基於單片機控制的二氧化碳濃度測試計的設計

2021-01-09 電子產品世界

　　1 引言

　　大氣中過多的二氧化碳(CO2)不僅對人類賴依生存的地球造成威脅，同時公共場合由人體呼吸排出的大量二氧化碳氣體也容易導致人們疲勞、注意力不集中、頭痛等症狀。因此，在醫院、學校等人口密集的環境中設置CO2監控設備可以有效地監測和改善空氣品質。為人們提供更好的生活環境。最常用的CO2濃度測試方法是非色散紅外吸收法(NDIR法)。這種方法利用CO2有選擇性的吸收4．26μm紅外線的特性，根據朗伯比爾定律可精確測試CO2氣體濃度，但該方法有一個明顯缺點，即在CO2濃度較低的地方測試時，需要較長的光路通過氣體(氣室長度)以獲取良好的吸收效應，既意味著需要使用體積較大且具有精密光學器件的設備，與這些昂貴的設備相比，利用半導體CO2傳感器測試CO2濃度，具有設備體積小，成本低、壽命長等特點。提出一種基於CDM416l型CO2濃度測試模塊以及Attiny26單片機的CO2濃度測試與自動通風系統的設計方法。

　　2 CDM4161簡介

　　有別於固態或者液態電解質氣體傳感器，半導體氣體傳感器是利用半導體材料的各種化學特性將空氣中含有的特定氣體(即待測氣體)以適當的電信號檢測或定量的器件。其優點是靈敏度高、響應速度快、體積小、壽命長、便於集成化、智能化，能使檢測轉換一體化。世界上最先實現半導體氣體傳感器商品化的是日本費加羅公司發明的TGS系列半導體氣體傳感器。CDM4161是費加羅公司生產的一種CO2氣體濃度測試模塊，其內部集成了TGS4161 CO2氣體傳感器以及PICl6LF88單片機，CDM4161對空氣中CO2氣體濃度的測量範圍為400～4000 ppm，並且在空氣中對CO2氣體有高選擇性．而對一氧化碳和甲烷等氣體不敏感，CDM4161內部集成的單片機可對傳感器採集到的信號處理和自動校準，以使其輸出的電平值與CO2氣體的濃度保持良好的線性關係。CDM4161對外提供5個引腳，其引腳的功能描述如表1所示。

　　工作時CDM4161引腳l接+5 V電源，引腳2輸出電壓範圍0．4-4 V。相當於CO2氣體濃度範嗣為400～4 000 ppm。該模塊允許用戶通過跳線設置4檔極限值，當監測到的CO2濃度高於設定值時。引腳3輸出高電平以驅動外部通風設備，反之監測到的CO2濃度由高轉低，且低於某一門限值時，引腳3輸出電平也由高變低關閉外圍控制設備，CDM4161板上跳線與所設定極限值以及引腳3輸出電位的變化關係如表2所示。引腳4在傳感器故障時輸出低電位，可通過該引腳連接蜂鳴器．以及時監測CDM4161工作狀態。CDM4161模塊有3個工作狀態指示燈，當模塊上電時CDM4161需要預熱2 h，比時板上綠燈閃爍，而後進入正常工作狀態後，綠燈常亮。當引腳3輸出高電位時，紅燈閃爍，當模塊內部傳感器故障時黃燈閃爍。

　　3 系統硬體設計

　　圖l中JI與Attiny26相連用於在線程序更新。Attiny26是ATMEL公司開發的低功耗、高性能的8位單片機，內部具有2KB Flash程序存儲器以及11個10位A/D轉換器單端通道，由Attiny26單片機與CDM4161構成的CO2濃度測試與自動通風系統的電路圖如圖1所示。使用Attiny26單片機埠PAO引腳讀取CDM4161引腳3輸出的模擬信號，並將其轉變為數位訊號，然後將測量結果送LCD顯示，Attiny26的PA3-PA6與LCDl602液晶顯示器的數據線D4～D7相連，工作時設置LCDl602為4 bit工作方式，CDM416l的引腳3與繼電器RELAYl相連以便在室內CO2氣體濃度過高時控制通風設備通風；CDM416l的引腳4與繼電器RELAY2相連以在CDM416l上的傳感器故障時控制告警設備發出告警信息。

　　4 軟體設計

　　二氧化碳濃度測試儀的軟體流程圖如圖2所示(圖略)，程序運行時首先初始化Attiny26單片機的I／O埠以及1602液晶顯示器的初始化，然後開始從Attiny26的PAO引腳讀取CDM416l引腳2輸出的模擬電平，並進行A/D轉換，而後每隔1 s再次從Attiny26的PAO引腳讀取CDM416l輸出的模擬電平，並進行A／D轉換，Attiny26分析A／D變換後的數值，並在1602液品顯示器上顯示CDM416l的狀態和當前環境中CO2的濃度。

　　5 結語

　　由Attiny26單片機以及CDM4161構成的二氧化碳濃度測試儀電路結構簡單，成本低，非常適合在人群密集的商場、醫院、學校等地方用於監測室內空氣品質，通過連接外部的通風以及告警設備可以及時改善室內空氣品質並有效地監控設備運行情況。


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