基于红外传感器的CO_2气体检测电路设计
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图 2 检测电路原理框图 检测电路由红外 CO2 传感器、数字滤波电 路、放 大电路、稳 流电路、单片机系 统、温度补 偿等 组成。设 计的基 本 原理 是红 外 CO2 传感器 将检测到的 CO2 气体浓度 转换成相 应的电信 号, 输出的电信号 分别经过滤波、放大 处理, 输 入到单片 机系统, 并
可以采用查询方 式。最后 的 结果 送入 74AC138 并驱 动数 码管 显示具体数值[4- 5] 。 2 检测处理程序流程框图
检测处 理程序流程框图 如图 4 所示。采 用 MCS 系列 汇编 语言[ 6] 编程, 由于有 硬件 设计的 保证, 使得 整个 系统 既可 以工 作在循环查询的方式, 也可工作在中断管理的 方式。 3 结束语
( 8) : 21- 22. [ 5] 聂毅, 聂辉. 植物温室单片机控制系统. 微计 算机信息, 2002( 8) : 36
- 37. [ 6] 薛钧义, 张彦斌. M C551/ 96 系列单片微型计 算机及应用. 西 安: 西
安交通大学出版社, 1990. 作者简介: 白泽生( 1964 ) ) , 副教授, 硕士生导 师, 主要 从事传感 与检测
0 引言
目前检测 CO2 的方 法主 要有 化学 法、电化 学法、气相 色谱 法、容量滴定法等, 这 些方法普遍 存在着 价格贵, 普适 性差等问
题, 且测量精度还较 低。 而传感器 法具有 安全可 靠、快 速直读、
可连续监测等优点。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, 采用红外吸收型 CO2 传感器设计了一种检测 电路, 整个电路 力求简单易用, 快速直读, 价格低廉。 1 检测电路的工作原理 111 红外吸收型 CO2 气体传感器的工作原理[ 1- 2]
该设计已成功运用于延安市农科所 花卉示范 园, 运 行效果 良好。实践证明 该检 测电路 操作 简单, 体积 小便 于携 带, 非常 直观, 连续快速检测, 可随时检测室内、外各种 场合 CO2 气体的 含量。
检测电路设计简捷, 价格低廉, 普适性 强, 克 服了需 要频繁 校准、使用寿命较短、价格贵等不足。
2007 年 第 3期
仪表技术 与传感器
Instrument Technique and Sensor
2 007 No1 3
基于红外传感器的 CO2气体检测电路设计
白泽生
( 延安大学物理与电子信息学院, 陕西延 安 716000)
摘要: 利用红外吸收型 CO2 气体传感 器设计了一种 CO2 气体检 测电路, 详细阐述 了其结构 和工作原 理。该电路 具有 测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、抗干扰能力强 等优点, 简单易用, 快速直读, 价格低廉, 具有较好的应用前景。
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
技术的教学与研究工作。
c=
1 AmL
ln
I0 I
(2)
通过检测 相关数据就可以得知气体的浓度 c.
图 1 CO2 传感器探头结构 红外 CO2 传感器探头结构如图 1 所 示。是由红 外光源、测 量气室、可调干涉滤 光镜、光 探测器、光 调制 电路、放 大系 统等 组成 。红外光 源采用镍铬丝, 其通电加热后可发出 3~ 10 Lm 的 红外线, 其中包含 了 4126 Lm 处 CO2 气 体的强 吸收 峰。在 气室 中, CO2 吸收光源发出特定波长的光, 经探测器 检测则可显示出 CO2 对红外线的吸收 情况。干涉 滤光镜 是可调 的, 调 节它 可改 变其通过的光波波段, 从而改变探 测器探测 到信号的 强弱。红 外探测器为薄 膜电容, 吸收了红外 能量后, 气体温度 升高, 导致 室内压力增大 , 电容两极间的距离 就要改变, 电容值 随之改 变。 CO2气体的浓度愈大, 电容值改变也就愈大。 112 检测电路的设计原理 检测电路 设计的原理框图如图 2 所示。
参考文献: [ 1] 梁亮, 贾建. 具有开放气室的实时 红外气体检测 系统. 仪表 技术与
传感器, 2006( 7) : 58- 60. [ 2] 琚雪梅. 红 外吸 收型 CO2 气 体 传感 器的 设计. 传感 器技 术, 2005
( 8) : 62- 64. [ 3] 童诗白, 华成英. 模拟电子技术基础. 北京: 高等教育出版社, 2001. [ 4] 牛强军, 高峰. 基于单片机的通信系统控制器. 微计算机信息, 2004
60
Instrument Technique and Sensor
Mar1 2 007
ห้องสมุดไป่ตู้
经温度和气压补偿等处理后, 由单 片机系统 输出送显示 装置显 示其测量值。 113 检测电路的设计
按照上述设计原理, 设计的 CO2 检测 电路如 图 3 所示。工
作原 理是首 先由红 外传感 器将探 测到 CO2 气体的 浓度并 转换 成电信号, 滤波电路 提取 电信号 并输 出到 放大电 路, 经过 单片 机系统处理后输出, 再由 74AC138 送 入显示电路, 以 实现对 CO2 气体浓度的检 测。
的转换结果 Q- Q 接 8031 的 P1. 0~ P1. 3, 选通 输出脉 冲 DS1~ DS4 接 8031 的 P1. 4~ P1. 7。转换结果标志 EOC, 一方 面接至更
新转换控制 信号输入线 DU, 另一方 面接至 8031 的中断输 入线
INT1, 表明单片机既可 采用中 断方 式读入 A/ D 转换的 结果, 也
图 1 系统软件整体结构
R1、R2 、R 3、R4、C1、C2 和运放组成滤 波电路[ 3] , 在电 路中引 入了正、负反馈。当信号频率 趋于零 时, 由于 C1 的电抗 趋于无 穷大, 因而正反馈很弱; 当信号频率趋于无 穷大时, C2的电抗趋 于零。这样就保证了当 信号 频率 在趋于 零和 无穷大 之间 的任
