二氧化碳浓度检测与报警系统的研究与设计
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可 以产生极大 的社会经济效益 ， 具有很 大的开发价值 。 本研究是基 于单 片机设计 的二氧化碳检测仪 ，旨在检测环境 Ｃ Ｏ 浓度 ，在精细化农业 ，
温室控 制 ，密闭空间 （ 如空调房 ，小汽车 内，井下生产 ） 检测方面有重 要意义 ，可以方便生产 和生 活的需要 。 二、红外吸收 ｃ ０ 气体 检测 的基本原理 １ 、双原子分子红外吸收光谱 的基 本原理
多原子分子随着 原子数 目的增加 ， 振动方式也随着变得复杂 ， 所以， 它 可产生不止一个 的吸收峰 ，并且这 些峰的数 目与分 子的振动 自由度有 关。 当分子的振动 自由度的数 目越大 ， 在红外吸收光谱中ｍ现的吸收峰
数 目也会越多。
３ 、ｃ ０ 气体 分 子 的 红 外 吸 收 光 谱
随着低 成本小体积 的红外传感器 的发展 ， 越来越多的人们由过 去的
接触式测量传感器 ， 逐步选用红外传感器 ， 所 以我们决定 Ｃ Ｏ ： 浓度探测
１ ． １双 原 子分 子 的振 动
基本原理 ： 当被测气体分子 与特 点物质接触 ， 特 定物质的特性将 发
生变化 ， 物质特性 的这种变化与气体浓度成一定 比例关系 。由此 ， 我们
可以将无法量化 的气体浓度转化 为可 以量化 的电信号 。
种类 ： 电化学原理 、 固态电解质原理 、 催化燃 烧检测原理、半导体 检测原理等。 优点 ： 可 以同时检测多种气体 ， 迅速 的响应 时间 ， 造价可能 比较低 ，
我们选择 中心波长 ４ ． ２ ６ １ １ １ 处 的吸收谱线作 为检测依据 ，因为此波段 的吸收最为强烈 ，衰减最剧 烈。
４ 、红外吸收检测工作原理
１ ． １朗伯 （ Ｂ ｅ ｅ ｒ － Ｌ ａ ｍ ｂ ｅ ｒ ｔ ） 定 律 当光辐射通过介质时 ， 光强 度发 生减弱 的现象 ， 称为光的吸收 。 在
２ ０ １ ４年第 １ ３ 期
电子信息科学与技术
பைடு நூலகம்
二氧 化碳 浓度检测 与报警系统 的研 究与设计
■郑 磊 俞 婷
二氧化碳 （ Ｃ Ｏ ） 的浓度对人体健康 、 生产安全和农作物生长具有重 大影响 二氧化碳浓度过高不仅会危害人体健康 、在较 密闭空间作业容 易发生 窒息等安全 事故 ，还会造成温室效应，土地荒漠化加速 等不良现 象。 若温室大棚 ｃ Ｏ 浓度适宜， 还可 以取到增产增收的效果。 目 前国内越 来越注重环保，政策上大力扶持农业 ，对二氧化碳检测及报 警系统 的需 求量越来越大。因此 ， 研 究便携 式、低成本的二氧化碳浓度报 警系统在 生产生活中具有重大意义。
的检测很有必要 。
中的样 品在
处具有吸收线和吸收带 ，光会被混合气体 吸收一 部分 ，
光通过气体后光强会发生衰减 。
三、红外 吸收型 ｃ ０ ２ 气体检测装置 的设计 １ 、气体传 感器分 类及特点
１ ． １接 触 式 测 量
二氧化碳及温度检测仪可 以在农业 、 养殖业 、 工业领域 中广泛使用 ，
多原子分子 的振动形式一般可分成两大类 ：伸缩振动和变形振动。 多原子分 子的振 动比双原子分子 的振动要复杂的多 。 双原子分 子的振动 只有一种振动方式（ 伸缩振 动） ，所以 ，可产生一个基本振动吸收峰。而
传感器有高稳定性 、低功耗 （ 不需要对传感器单独加热 ）
缺点 ：不 可能测量单原子分子气体 、价格相对较高
重量 比较轻 。 缺点 ：气体选择性低 ，精确度比较低 ，使用 寿命短 。 １ ． ２非接触式测量 （ 光学测 量 ）
红外光谱是分子中基团原子间振动跃迁 时吸收红外光所产生 的。 为
了讨论 的方便 ， 在最 简单 的双原 子分子 中化学键 的振 动可按谐 振子 处
