基于 STM32 的便携式二氧化碳监测仪设计
CO2 浓度的检测方法大致分化学方法和物理方法。CO2 浓度检测方法 有滴定法、热催化法、气敏法、电化学法,这些属于化学方法,这些方法普遍 存在价格贵,普适性差等问题,且测量精度较低。而物理的方法有超声波法、 气相色谱法以及众多借助于光学来实现检测的方法。也有像光声光谱法这种化 学和物理结合的方法。吸收光谱法的依据是不同化学结构的气体分子对不同波 长的辐射的吸收程度不同,CO2 气体分子对特定波长的红外光有强烈的吸收。 目前各种检测用的 CO2 传感器主要有固体电解质式、钛酸钡复合氧化物 电容式、电导变化型厚膜式等,这些传感器存在对气体的选择性差、易出现误 报、需要频繁校准、使用寿命较短等不足。而红外吸收型 CO2 传感器具有测量 范围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点。因此,本 次设计采用红外吸收型 CO2 传感器。 1 传感原理
红外吸收型 CO2 气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在 差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同,对不同波长的红外辐射的吸 收程度就不同,因此,不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时,某些波长 的辐射能被样品物质选择吸收而变弱,产生红外吸收光谱,故当知道某种物质 的红外吸收光谱时,便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。
同一种物质不同浓度时,在同一吸收峰位置有不同的吸收强度,吸收强 度与浓度成正比关系。因此通过检测气体对光的波长和强度的影响,便可以确 定气体的浓度。
根据比尔朗伯定律,输出光发光强度 I、输入光发光强度 I0 和气体浓度 c 之间的关系为
I=I0exp(-αmLc) (1)
式中:αm 为摩尔分子吸收系数;c 为待测气体浓度;L 为光和气体的 作用长度(传感长度)。对式(1)进行变换,得:
2 仪器设计框前端传感器输出的数字信号,以串口方式与 STM32 进行通 讯,此仪器设计三通道采集,利用继电器电路对传感器通道进行选择,STM32 将浓度值显示在液晶屏上,液晶屏带有触摸功能,通过编写液晶显示界面,调 用相关按键程序,选择传感器通道以及保存为 U 盘数据等功能。框
3 传感器选择
选择了 DYNAMENT 公司的 premier 二氧化碳传感器,此传感器运用非 色散红外原理检测气体,它包括长寿命钨红外光源、供扩散气体进入的光通道、 一对经温度补偿的红外原理热电交换检测元件、半导体温度传感器和处理红外 热电交换检测器信号的电子电路,使用方便快捷,如
4 硬件电路设计
本仪器设计 3 个通道的二氧化碳传感器采集,通过 3 个继电器来选择传 感器的通断。如
使用低功耗单片机 STM32F103RE,内核为:ARM
32-bitCortexM3
CPU,尺寸为:10mmx10 mm,带有 4 个串口,在本仪器设计中,用到 3 个串 口,一个与传感器进行通讯,一个与液晶进行通讯,一个与 USB 存储模块通 讯。如
选择迪文科技有限公司的液晶,型号为 DMT32240C035_02W,基本参
数为:3.5 英寸,M100 内核,65K 色串口液晶人机界面。此款液晶带有触摸功 能,系统设计时,不用添加按键电路,只需编写液晶按键程序就能实现按键功 能,简单的实现参数的设置,数据保存,档位切换等功能。 5 软件设计
仪器开机后进入液晶程序界面,选择传感器通道,进入数据采集程序, 将当前二氧化碳浓度值显示于液晶屏上,点击液晶显示界面上的保存按钮,保 存当前时间的二氧化碳浓度值。仪器软件总体设计流程如
图 5 软件流程图
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