温室大棚专用CO2浓度传感器设计解析

基于CO2浓度对时间的变化率，设计了红外吸收型二氧化碳传感器来监测温室内的CO2浓度。

1 检测电路的工作原理 

①、红外吸收型二氧化碳气体传感器的工作原理

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，输出光强度 、输入光强度 和气体浓度 之间的关系为：
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）。对上式进行变换得：通过检测相关数据就可以得知气体的浓度 。
图1 二氧化碳传感器探头结构红外 
二氧化碳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3～10μm的红外线，其中包含了4.26μm处CO2气体的强吸收峰。在气室中，二氧化碳吸收光源发出特定波长的光，经探测器检测则可显示出二氧化碳对红外线的吸收情况。干涉滤光镜是可调的，调节他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。
②、检测电路的设计原理
图2 检测电路原理框图
检测电路设计的原理框图如图2所示。 检测电路由红外二氧化碳传感器、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二氧化碳传感器将检测到的二氧化碳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。
③、检测电路的设计
图3 二氧化碳检测电路图
按照上述设计原理，设计的二氧化碳检测电路如图3所示。工作原理是首先由红外传感器将探测到二氧化碳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，再送入显示电路，以实现对二氧化碳气体浓度的检测。 电路中由R1、R2、R3、R4、C1、C2和运放组成滤波电路，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A/D转换、输入或者中断系统组成，表明单片机既可采用中断方式读入A/D转换的结果，也可以采用查询方式，*后的结果数码管显示具体数值。
④、检测处理程序流程框图
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