理 。把双原子分子中的原子看成质量为 ｍｌ 和 ｍ２的两个小球 。 其间的化学键看成是无质量的连接两个 小球 的弹簧 。 当分子吸收红
线性吸收情况下 ，光的吸收满足朗伯定律 。
一
、
随着科技 的发展 ， 框架式密闭高层建筑和小车的普及 ， 作为室 内主
要 污染物 的 Ｃ Ｏ 严 重影响人 的健康 。 当室内 Ｃ Ｏ 体积百分比达到 ４ ％时 ，
根据 Ｂ ｅ ｅ ｒ － Ｌ ａ ｍ ｂ ｅ ｒ ｔ 定律 ，当红外光源发射 的红外 光通过 Ｃ Ｏ 气体
前 言 。
Ｃ Ｏ ： 分子的键角为 １ ８ ０ 。， 有 四个 自由度 ， 具 有三种振动模式（ ∞１ ， ∞２ ３ ） 。 Ｃ Ｏ ： 分子 的第一振动和第 二振动各有一个 自由度 ， 第 三种振动垂
直方向 ， 故有两个 自由度 ， 所以 Ｃ Ｏ ： 分子有 四个 自由度 ， 三种振 动模式 。
基本原理 ： 不 同气体分子吸收特定波长的红外线 ， 气体浓度的多少 与吸收红外线 的多少成一定的 比例关系。 从而我们可 以通过吸收红外线 的多少来检测气体浓度 。 种类 ：非色散红外检测原理 （ Ｎ Ｄ Ｉ Ｒ） 、图音检测方法
优点 ： 高精度和对被测气体 高选择性 、 使用寿命长 ， 在使用期间 内，
外光时， 两个原 子将 在连接的轴线上做振动 。虽 然从 经典力 学方面解释 了振动光谱 的基 频吸收， 但是对除基频吸收外 的一些其 他吸收带无法解 释。 所 以还要引入量子力学的理论。根据量子 力学 的理论 ， 分子 中的振
动能级是量子化 的，而不是连续的 。
２ 、 多原 子分 子 的振 动
时，Ｃ Ｏ ： 气体会对相应波长的红外光进行 吸收。 当一束波长为 ，光 强为 １ ０ （ ｃ ｄ ） 的单色平行光射 向 Ｃ Ｏ 气体 和空气 的混合气室时 ，由于气室
人 呼吸加深 ，产生头晕 ， 头痛 ， 耳鸣 ，眼花，血压上升等症状 ， 严重影
响人的工作 和学 习效率 。当达 到 ８ ％一 １ ０ ％时 ， 呼吸困难 ， 全身无力 ， 神 智 由兴奋 至丧失 ， 达到 ３ ０ ％时 ， 可能 出现死亡现象 ，因此加强 Ｃ Ｏ 浓度
温室控 制 ，密闭空间 （ 如空调房 ，小汽车 内，井下生产 ） 检测方面有重 要意义 ，可以方便生产 和生 活的需要 。 二、红外吸收 ｃ ０ 气体 检测 的基本原理 １ 、双原子分子红外吸收光谱 的基 本原理
多原子分子随着 原子数 目的增加 ， 振动方式也随着变得复杂 ， 所以， 它 可产生不止一个 的吸收峰 ，并且这 些峰的数 目与分 子的振动 自由度有 关。 当分子的振动 自由度的数 目越大 ， 在红外吸收光谱中ｍ现的吸收峰
数 目也会越多。
３ 、ｃ ０ 气体 分 子 的 红 外 吸 收 光 谱
随着低 成本小体积 的红外传感器 的发展 ， 越来越多的人们由过 去的
接触式测量传感器 ， 逐步选用红外传感器 ， 所 以我们决定 Ｃ Ｏ ： 浓度探测
１ ． １双 原 子分 子 的振 动
基本原理 ： 当被测气体分子 与特 点物质接触 ， 特 定物质的特性将 发
生变化 ， 物质特性 的这种变化与气体浓度成一定 比例关系 。由此 ， 我们
可以将无法量化 的气体浓度转化 为可 以量化 的电信号 。
种类 ： 电化学原理 、 固态电解质原理 、 催化燃 烧检测原理、半导体 检测原理等。 优点 ： 可 以同时检测多种气体 ， 迅速 的响应 时间 ， 造价可能 比较低 ，
我们选择 中心波长 ４ ． ２ ６ １ １ １ 处 的吸收谱线作 为检测依据 ，因为此波段 的吸收最为强烈 ，衰减最剧 烈。
４ 、红外吸收检测工作原理
１ ． １朗伯 （ Ｂ ｅ ｅ ｒ － Ｌ ａ ｍ ｂ ｅ ｒ ｔ ） 定 律 当光辐射通过介质时 ， 光强 度发 生减弱 的现象 ， 称为光的吸收 。 在
２ ０ １ ４年第 １ ３ 期
电子信息科学与技术
பைடு நூலகம்
