引言：二氧化碳（CO2）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CO2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。
一、前言
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CO2严重影响人的健康。当室内CO2体积百分比达到4%时，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%-10%时，呼吸困难，全身无力，神智由兴奋至丧失，达到30%时，可能出现死亡现象，因此加强CO2浓度的检测很有必要。
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，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CO2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CO2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
1.1双原子分子的振动
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m1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
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，在红外吸收光谱中出现的吸收峰数目也会越多。
3、CO2 气体分子的红外吸收光谱
1.1 CO2气体分子结构
CO2分子结构是直线型，所有原子处在一条直线上，如图 2.3.1 所示。
图2.3.1二氧化碳分子结构
1.2 CO2气体分子的吸收谱线
CO2分子的键角为 180°，有四个自由度，具有三种振动模式（ω1，ω23）。CO2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CO2分子有四个自由度，三种振动模式。我们选择中心波长 4.26μm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（Beer-Lambert）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。在线性吸收情况下，光的吸收满足朗伯定律。
根据 Beer-Lambert 定律，当红外光源发射的红外光通过CO2气体时，CO2气体会对相应波长的红外光进行吸收。 当一束波长为 λ，光强为 I0（cd）的单色平行光射向CO2气体和空气的混合气室时，由于气室中的样品在 λ 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CO2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
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，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）
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（NDIR）、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，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
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CO2浓度探测方式选择非接触式红外传感器。
2、红外单光束和双光束原理的区别
单光束检测原理：单光束红外检测只要一个探测器，所以和双光束相比，随着时间的推移，单光束检测原理会出现很大的检测错误。当你使用这种检测原理的传感器一段时间以后，传感器必须用标气定期标定，因为红外灯，能量供给，放大器，外部温度发生改变了。虽然这种检测原理的传感器可以应用到标定仪器检测量标准气，这种检测原理的二氧化碳传感器不适合于检测控制室内空气质量。
双光束检测原理：双光束弥补了单光束红外检测的弱点。它由二个部分组成，一部分计量由于二氧化碳浓度的多少而吸收的红外光线的数量，另一部分叫“复合”，检测没有被任何气体影响的红外线的数量，检测外部环境的变化，这使传感器不需要人为标定而具有长期稳定性。双光束传感器有很好的稳定性，不管是时间还是温度条件变化的情况下。双光束传感器广泛应用于室内空气质量检测。
为了增加探测精度和系统的稳定性，我们选用双光束CO2浓度传感器。
四、CO2浓度检测与报警系统电路的设计及软件实现
1、系统的总体设计
红外发射装置在驱动电路以及单片机发出的脉冲控制下，发出周期性的红外光，经过充满气体的气室后，红外光被CO2气体分子吸收，强度发生变化。红外探测器将红外辐射能转化为电压信号，温度探测器实时监测环境温度。
