　　本儀器設計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STM32F103RE，內核為：ARM 32-bitCortex—M3 CPU，尺寸為：10mmx10 mm，帶有4個(gè)串口，在本儀器設計中，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存儲模塊通訊。如圖4為控制器最小系統。

　　圖4 STM32STM32

　　選擇迪文科技有限公司的液晶，型號為DMT32240C035_02W，基本參數為：3.5英寸，M100內核，65K色串口液晶人機界面。此款液晶帶有觸摸功能，系統設計時(shí)，不用添加按鍵電路，只需編寫(xiě)液晶按鍵程序就能實(shí)現按鍵功能，簡(jiǎn)單的實(shí)現參數的設置，數據保存，檔位切換等功能。

　　5軟件設計

　　儀器開(kāi)機后進(jìn)入液晶程序界面，選擇傳感器通道，進(jìn)入數據采集程序，將當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，保存當前時(shí)間的二氧化碳濃度值。儀器軟件總體設計流程如圖5所示。

　　圖5軟件流程圖