基于NDIR传感器的卷烟烟气CO浓度检测装置设计

杨晓亮 ，颜秋男 ，朱 震 ，刘 勇 ，洪深求

（1.安徽省烟草质量监督检测站，安徽 合肥 230022；2.中国科学院合肥物质科学研究院，安徽 合肥 230031）

CO是卷烟烟气中的主要化学成分，是许多烟草成分(如淀粉、纤维素、糖、羧酸、脂、氨基酸等)通过热分解和燃烧而形成的[1]。CO作为卷烟烟气中的常规有害成分，其含量以毫克(mg)/支表示。目前，在烟草行业中对卷烟烟气中一氧化碳含量的测定主要采用基于非分光红外法的CO气体浓度分析仪。该类设备体积大，价格昂贵。

本文介绍一种卷烟烟气的CO浓度检测装置设计。采用了高精度、快速响应、基于非分光红外法原理的传感器模块，配合控制电路和人机交互界面进行控制。装置成本远低于CO分析仪，且体积小巧，操作简单，在试验中取得了良好的效果。

1 非分光红外法测量气体浓度原理

许多气体(如 CO、CO2、CH4等)会对红外光进行有选择的吸收。当红外光通过被测气体时，光子作用于气体分子，气体分子吸收光子的能量，从低能级跃迁至高能级，并且只吸收那些能量刚好可以使它们完成能级跃迁的光子[2]。宏观表现为红外光的强度在通过被测气体后，其光谱的特定频率会有一定量的衰减。光强衰减程度反应了气体浓度的大小，而不同的气体分子结构导致上述现象在不同频率的红外光谱上产生[3]。

通过分析特定频率红外光通过被测气体后光强的衰减程度就可以得知该被测气体的种类和浓度水平。相比传统的电化学法和化学传感器法，采用非分光红外法测量气体浓度具有测量范围宽、灵敏度高、使用寿命长、安全可靠、适用于在线测量等优点[4]。

2 Gascard NG红外气体传感器

Gascard NG红外气体传感器由爱丁堡仪器公司设计，其光学部分包括：1个稳定的红外光源，1个气体样品室（以下简称气室），2个红外滤光片和1个与之匹配的双像元探测器传感器探头。光学部分与信号处理电路集成在一块电路板上，方便进行系统集成。该传感器具有测量范围宽、长期稳定、精度高、卓越的重复性和可靠性等特点[5]。该模块具有压力和温度自动校准功能，通过对气体样品室内温度和压力进行实时测量，保证气体浓度读数的真实性和可靠性，且提供模拟量输出和RS232通信接口。本装置设计所选用的Gascard NG红外气体传感器参数如表1所示。

表1 Gascard NG红外气体传感器参数

3 检测装置设计

3.1 总体设计

如图1所示，装置由烟气采样和控制电路两个主要部分构成。烟气采样部分包括集气袋、过滤装置、气体流量计、Gascard NG红外气体传感器模块集成的气室、微型真空气泵和废气处理排放单元。首先，使用集气袋收集一定量的卷烟烟气；微型真空气泵产生负压将烟气从集气袋中吸出，经过过滤装置滤除烟气中的粒相物、焦油和水分，再通过气体流量计进入气室；烟气在气室中由传感器进行分析，最后通过废气处理单元处理后排入大气。

图1 装置总体结构图

控制电路部分的功能：(1)与Gascard NG红外气体传感器进行通信，接收到检测结果数据后在人机交互界面进行显示；(2)通过人机交互界面的控制按钮对装置进行功能控制，如控制微型真空气泵的启动或停止，从而决定是否进行气体采样；(3)向传感器发送指令，控制进行参数校准、调零等功能。

3.2 硬件设计

硬件设计主要是以STM32F103RET6微控制器为核心的数字电路设计。该款微控制器属于意法半导体公司(ST Microelectronics)的 STM32系列产品，具有 32位 Cortex-M3内核，时钟频率最高可达72 MHz，指令速度接近80 MIPS；拥有 512 KB程序存储器(Flash)和 64 KB随机存储器（RAM）[6]。同时还集成了多种功能模块，包括多个定时器(TIM)、多功能串行接口(USART、I2C、SPI)、12位ADC和DAC、看门狗定时器、USB和CAN总线接口等。

图2 控制电路框图

图2为检测装置硬件电路总体设计框图，微控制器通过USART1接口与Gascard NG红外气体传感器进行通信，完成指令下发和数据接收任务。选择基于脉宽调制调速技术的微型真空气泵，将定时器TIM2配置为PWM输出模式，控制气泵内无刷电机转速，实现气体采样速率在一定范围内可调。选用带有串行接口的工业彩色触摸屏作为人机交互界面载体，显示测量数据并接收来自用户的控制指令。微控制器具体硬件连接如图3所示。

图3 微控制器STM32F103RET6硬件连接图

STM32F103RET6微控制器使用JTAG接口作为程序下载、调试的通道。由于JTAG各端口在芯片内部已经连接上拉电阻，所以只需将JTAG插座引脚直接连接至微控制器相应引脚即可。微控制器的复位引脚为下拉复位，即以复位引脚上检测到的电平下降沿作为复位信号。按下按钮K1时，硬件系统复位；否则由电阻R8拉至高电平。JTAG接口及复位电路如图4所示。

