基于传感器信息采集技术的CO2浓度监测系统的研究与设计

刘皖苏 卢彪

摘 要：为了解决空气中CO2浓度含量检测的问题，设计了基于CO2浓度传感器的信息采集和浓度监测系统.首先，进行了CO2浓度监测系统整体框架设计，主要包括了传感器模块设计、信号调理电路模块设计、主控芯片电路设计和锂电池升降压电路设计等.然后，进行了硬件电路连接设计，包括主控芯片STM32F103VET整体连接电路设计、传感器电路连接设计、LCD驱动电路设计、USB通信和上位机数据存储电路设计和供电电路设计等.最后，对CO2浓度监测系统整体软件流程进行了设计.该系统实现了CO2的实时检测和实时存储，并能够通过数据传送接口实现上位机的信息交互和信息处理，该系统对于提高生产效率和节能减排起到非常重要的作用.

关键词：CO2浓度;信息采集;浓度监测;传感器

中图分类号：TP302  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）10-0033-03

随着人类经济的发展和社会的进步，越来越多的工业领域长期大量使用煤炭等资源，导致空气中的CO2含量越来越高，CO2慢慢导致的“温室效应”在步步破坏人类的生存环境，因此定时准确地对空气中CO2的浓度含量进行监测控制变得越来越重要[1].在医学领域，CO2的浓度含量对人类的呼吸系统疾病的威胁非常严重.在农业生态领域，CO2的浓度对于农作物的生长也有重要的影响.因此，快速实现CO2浓度的检测技术变得慢慢迫切起来，它对于人们提高身体健康、经济水平和社会发展都起到重要的作用[2].

为了实现空气中二氧化碳含量的实时检测和实时控制，本文设计了一套基于嵌入式芯片STM32F103VET的CO2浓度数据采集系统.

1 CO2浓度监测系统总体设计

该CO2浓度监测系统通过STM32F103VET芯片作为主控制器，其工作流程分为3个步骤[3]：（1）首先，CO2浓度检测传感器采集的信息通过放大输出模拟信号;（2）然后，通过信号调理电路数模转换器进行转换，计算出空气中二氧化碳的浓度值;（3）将CO2的浓度值通过MB1322芯片處理后传送至LCD屏进行数字显示.该系统提供USB接口，可以用于系统数据的导出读取，实现CO2采集系统与上位机的信息对接和信息交互.其中，该系统的供电系统采用常规的锂电池进行供电，保障系统的正常工作运转.CO2监测系统总体结构图设计如图1所示.

2 系统硬件设计

2.1 STM32F103VET最小系统

STM32F103VET主控芯片具备大量的寄存器和I/O接口，可以为CO2浓度采集系统提供较快的信息处理能力和快速的系统反应速度，同时支持系统c语言编程和系统调试[4].该片同时具备较小的体积，在电路连接设计的时候极大的缩小的系统空间利用.该系统主要包括了高速程序上传下载和电路调试、系统上电、系统重启、高低速晶片振荡电路和电源接口[5].STM32F103VET主控芯片电路设计连接如图2所示.

2.2 CO2传感器电路设计

CO2浓度传感器采用南京经纬公司生产的LP908传感器，该传感器通过主芯片的传感器输出和输入引脚P6.3和P6.4完成电压信号的采集输出和数据处理输入等功能[6].在特定的温湿度环境下，LP908接收的电压值与空气中的二氧化碳浓度值成一个反比关系，经过数模转换之后得到的CO2传感器电压输出值通过反比关系可以转换成的CO2浓度值.CO2传感器电路设计如图所示.

2.3 LCD驱动电路设计

为了实现CO2浓度值显示的准确性和稳定性，在屏显驱动器电路中采用MB1322多功能LCD模块和额数字显示系统，该系统能够实现数据的读取、存储、读写修改等命令模式，并可以将数字信息直接显示在LCD屏幕上[7].MB1322上的Read、Write、Data和CS等串口可以与STM32F103VET上的P2.X等接口直接数据对接，完成系统的初始化、数据读写、数据存储和数据处理输出等功能.LCD驱动电路设计如图所示.

