基于ARM的CO2气体采集报警及排除装置的设计

魏璐

（西安建筑科技大学 信息与控制工程学院，陕西 西安710055）

随着生活水平的提高和自我健康意识的不断增强人们对生活质量的要求越来越高，对室内空气品质（IAQ）[1]的关心也日益加强。据统计，每人每天约80～90%[2]的时间是在室内度过的，室内空气质量的优劣直接影响人们的工作和生活，若室内污染物得不到及时置换，CO2浓度到达一定限度时会刺激人的呼吸中枢，导致呼吸急促，烟气吸入量增加，并且会引起头痛、神智不清甚至死亡等症状。

为了避免不幸事故发生很有必要对室内CO2气体进行有效的检测和控制。文中介绍了一种基于嵌入式系统控制CO2气体采集报警及自动排除装置，若检测到室内空气CO2浓度超过了人体安全限度时，就可立即报警并自动启动通风机排出CO2气体。

1 系统总体设计

该系统硬件主要由3部分组成：1）信号的采集处理部分，包括放大电路、滤波电路、采样保持电路以及A/D转换电路；2）微控制器数据的处理部分，其中包括实现该系统所需要的电源电路、液晶显示接口电路、报警电路、键盘操作电路以及用于调试的JTAG接口电路；3）控制处理部分，包括进风及排风机电路。硬件设计总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体方案图Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 硬件设计

为了满足安全生产地需要，硬件电路设计尽可能选用功耗小、性能稳定的集成电路，在整个电路设计的过程中药考虑电平、性能之间的匹配。

2.1 微控制器CPU

CPU[3－4]是本设计电路中的核心，完成数据的采集、处理、显示及控制等功能。本设计采用了LPC2478作为核心处理器，该处理器具有 4个 UART，2路 CAN－bus、1个 SPI接口、2个SSP接口、3个I2C接口和1个I2S接口，同时支持STN和TFT显示的LCD控制器、10/100 M以太网媒体访问控制器（MAC）、异步静态存储器设备和动态存储器的外部存储器控制器（EMC）、USB 2.0全速Device/Host/OTG控制器。并且还带有1个片内4 MHz内部振荡器、98 kB RAM以及多个32位定时器、ADC、DAC、PWM 等接口。

2.2 CO2传感器模块

2.2.1 非分散红外CO2传感器

传统的CO2气体传感器多采用半导体和催化元件，这种传感器造价低廉但长时间接触被检测气体会造成传感器灵敏度下降甚至损坏。因此本设计采用的是非分散红外CO2传感器[5－7]，它是基于气体的吸收光谱随物质的不同存在差异的原理制成的，其吸收关系服从朗伯－比尔（Lambert-Beer）吸收定律，这样，根据入射光与出射光能量的比对就可以测量CO2气体的浓度。此传感器具有较好的稳定性、抗干扰能力等诸多优点。

根据朗伯－比尔定律，出射光线I、入射光线I0和气体浓度C之间的关系为:

式中，K为吸收系数；C为待测气体浓度；L为光和气体的作用长度。对式（1）进行变换，得：

通过检测室内相关数据就可得知气体浓度C。

2.2.2 放大电路

由于CO2气体传感器的输出信号幅度非常小无法进行A/D转换。因此需要连接一个集成运算放大器对传感器输出的小信号进行有效地放大。本模块采用的是AD620运算放大器，此放大器成本较低，精度较高，仅需要一个外部电阻来设置增益即可，而且AD620还具有高精度，低失调电压和低失调漂移的特点。此外，AD620有2种封装方式，一种8引脚的SOIC封装，另一种是8引脚的DIP封装，2种封装的电特性完全相同。

2.2.3 滤波电路

根据采样定理可知，当信号的最高频率超过采集系统的奈奎斯特频率的一半时，从采样信号恢复的信号会发生频率混叠。为了防止混频现象，也为了去掉被采集信号的高频噪声，通常要对信号预先进行滤波。本系统中采用了无源滤波电路，此电路结构简单、易于设计、成本低廉、运行可靠。