关键词: 红外传感器; CO2; 检测电路; 设计
中图分类号: TP212
文献标识码: B
文章编号: 1002- 1841( 2007) 03- 0059- 02
Design of CO2 Detection Circuit Based on Infrared Sensor
BAI Ze- sheng ( College of Physics and Electronic Information, Yanpan University, Yanpan 716000, China)
I = I 0exp( - AmLc)
(1)
式中: Am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:
基金项目: 陕西省教育厅专项科研计划项目( 04JK311) 收稿日期: 2006- 12- 18 收修改稿日期: 2007- 01- 03
何一个值, 滤波电路都可以正常提取相应的电 信号。
滤波电路之后的放大电路, 其作 用是将滤 波电路输 出的信
号放大到一定的程度, 以 便驱 动负 载。 R6和 C4串联 构成 校正 网络用来对电路进行相位补偿。
单片机系统主要由 MC14433 和 8031 构 成, MC14433 是一种
双积分 A/ D 转换芯片, 与 8031 单 片机如图方 式连接。MC14433
Abstract: The CO2 detection circuit is designed by using a sensor which absorbs CO2。the work principle and probeps structure of the sensor is introduced. The design ideal, hardware constitute, and the work process of the CO2 detection circuit is expatiated, and the flow chart of detection program is given. application practice is indicated that the circuit have many advantage, such as wide range of measure, higher sensitivity, fast response, better selectivity, strong ant-i disturb and so on. Itps easy to use, inexpensive and display visual. Still, short life- span, expensive and need frequent adjustment, all that are overcomed, and have better application foreground. Key words: infrared sensor; CO2; detection circuit; designation
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 I 0 和气体浓度 c 之间的关系为
可以采用查询方 式。最后 的 结果 送入 74AC138 并驱 动数 码管 显示具体数值[4- 5] 。 2 检测处理程序流程框图
检测处 理程序流程框图 如图 4 所示。采 用 MCS 系列 汇编 语言[ 6] 编程, 由于有 硬件 设计的 保证, 使得 整个 系统 既可 以工 作在循环查询的方式, 也可工作在中断管理的 方式。 3 结束语
( 8) : 21- 22. [ 5] 聂毅, 聂辉. 植物温室单片机控制系统. 微计 算机信息, 2002( 8) : 36
- 37. [ 6] 薛钧义, 张彦斌. M C551/ 96 系列单片微型计 算机及应用. 西 安: 西
安交通大学出版社, 1990. 作者简介: 白泽生( 1964 ) ) , 副教授, 硕士生导 师, 主要 从事传感 与检测
0 引言
目前检测 CO2 的方 法主 要有 化学 法、电化 学法、气相 色谱 法、容量滴定法等, 这 些方法普遍 存在着 价格贵, 普适 性差等问
题, 且测量精度还较 低。 而传感器 法具有 安全可 靠、快 速直读、
可连续监测等优点。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, 采用红外吸收型 CO2 传感器设计了一种检测 电路, 整个电路 力求简单易用, 快速直读, 价格低廉。 1 检测电路的工作原理 111 红外吸收型 CO2 气体传感器的工作原理[ 1- 2]
该设计已成功运用于延安市农科所 花卉示范 园, 运 行效果 良好。实践证明 该检 测电路 操作 简单, 体积 小便 于携 带, 非常 直观, 连续快速检测, 可随时检测室内、外各种 场合 CO2 气体的 含量。
检测电路设计简捷, 价格低廉, 普适性 强, 克 服了需 要频繁 校准、使用寿命较短、价格贵等不足。
2007 年 第 3期
仪表技术 与传感器
Instrument Technique and Sensor
2 007 No1 3
基于红外传感器的 CO2气体检测电路设计
白泽生
( 延安大学物理与电子信息学院, 陕西延 安 716000)
摘要: 利用红外吸收型 CO2 气体传感 器设计了一种 CO2 气体检 测电路, 详细阐述 了其结构 和工作原 理。该电路 具有 测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、抗干扰能力强 等优点, 简单易用, 快速直读, 价格低廉, 具有较好的应用前景。
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
技术的教学与研究工作。
c=
1 AmL
ln
I0 I
(2)
通过检测 相关数据就可以得知气体的浓度 c.