从CO2红外探测器输出的电压信号经过放大滤波等调理电路处理后，经过A/D转换送入到单片机进行处理，再按预先设置判断进行声光报警，然后把气体浓度、温度和湿度送液晶屏显示。
2、系统硬件设计
1.1主要器件的选用
（1）单片机的选用
本系统设计为满足低功耗，易携带或易安装，低功耗和有扩展空间的要求，
选用高速、低功耗、内部存储空间的大的STC90c516RD+单片机。它具有高抗电性，宽电压，宽温度范围，加密型强等特点。
（2）CO2传感器的选用
我们选用的是IRM300型双光束CO2浓度传感器，IRM300采用NDIR红外吸收原理进行浓度采集，采用单光源、双通道，实现了空间上双光路参比补偿。工作电压4.6～5.4V，探测范围0～5000ppm，测量精度60ppm5%。重复性8%。
IRM300具有NDIR产品特有的良好选择性，高灵敏度，无氧气依赖性，寿命长等特点。
1.2 放大滤波电路
红外探测器输出信号非常微弱，容易被环境噪声淹没，所以在信号被放大之前，先通过低频滤波电路除去高频噪声;由于红外探测器IRM300工作电压为直流电，故需要对信号进行隔直流处理，当信号调整合适后，经A/D转换等后续电路处理，最后送入单片机进行相关处理。
放大滤波电路由红外探测器输出的信号从Vin 脚输入，经过R3和C1低通滤波后进入运算放大电路，运放的增益为A=1+R2/R1，C5为隔直电容，R4和R5组成电压提升电路，信号最终变成直流电压后经过电压跟随电路进入单片机处理。
1.3 蜂鸣器报警电路
单片机的一个I/O口控制声音报警方式。报警电路由开关三极管、蜂鸣器和限流电阻组成。开关三级管选用PNP型的硅型三极管8550。它是一种低电压，大电流，小信号常用的普通三极管，驱动能力强。蜂鸣器为YMD-12095-G型电磁式有源蜂鸣器。当单片机I/O口为低电平时，三极管导通，蜂鸣器发出报警声。
1.4 A/D转换电路
因为模拟信号在时间上十连续的，而输出的数字信号是离散的，所以需要用到A/D转换器来进行转换，在转换时，必须在一系列选的瞬间对输入的模拟信号采样，然后再把这些采样值转换为数字量。在该系统中我们选用逐次比较型A/D转换器PCF8591P，它有多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换、最大转化速率由I2C总线的最大速率决定等特点。
1.5 串口通信电路
为了便于单片机机更好的采集数据并对数据进行分析和处理，实现单片机和 PC 机之间的通讯是十分必要的。由于单片机输出的是 TTL 电平，而 PC 机为 RS-232 电平，因此，设计中使用了 MAX-232 实现单片机和 PC 机之间的通讯，
1.6 液晶显示电路
液晶显示屏用来显示CO2浓度、温度、湿度和有关操作。本课题选用的液晶显示器是SMC1602A型的LCD。阵列显示模式采用的是超级扭流状液晶向列显示，蓝色背光。显示内容16*2个字符，芯片工作电压4.5V-5.5V，字符尺寸为2.95*4.35（W*H）mm。单片机将数据处理后通过液晶屏显示出来，其中电容用来滤除杂波，使电压稳定，滑动电阻RJ6用来调节背光灯的对比度。
3、系统软件设计
系统软件包括以下几大模块：CO2浓度数据采集处理功能模块、温度采集处理模块、湿度采集处理模块、液晶显示模块、声光报警模块。
在软件系统中，开始对温度，时钟，CO2浓度范围数据进行初始化，用户可根据具体需要选择调整CO2浓度的最大最小报警判定范围。当低于最小浓度时，蜂鸣器慢嘀声报警，同时黄灯闪烁;高于最大浓度时，红灯报警，同时蜂鸣器快嘀声报警。在浓度区间范围内显示绿灯，表示CO2浓度合适，系统正常工作。在这三种情况下均显示CO2浓度值，温度值。切换可显示时间，便于相关人员采集数据时，建立数据资料库。
五、结果与分析
1、测量方式
本实验的目的是使CO2浓度报警系统达到设计要求，得到准确的浓度值，和数值测量的稳定性，所以我们需要对作品的相关指标来进行测试。我们主要在探测浓度的分辨率，精确度，可重复性这几个方面进行分析。
鉴于温度湿度传感器选用的是成熟器件，我们主要对其在固定温度或湿度下验证测量值的稳定性，不作过多数据分析。对于CO2的探测浓度，我们通过在密闭气室内通入0%～10%二氧化碳浓度的气体来进行测量。然后着重分析固定浓度下探测浓度的分辨率，精确度，可重复性。
- 数据整理与分析
1.1测量结果
在培养箱中，我们首先冲入100%的氮气，由于氮气在近红外波段没有吸收，不会对系统产生影响，此时就可以对系统进行绝对零点校准。然后我们改变各自输入变量（湿度、温度、CO2浓度）就可以来进行输出数据的测量。
下面框图（表5.2.1）中为我们在5.4%二氧化碳浓度，65%RH湿度， 19
环境条件下的部分测量值。
样本数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
二氧化碳浓度/ppm
540
540
550
540
560
540
540
530
530
530
温度/℃
18.75
18.94
18.5
18.5
19.16
19.0
19.13
19.13
19.19
19.25
湿度/%rh