2.2.4 采样保持电路

采样保持电路，具有一个模拟信号输入，一个控制信号输入和一个模拟信号输出。该电路的作用是在某个规定的时刻接收输入电压，并在输出端保持该电压直至下次采样开始为止。

采样保持器的作用主要有2点：1）能保证输入量在A/D转换期间保持不变；2）将某一时刻各点检测到的数据保持下来，供单片机分时地加以检测和处理，以确保检测到的数字量具有时间上的一致性。

2.2.5 A/D转换电路

A/D转换电路是把输入模拟电压或电流变成与其成正比的数字量的电路。主要有逐次逼近法、双积分法和电压频率转换3种方法。本设计采用的A/D转换芯片是PCF8591[8]，此芯片是一个单片集成、单电源供电、低功耗、8位 COMS数据获取器件。操作电压范围为2.5～6 V，4个模拟输入、1个模拟输出和1个串口I2C总线接口，3个地址引脚A0、A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。

3 电机驱动模块

A3955SB是美国Allegro公司生产的步进电机专用芯片。其工作电压可达50 V，电流可达1.5 A。A3955SB内部的3位非线性数模转换器与内部PWM电流控制相结合可实现步进电机的全、1/2、1/4、1/8运行模式。而且内部的PWM电流控制电路和外部参考电压相结合可用于决定电流是否为快衰减、慢衰减还是混合衰减模式。

4 电路设计

在对以上电路分析研究的基础上，作者设计了CO2采集报警及自动排除电路如图2所示。 整个系统的工作过程是由非分散红外传感器检测到待测气体浓度，将气体含量转化为电信号传给放大电路，滤波电路，采样保持器、A/D转换模块，再经过ARM系统处理后输出，最终通过TFT显示气体浓度，然后按预先编好的程序，根据结果自动发出控制命令，最终控制风机的启停。

其中由R1与A1组成放大电路，器作用的将传感器输出的信号放大到一定的程度，以便供滤波使用。

由 R2、R3、R4、R5和 A2 运放组成了滤波电路[9]，在电路中引入了正、负反馈。而C1、C2保证了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取到。

由开关K、R6和A3、A4运放组成采样/保持电路。此工作方式受控制端的数字信号值控制。当方式控制端输入信号为“0”时，开关K闭合，采样/保持电路处于采样状态；当方式控制端信号电平为“1”时，开关K打开，有R6和C3组成的采样/保持电路处于“保持”状态，但电容C3的值对采样/保持的精度影响很大，因此，A3、A4以提高输入阻抗和减小输出阻抗。

A/D转换芯片PCF8591T与LPC2478连接。转换的结果通过AOUT接到LPC2478的P0.23，在控制器中经过处理后，一路送入TFT显示器中，一路用来控制电机的启停。

5 软件设计

主程序流程图如图3所示。系统软件主要由初始化程序、主程序、A/D转化程序、显示程序等组成。由于用C语言编程时当今单片机开发的一种趋势，因此文中也相应的采用Code Warrior IDE集成开发环境，此环境集成ARM汇编器、ARM的C/C++编译器、Thumb的C/C++编译器等等。与普通的C语言相比，它增加了许多库函数，大大提高了编译效率[10]。

图2 CO2采集报警及自动排除电路Fig.2 CO2acquisition alarm and automatic eliminate circuit

图3 主程序流程图Fig.3 Flow chart the software design

部分代码程序如下所示：

初始化程序：

主程序：

测试CO2气体浓度过程中，有3个不同的气体浓度测试点，可通过测试结果研究整个电路的性能。文中将CO2气体浓度的限定值设为2.5 ppm，当室内CO2气体浓度达到此限定值时系统报警并自动启动风机，排除有害气体。此结果可以看出电路的精度符合设计要求。

6 结束语

文中设计了一种CO2气体采集报警及排除装置，此装置具有较高的灵敏度和较强的抗干扰能力，它成功的实现了室内空气中CO2气体浓度的实时监测、显示和风机的自动开启。这样不仅提高了室内空气品质而且还有助于提醒人们注意自身安全。

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