2.4 USB通信与数据存储芯片电路连接设计

在浓度监测系统数据存储方面采用的是具备16MB的K36P90存储芯片，该芯片可以动态、静态、分片和整体修改等按照页数读写数据功能.K36P90芯片使用特殊的KPI控制器，直接控制和自动生成系统自动控制时序.当K36P90芯片完成数据存储后，数据与上位机进行交互功能实现采用的是LP1108串口芯片[8].上位机与K36P90交互采用USB接口与UART来完成数据传输，控制器的请求应答类可以完成UART的控制功能.USB通信与数据存储芯片电路连接设计如图所示.

2.5 供电系统电路设计

二氧化碳浓度监测系统的供电电压主要包括STM32F103VET、MB1322和LP908等芯片的3.6v电压电路和传感器供电电压6v两种需求，而本系统采用的锂电池提供的正常电压为4v电压电路，为了保障系统芯片的正常运转，必须设计出基于锂电池电压的升压电路设计和降压电路设计.升压芯片采用3com公司的DSP1708芯片，降压芯片采用delivery公司的NAX16993.锂电池升降压电路设计如图6所示，其中左半部分为降压电路设计连接，又半部分为升压电路设计连接.

3 CO2浓度监测系统软件设计

3.1 系统程序设计

CO2浓度监测系统具备灵活性以及后期的升级维护采用模块化程序设计，该系统的软件设计驱动模块与硬件电路驱动模块一一对应.系统主要包括了主程序设计、传感器信息采集程序、信息处理、LCD数字显示、系统中断重启、USB通信与数据上位机存储交互等.系统主程序流程如下图7所示.

3.2 应用软件界面

CO2浓度监测系统主要实现了气体浓度的数据库实时更新、实时采集、实时存储和实时检测等功能，该系统数据采集界面设计如图8所示.

4 CO2浓度监测系统测试

4.1 系统精准度测试

系统测试取8组样本，分别重复测试10次共计80组数据.经过计算得知，系统检测精度范围-1.31%-0.87%之间，符合国家气体检测误差标准（-2.48%-4.10%），相对偏差范围为2.172%-4.184%表明该系统具备良好的重复实用性.

4.2 系统稳定性

利用CO2浓度检测系统将8组气体样本分别冲出测试10次，将表2的数据绘制成浓度曲线，结果见图9.从图中可见，该浓度检测系统在一定误差范围内具备较强的系统稳定性.

5 结语

本文设计了一套基于主控芯片STM32F103VET的CO2浓度信息采集和浓度监测系统，实现了空气中二氧化碳浓度的实时监测和数字显示.该系统整体设计主要包括了传感器模块、信号调理电路模块、主控芯片电路模块和锂电池升降压电路模块等几个部分.在硬件电路设计上，主要包括了主控芯片STM32F103VET整体连接电路、传感器电路连接、LCD驱动、、USB通信与上位机数据存储和锂电池升压降压等功能设计.在软件流程设计上，主要实现了模块化CO2浓度监测系统软件流程，保障了硬件系统的正常运转和协同运转，实现了CO2的实时检测、实时存储、信息交互和信息处理，CO2浓度信息采集和浓度监测系统对于提高节能减排、经济效益和生活水平等方面提供了保证.

参考文献：

〔1〕李成章.基于LCD显示的空气酒精浓度监测仪的设计[J].电子测试，2007（12）：12-15.

〔2〕曾水平，曾铮，秦建民.高浓度二氧化碳气体成分检测系统研究[J].仪器仪表学报，2015（S1）：121-125.

〔3〕周秀欢，陈炜，傅家乐.二氧化碳气体传感器研究进展及计量现状[J].计量与测试技术，2018（09）：66-69.

〔4〕罗杰，王国林.二氧化碳气体高温红外辐射的测量与研究[J].红外，2018（07）：43-46.

〔5〕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].广东技术师范学院学报，2018（03）：35-38.

〔6〕白泽生.一種二氧化碳气体检测方法[J].传感器与微系统，2017（07）：66-68.

〔7〕陈传波，杜娟，张智杰.基于RS232C协议的串口通信方法及应用研究[J].南昌大学学报（工科版），2015（03）：101-105.

〔8〕刘中奇，王汝琳.基于红外吸收原理的气体检测[J].煤炭科学技术，2015（01）：78-81.

〔9〕吴先亮，刘春生.基于多线程的串口通信软件的设计与实现[J].控制工程，2014（02）：23-26.