内容发布更新时间 : 2024/5/13 10:51:20星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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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