二氧 化碳 浓度检测 与报警系统 的研 究与设计
■郑 磊 俞 婷
二氧化碳 （ Ｃ Ｏ ） 的浓度对人体健康 、 生产安全和农作物生长具有重 大影响 二氧化碳浓度过高不仅会危害人体健康 、在较 密闭空间作业容 易发生 窒息等安全 事故 ，还会造成温室效应，土地荒漠化加速 等不良现 象。 若温室大棚 ｃ Ｏ 浓度适宜， 还可 以取到增产增收的效果。 目 前国内越 来越注重环保，政策上大力扶持农业 ，对二氧化碳检测及报 警系统 的需 求量越来越大。因此 ， 研 究便携 式、低成本的二氧化碳浓度报 警系统在 生产生活中具有重大意义。
的检测很有必要 。
中的样 品在
处具有吸收线和吸收带 ，光会被混合气体 吸收一 部分 ，
光通过气体后光强会发生衰减 。
三、红外 吸收型 ｃ ０ ２ 气体检测装置 的设计 １ 、气体传 感器分 类及特点
１ ． １接 触 式 测 量
二氧化碳及温度检测仪可 以在农业 、 养殖业 、 工业领域 中广泛使用 ，
多原子分子 的振动形式一般可分成两大类 ：伸缩振动和变形振动。 多原子分 子的振 动比双原子分子 的振动要复杂的多 。 双原子分 子的振动 只有一种振动方式（ 伸缩振 动） ，所以 ，可产生一个基本振动吸收峰。而
传感器有高稳定性 、低功耗 （ 不需要对传感器单独加热 ）
缺点 ：不 可能测量单原子分子气体 、价格相对较高
重量 比较轻 。 缺点 ：气体选择性低 ，精确度比较低 ，使用 寿命短 。 １ ． ２非接触式测量 （ 光学测 量 ）
红外光谱是分子中基团原子间振动跃迁 时吸收红外光所产生 的。 为
了讨论 的方便 ， 在最 简单 的双原 子分子 中化学键 的振 动可按谐 振子 处
理 。把双原子分子中的原子看成质量为 ｍｌ 和 ｍ２的两个小球 。 其间的化学键看成是无质量的连接两个 小球 的弹簧 。 当分子吸收红
线性吸收情况下 ，光的吸收满足朗伯定律 。
一
、
随着科技 的发展 ， 框架式密闭高层建筑和小车的普及 ， 作为室 内主
要 污染物 的 Ｃ Ｏ 严 重影响人 的健康 。 当室内 Ｃ Ｏ 体积百分比达到 ４ ％时 ，
根据 Ｂ ｅ ｅ ｒ － Ｌ ａ ｍ ｂ ｅ ｒ ｔ 定律 ，当红外光源发射 的红外 光通过 Ｃ Ｏ 气体
前 言 。
Ｃ Ｏ ： 分子的键角为 １ ８ ０ 。， 有 四个 自由度 ， 具 有三种振动模式（ ∞１ ， ∞２ ３ ） 。 Ｃ Ｏ ： 分子 的第一振动和第 二振动各有一个 自由度 ， 第 三种振动垂
直方向 ， 故有两个 自由度 ， 所以 Ｃ Ｏ ： 分子有 四个 自由度 ， 三种振 动模式 。
基本原理 ： 不 同气体分子吸收特定波长的红外线 ， 气体浓度的多少 与吸收红外线 的多少成一定的 比例关系。 从而我们可 以通过吸收红外线 的多少来检测气体浓度 。 种类 ：非色散红外检测原理 （ Ｎ Ｄ Ｉ Ｒ） 、图音检测方法
优点 ： 高精度和对被测气体 高选择性 、 使用寿命长 ， 在使用期间 内，
外光时， 两个原 子将 在连接的轴线上做振动 。虽 然从 经典力 学方面解释 了振动光谱 的基 频吸收， 但是对除基频吸收外 的一些其 他吸收带无法解 释。 所 以还要引入量子力学的理论。根据量子 力学 的理论 ， 分子 中的振
动能级是量子化 的，而不是连续的 。
２ 、 多原 子分 子 的振 动
时，Ｃ Ｏ ： 气体会对相应波长的红外光进行 吸收。 当一束波长为 ，光 强为 １ ０ （ ｃ ｄ ） 的单色平行光射 向 Ｃ Ｏ 气体 和空气 的混合气室时 ，由于气室
人 呼吸加深 ，产生头晕 ， 头痛 ， 耳鸣 ，眼花，血压上升等症状 ， 严重影
响人的工作 和学 习效率 。当达 到 ８ ％一 １ ０ ％时 ， 呼吸困难 ， 全身无力 ， 神 智 由兴奋 至丧失 ， 达到 ３ ０ ％时 ， 可能 出现死亡现象 ，因此加强 Ｃ Ｏ 浓度