图 1 CO2 传感器探头结构 红外 CO2 传感器探头结构如图 1 所 示。是由红 外光源、测 量气室、可调干涉滤 光镜、光 探测器、光 调制 电路、放 大系 统等 组成 。红外光 源采用镍铬丝, 其通电加热后可发出 3~ 10 Lm 的 红外线, 其中包含 了 4126 Lm 处 CO2 气 体的强 吸收 峰。在 气室 中, CO2 吸收光源发出特定波长的光, 经探测器 检测则可显示出 CO2 对红外线的吸收 情况。干涉 滤光镜 是可调 的, 调 节它 可改 变其通过的光波波段, 从而改变探 测器探测 到信号的 强弱。红 外探测器为薄 膜电容, 吸收了红外 能量后, 气体温度 升高, 导致 室内压力增大 , 电容两极间的距离 就要改变, 电容值 随之改 变。 CO2气体的浓度愈大, 电容值改变也就愈大。 112 检测电路的设计原理 检测电路 设计的原理框图如图 2 所示。
参考文献: [ 1] 梁亮, 贾建. 具有开放气室的实时 红外气体检测 系统. 仪表 技术与
传感器, 2006( 7) : 58- 60. [ 2] 琚雪梅. 红 外吸 收型 CO2 气 体 传感 器的 设计. 传感 器技 术, 2005
( 8) : 62- 64. [ 3] 童诗白, 华成英. 模拟电子技术基础. 北京: 高等教育出版社, 2001. [ 4] 牛强军, 高峰. 基于单片机的通信系统控制器. 微计算机信息, 2004
60
Instrument Technique and Sensor
Mar1 2 007
ห้องสมุดไป่ตู้
经温度和气压补偿等处理后, 由单 片机系统 输出送显示 装置显 示其测量值。 113 检测电路的设计
按照上述设计原理, 设计的 CO2 检测 电路如 图 3 所示。工
作原 理是首 先由红 外传感 器将探 测到 CO2 气体的 浓度并 转换 成电信号, 滤波电路 提取 电信号 并输 出到 放大电 路, 经过 单片 机系统处理后输出, 再由 74AC138 送 入显示电路, 以 实现对 CO2 气体浓度的检 测。
的转换结果 Q- Q 接 8031 的 P1. 0~ P1. 3, 选通 输出脉 冲 DS1~ DS4 接 8031 的 P1. 4~ P1. 7。转换结果标志 EOC, 一方 面接至更
新转换控制 信号输入线 DU, 另一方 面接至 8031 的中断输 入线
INT1, 表明单片机既可 采用中 断方 式读入 A/ D 转换的 结果, 也
图 1 系统软件整体结构
R1、R2 、R 3、R4、C1、C2 和运放组成滤 波电路[ 3] , 在电 路中引 入了正、负反馈。当信号频率 趋于零 时, 由于 C1 的电抗 趋于无 穷大, 因而正反馈很弱; 当信号频率趋于无 穷大时, C2的电抗趋 于零。这样就保证了当 信号 频率 在趋于 零和 无穷大 之间 的任
关键词: 红外传感器; CO2; 检测电路; 设计
中图分类号: TP212
文献标识码: B
文章编号: 1002- 1841( 2007) 03- 0059- 02
Design of CO2 Detection Circuit Based on Infrared Sensor
BAI Ze- sheng ( College of Physics and Electronic Information, Yanpan University, Yanpan 716000, China)
I = I 0exp( - AmLc)
(1)
式中: Am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:
基金项目: 陕西省教育厅专项科研计划项目( 04JK311) 收稿日期: 2006- 12- 18 收修改稿日期: 2007- 01- 03
何一个值, 滤波电路都可以正常提取相应的电 信号。
滤波电路之后的放大电路, 其作 用是将滤 波电路输 出的信
号放大到一定的程度, 以 便驱 动负 载。 R6和 C4串联 构成 校正 网络用来对电路进行相位补偿。
单片机系统主要由 MC14433 和 8031 构 成, MC14433 是一种
双积分 A/ D 转换芯片, 与 8031 单 片机如图方 式连接。MC14433
Abstract: The CO2 detection circuit is designed by using a sensor which absorbs CO2。the work principle and probeps structure of the sensor is introduced. The design ideal, hardware constitute, and the work process of the CO2 detection circuit is expatiated, and the flow chart of detection program is given. application practice is indicated that the circuit have many advantage, such as wide range of measure, higher sensitivity, fast response, better selectivity, strong ant-i disturb and so on. Itps easy to use, inexpensive and display visual. Still, short life- span, expensive and need frequent adjustment, all that are overcomed, and have better application foreground. Key words: infrared sensor; CO2; detection circuit; designation
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 I 0 和气体浓度 c 之间的关系为