65.2
65.4
65.2
65.3
65.3
65
64.9
65
64.9
64.9
样本数
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
二氧化碳浓度/ppm
550
530
530
530
540
530
530
540
540
530
温度/℃
18.88
19
19.19
19.3
19.13
19.4
19.5
19.63
18.94
19.06
湿度/%rh
65
65
64.9
64.8
64.7
64.7
64.6
64.6
64.7
64.6
样本数
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
二氧化碳浓度/ppm
530
530
540
550
530
550
530
540
560
550
温度/℃
19.13
19.31
19.38
19.6
19.63
19.3
19.75
19.75
18.88
18.88
湿度/%rh
64.7
64.6
64.7
64.7
64.7
64.6
64.7
64.4
64.8
64.8
表 5.2.1
1.2数据分析
（1）CO2测量稳定性
我们用加权最小方差原理对上面的CO2浓度数据进行拟合，得到的拟合图像如图5.2.2。
图5.2.2
图中，n是测量次数，y为CO2浓度。
由图可知，该图比较直观的显现了CO2浓度波动较始终在540左右，可以发现多次测量都会在540ppm左右浮动，说明测量稳定性好，三次方拟合方程为：
（2）CO2测量精度分析
根据表5.2.1的数据和误差公式（ 
），可以得知
的最大值为20ppm.再由相对误差公式得
因为3.7%小于我们系统设计需要达到的精度要求5%，所以该系统符合精度设计要求。在其他浓度条件下也在精度范围内，再此不一一赘述。
（3）可重复性分析
重复性一般用多次测量的相对标准差来表示。由表5.3.1中的数据和样本标准偏差公式得
式中， N表示在相同环境条件下测量的总体数据中抽取的30个样本，Xi是样本，
表示所采用的样本的均值538.7， S表示样本偏差。
相对标准偏差为：
相对标准偏差的结果远小于设计要求的8%，这说明实验具有良好的可重复性。
由于温度传感器（型号DS18B20）和湿度传感器（型号AM2302）采用的是成熟元器件，我们主要对它们的拟合效果进行分析。环境温度在19，湿度在65%RH条件下，各测得30组数据，根据测试结果分别得到温湿度拟合方程。
温度拟合方程为：
湿度拟合方程为：
由温湿度拟合公式可知，拟合公式对温湿度拟合性高，温湿度测量值稳定性好。
六、二氧化碳浓度对作物的影响及作物不同生育期对二氧化碳CO2浓度的需求
光合作用作为植物获取养分的重要途径，对于植物的生长有着至关重要的影响。而作为光合作用重要原材料之一——CO2，其浓度无疑成为农产品生长的重要指标之一。根据调查研究显示，如密闭蔬菜培养温室内，二氧化碳浓度一天内变化很大，日出前达到最大值1000～1200ppm，日出后2.5～3小时降为100ppm左右，仅为大气浓度（330ppm）的30%左右，而且一直维持到午后2小时才开始回升，到下午4时左右恢复到大气水平。蔬菜需二氧化碳浓度一般1000～1500ppm。而蔬菜需二氧化碳浓度一般为1000～1500ppm。
不同种类的农作物对于二氧化碳的浓度需求也不全然相同，甚至同种农作物在不同时期对于二氧化碳浓度的需求也不全然相同。由此可见因此，在很长一段时间内，大棚内的二氧化碳浓度并不处于最合适农作物生长的范围之中。塑料大棚内二氧化碳亏缺相当严重，成为影响塑料大棚蔬菜产量的重要因素。因此安装二氧化碳监测仪可以保证在二氧化碳监测仪浓度不足的情况下及时报警，从而使用气肥。保证蔬菜、食用菌、鲜花、中药等提早上市、高质高产。据此，我们在运用二氧化碳浓度报警系统时，可以参考该作物对应的CO2浓度数据设定相应的浓度范围，用于实际的蔬菜增产中。
七、结语
本课题基于现有条件下，运用CO2浓度探测原理和相关知识做出真正具有实用价值的便携式二氧化碳浓度探测报警系统。论文从社会需求，实现原理，硬件制作，软件控制过程，最终效果评定和社会实践几个方面对该系统进行了阐释。本研究具有重要的现实意义和极大的运用价值。但由于实验环境的限制和其他因素的限制，系统尽管实现了基本功能，仍然存在许多不成熟的地方，需要从各种环境下的适用性，系统的精确性，系统成本等方面进行改进。
参考文献
[1] 曾光辉.便携式非分光红外吸收型二氧化碳传感器的研究[J].广州技术师范学院学报，2008（3）：67-70.
[2] Chan.K，Ito H，H.Inaba.Optical Remote Monitoring of CH4Gas using Low-lossOptical Fiber Link and InGaAsp Lighting-emitting Diode in 1.33μm Region[J].Applied P sics Letters，1983，43（7）：634-637.
[3]何睿.基于红外光谱吸收原理的二氧化碳气体检测系统的设计和研究.吉林大学硕士学位论文.2009年4月.
（作者单位：浙江工商大学信电学院）