图4 JTAG接口和复位按钮原理图

装置采用24 V直流电源供电，Gascard NG红外气体传感器和微型真空气泵直接使用24 V直流电源驱动。图5所示电路原理图中，LM2576为单片开关型降压稳压芯片，可保证3 A的输出电流；AMS1117-3.3为固定输出电压3.3 V的低压降线性稳压器。先将24 V直流电降压至5 V直流作为串口触摸显示屏的工作电源；再将5 V直流电通过AMS1117-3.3 V稳压至3.3 V作为微控制器及其他数字电路芯片的电源。

图5 电源模块原理图

使用STM32F103RET6微控制器内置的2个串行同步/异步收发器USART1和USART2。其引脚通过MAX3232芯片完成串口电平转换后分别与Gascard NG红外气体传感器和串口触摸显示屏进行连接[7]，如图6所示。

配置芯片PB6端口为微型真空泵电源使能控制端口，PA1为PWM信号输出端口，如图7所示。通过这两个端口可以实现真空泵的启动、停止、调速功能。

3.3 软件设计

图6 通信模块原理图

图7 真空泵控制模块原理图

嵌入式程序使用C语言在Keil软件编译环境下设计完成。程序核心功能为通过串口USART1接收来自传感器发出的数据包，对该数据包进行解析并将解析后获得的测量数据通过串口USART2发送至触摸屏进行显示；根据触摸屏回传的按键键值判断用户期望执行的功能，调用相关子函数发送指令至传感器，执行调零、参数校准等操作。主程序流程图如图8所示。

图8 主程序流程图

Gascard NG红外气体传感器经过上电、初始化、预热等过程后，自动通过串口向外发送包含气体浓度、温度、压力等参数的数据包。传感器接收数据帧结构如表2。数据以ASCII字符格式发送，数据帧以大写字母“N”为帧首，以回车字符＜CR＞后紧跟换行字符＜LF＞为帧尾，数据域以空格字符＜SPACE＞为间隔。Conc1参数表示被测气体浓度数值；Conc2～Conc5参数无意义；Current Temperature和Current Pressure表示当前气室内瞬时温度和气压。

表2 接收数据帧结构

4 传感器参数校准

参数校准主要是指Gascard NG红外气体传感器根据内部温度和压力校准参数对温度和压力的变化进行自动补偿。根据非分光红外传感器的原理，测量结果反应的是光路中气体分子的密度，也可以认为是气室中样品气体的摩尔数。Gascard NG红外气体传感器的光学探头配有温度传感器，连接气室出口的气管通过一个三通与压力传感芯片连通，可感知气室内压力。通过对温度和压力的实时测量并结合传感器内部保存的校准参数对温度和压力的变化进行自动补偿。

进行温度和压力参数校准前传感器至少需要预热30 min，使其处于稳定工作状态。零点标定气体使用氮气，满量程标定气体浓度为传感器满量程浓度值的80%～100%，公差小于2%。调节样品气瓶调压器，使气路中气体流量以1 L/min的速度通过传感器气室。

待测量值稳定后，发送调零指令或者满量程指令，传感器会自动进行内部参数校准，也可以通过电路板上的按键进行手动调整。Gascard NG红外气体传感器具有双波长光学探头，通过信号比值计算气体浓度，仪器稳定性高。爱丁堡仪器公司推荐的校准周期为12个月。

5 影响测量结果的其他因素

传感器采用温度和压力校准可以提高测量准确性。但是，在实际使用中还有很多因素会直接或间接影响测量结果，甚至损坏传感器。

传感器允许的气体流速范围是0.2～3 L/min，最小流速取决于响应时间。气体流速过大会造成气室内气体压力升高，影响测量结果。同样，气路排气出口不畅也会使气路内气体被压缩，导致测量结果不准确。在气路入口处设置过滤装置的目的是滤除烟气中的粒相物、焦油和水分。粒相物和焦油进入传感器气室内部不仅会影响测量结果，而且长时间的恶劣环境还可能造成传感器光学器件的彻底损坏。传感器对湿度变化不敏感，但是气体中的水分在一定条件下会在气室或气路内产生冷凝现象，同样会增加传感器损坏的可能性。

基于非分光红外传感器的卷烟烟气CO浓度检测装置集光学气体传感器、微控制器为核心的数字电路设计、嵌入式程序设计于一体，开发周期短，功能完善，使用灵活，测量精度满足要求，在卷烟烟气CO浓度测试中获得良好效果。

[1]谢剑平.烟草与烟气化学成分[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2]张帆，张立萍.红外吸收光谱法在气体检测中的应用[J].唐山师范学院学报，2005，27(5)：62-64.

[3]杨柳.基于红外光谱的煤矿新型瓦斯传感器的设计[J].微型机与应用，2012，31(15)：82-84.

[4]宿筱.基于红外吸收的有害气体监测系统[J].微型机与应用，2013，32(17)：80-82.

[5]Edinburgh Instruments Ltd.,Gascard NG infrared gas sensor users manual[Z].2012.

[6]王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列 ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航天航空大学出版社，2008.

[7]程小辉，康燕萍.基于STM32的RFID手持式阅读器的研究与设计[J].电子技术应用，2013，39(8)：130-133.