便携式二氧化碳检测设备的设计

来源：　类别：技术文章　更新时间：2013-09-14　阅读次

　　在地震废墟狭小空间内，幸存者呼出的二氧化碳得以富集，可通过二氧化碳体积分数检测来搜索幸存者。为此，设计了一种适用于废墟现场使用的二氧化碳检测装置。目前广泛应用的二氧化碳传感器主要有固体电解质传感器、红外传感器等。固体电解质二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻器混合式二氧化碳敏感元件，优点为体积小，对环境温湿度不敏感。缺点为预热时间长，一般 2 h 才能达到稳定，因此，不适于现场工作的设备使用。本设计采用内部无移动部件、测量过程不发生化学反应的非色散红外二氧化碳传感器，该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。
　　1 工作原理
　　二氧化碳的红外吸收光谱如图 1 所示，在波数为2 342 cm－ 1处，二氧化碳有强吸收峰。其吸收关系服从朗伯—比尔（ Lambert-Beer）吸收定律，出射光强度 I、入射光强度 I0和气体体积分数 C 之间的关系为I = I0exp（ εLC），（ 1）式中 ε 为摩尔吸光系数； C 为待测气体体积分数，L 为光和气体的作用长度（光路长度）。对上式进行变换得C =1εLln（ I0/ I） . （ 2）当摩尔吸光系数一定时，通过检测出射光强度，即可计算得到二氧化碳体积分数。由于不同气体分子结构不同，其吸收峰位置也不同，利用波数为2342cm－ 1的红外线作为光源检测二氧化碳体积分数，不易受到其他气体分子浓度的影响。但摩尔吸光系数受到环境温度和气压的影响，温度升高时气体密度下降，测得体积分数下降；气压升高时气体密度上升，测得体积分数上升，因此，红外二氧化碳传感器的测量结果需要校正。
　　2 系统设计
　　2. 1 硬件电路设计系统硬件结构如图 2 所示。单片机选用 STC 的12C5A60S2，引脚连接见图 3。12C5A60S2 是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，工作电压范围为5. 5～3. 3 V; 工作频率范围为 0～ 35 MHz，相当于普通 8 051 的 0～420 MHz; 1 280 B 片内 RAM 数据存储器； 4 个 16 位定时器。
　　图 1 二氧化碳红外吸收光谱

图 1 二氧化碳红外吸收光谱
　　单片机支持 2 个全双工异步串行口（ UART），分别用于二氧化碳体积分数采集和数据显示。
　　图 2 系统硬件结构图

图 2 系统硬件结构图
　　图 3 单片机引脚连接原理图

图 3 单片机引脚连接原理图
　　采用 GE 公司量程为 0 %～1 %的红外二氧化碳传感�？� Telaire 6004 作为检测单元，光路、信号调理、A/D 转换在模块内部完成，测量结果以 UART 串口方式与单片机通信，有效避免了外部电磁干扰对测量造成的影响。以数字温度传感器 DS18B20 作为温度测量元件，通过程序实现温度补偿。系统以 2 Ah 锂电池作为电源，单片机自带的 A/D 转换用于电池电量的测量，电量低时报警。经实测可连续工作6 h，满足野外工作需求。
　　显示�？椴捎谜婵沼庀允酒粒� VFD），利用电子撞击荧光粉，使荧光粉发光，与传统 LCD，LED 显示屏相比，其温度适应范围宽，亮度高，在室外强光照射的情况下仍能清晰的读数。因此，VFD 显示屏适用于野外工作仪器。
　　2. 2 软件设计单片机控制软件采用�？榛杓�，采用 C 语言编写，主程序流程如图 4 所示。首先初始化系统配置，串口 1 接收二氧化碳模块输出的结果，串口 2 发送显示数据。通过按键输入海拔高度，经查表法得到气压值。串行单总线读取DS18B20 测得的温度值，单片机 ADC0 读取电池电压。读入测量二氧化碳体积分数值，经温度、压力校正送屏幕显示。压力校正关系为以1013hPa 为基准值，每升高1hPa 测量值加 0. 1%，每降低1hPa 测量值少0. 1%; 温度校正关系以22℃测量值为基准值，每升高1℃测量值减20 ×10－ 6，每降低 1 ℃测量值加 20 ×10－ 6。校正后的测量结果与预设值进行比较，如二氧化碳体积分数高于预设标准，则表示可能存在幸存者，系统发出声光报警，否则，进入循环检测。
　　图 4 软件流程图

图 4 软件流程图
　　3 实验
　　本二氧化碳检测仪重复性为 0. 6 %，不确定度为1.5%，目前已经用于幸存者搜索的模拟实验。实验中一受试者进入约6m3的狭小空间，空间通风面积约0.02m2，通风处风速为0.2m/s，空间外二氧化碳体积分数为 800 ×10－ 6，空间内二氧化碳体积分数变化如图 5。实验表明：狭小空间内幸存者的呼吸可使空间内二氧化碳体积分数提高。
　　图 5 有受试者狭小空间二氧化碳体积分数检测结果

图 5 有受试者狭小空间二氧化碳体积分数检测结果
　　4 结束语
　　地震废墟狭小空间可能使幸存者呼出的二氧化碳富集，通过检测废墟内二氧化碳体积分数可以作为搜寻幸存者的一种方法。为此设计了便携式二氧化碳体积分数检测仪，以 12C5A60S2 单片机为控制单元，采用数字化红外二氧化碳传感器，并进行温度、气压校正。该仪器无需外部交流电源工作并具有良好的温度适应性，经模拟废墟实验测试表明：所设计的二氧化碳检测仪工作可靠、环境适应性强，适于地震废墟现场的幸存者搜索工作。