基于ARM的CO2氣體采集報警及排除裝置的設計

魏璐

（西安建筑科技大學 信息與控制工程學院，陜西 西安710055）

隨著生活水平的提高和自我健康意識的不斷增強人們對生活質量的要求越來越高，對室內空氣品質（IAQ）[1]的關心也日益加強。據統計，每人每天約80～90%[2]的時間是在室內度過的，室內空氣質量的優劣直接影響人們的工作和生活，若室內污染物得不到及時置換，CO2濃度到達一定限度時會刺激人的呼吸中樞，導致呼吸急促，煙氣吸入量增加，并且會引起頭痛、神智不清甚至死亡等癥狀。

為了避免不幸事故發生很有必要對室內CO2氣體進行有效的檢測和控制。文中介紹了一種基于嵌入式系統控制CO2氣體采集報警及自動排除裝置，若檢測到室內空氣CO2濃度超過了人體安全限度時，就可立即報警并自動啟動通風機排出CO2氣體。

1 系統總體設計

該系統硬件主要由3部分組成：1）信號的采集處理部分，包括放大電路、濾波電路、采樣保持電路以及A/D轉換電路；2）微控制器數據的處理部分，其中包括實現該系統所需要的電源電路、液晶顯示接口電路、報警電路、鍵盤操作電路以及用于調試的JTAG接口電路；3）控制處理部分，包括進風及排風機電路。硬件設計總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體方案圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 硬件設計

為了滿足安全生產地需要，硬件電路設計盡可能選用功耗小、性能穩定的集成電路，在整個電路設計的過程中藥考慮電平、性能之間的匹配。

2.1 微控制器CPU

CPU[3－4]是本設計電路中的核心，完成數據的采集、處理、顯示及控制等功能。本設計采用了LPC2478作為核心處理器，該處理器具有 4個 UART，2路 CAN－bus、1個 SPI接口、2個SSP接口、3個I2C接口和1個I2S接口，同時支持STN和TFT顯示的LCD控制器、10/100 M以太網媒體訪問控制器（MAC）、異步靜態存儲器設備和動態存儲器的外部存儲器控制器（EMC）、USB 2.0全速Device/Host/OTG控制器。并且還帶有1個片內4 MHz內部振蕩器、98 kB RAM以及多個32位定時器、ADC、DAC、PWM 等接口。

2.2 CO2傳感器模塊

2.2.1 非分散紅外CO2傳感器

傳統的CO2氣體傳感器多采用半導體和催化元件，這種傳感器造價低廉但長時間接觸被檢測氣體會造成傳感器靈敏度下降甚至損壞。因此本設計采用的是非分散紅外CO2傳感器[5－7]，它是基于氣體的吸收光譜隨物質的不同存在差異的原理制成的，其吸收關系服從朗伯－比爾（Lambert-Beer）吸收定律，這樣，根據入射光與出射光能量的比對就可以測量CO2氣體的濃度。此傳感器具有較好的穩定性、抗干擾能力等諸多優點。

根據朗伯－比爾定律，出射光線I、入射光線I0和氣體濃度C之間的關系為:

式中，K為吸收系數；C為待測氣體濃度；L為光和氣體的作用長度。對式（1）進行變換，得：

通過檢測室內相關數據就可得知氣體濃度C。

2.2.2 放大電路

由于CO2氣體傳感器的輸出信號幅度非常小無法進行A/D轉換。因此需要連接一個集成運算放大器對傳感器輸出的小信號進行有效地放大。本模塊采用的是AD620運算放大器，此放大器成本較低，精度較高，僅需要一個外部電阻來設置增益即可，而且AD620還具有高精度，低失調電壓和低失調漂移的特點。此外，AD620有2種封裝方式，一種8引腳的SOIC封裝，另一種是8引腳的DIP封裝，2種封裝的電特性完全相同。

2.2.3 濾波電路

根據采樣定理可知，當信號的最高頻率超過采集系統的奈奎斯特頻率的一半時，從采樣信號恢復的信號會發生頻率混疊。為了防止混頻現象，也為了去掉被采集信號的高頻噪聲，通常要對信號預先進行濾波。本系統中采用了無源濾波電路，此電路結構簡單、易于設計、成本低廉、運行可靠。

2.2.4 采樣保持電路

采樣保持電路，具有一個模擬信號輸入，一個控制信號輸入和一個模擬信號輸出。該電路的作用是在某個規定的時刻接收輸入電壓，并在輸出端保持該電壓直至下次采樣開始為止。

采樣保持器的作用主要有2點：1）能保證輸入量在A/D轉換期間保持不變；2）將某一時刻各點檢測到的數據保持下來，供單片機分時地加以檢測和處理，以確保檢測到的數字量具有時間上的一致性。

2.2.5 A/D轉換電路

A/D轉換電路是把輸入模擬電壓或電流變成與其成正比的數字量的電路。主要有逐次逼近法、雙積分法和電壓頻率轉換3種方法。本設計采用的A/D轉換芯片是PCF8591[8]，此芯片是一個單片集成、單電源供電、低功耗、8位 COMS數據獲取器件。操作電壓范圍為2.5～6 V，4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串口I2C總線接口，3個地址引腳A0、A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。

3 電機驅動模塊

A3955SB是美國Allegro公司生產的步進電機專用芯片。其工作電壓可達50 V，電流可達1.5 A。A3955SB內部的3位非線性數模轉換器與內部PWM電流控制相結合可實現步進電機的全、1/2、1/4、1/8運行模式。而且內部的PWM電流控制電路和外部參考電壓相結合可用于決定電流是否為快衰減、慢衰減還是混合衰減模式。

4 電路設計

在對以上電路分析研究的基礎上，作者設計了CO2采集報警及自動排除電路如圖2所示。 整個系統的工作過程是由非分散紅外傳感器檢測到待測氣體濃度，將氣體含量轉化為電信號傳給放大電路，濾波電路，采樣保持器、A/D轉換模塊，再經過ARM系統處理后輸出，最終通過TFT顯示氣體濃度，然后按預先編好的程序，根據結果自動發出控制命令，最終控制風機的啟停。

其中由R1與A1組成放大電路，器作用的將傳感器輸出的信號放大到一定的程度，以便供濾波使用。

由 R2、R3、R4、R5和 A2 運放組成了濾波電路[9]，在電路中引入了正、負反饋。而C1、C2保證了信號頻率在趨于零和無窮大之間的任何一個值濾波電路都可以取到。

由開關K、R6和A3、A4運放組成采樣/保持電路。此工作方式受控制端的數字信號值控制。當方式控制端輸入信號為“0”時，開關K閉合，采樣/保持電路處于采樣狀態；當方式控制端信號電平為“1”時，開關K打開，有R6和C3組成的采樣/保持電路處于“保持”狀態，但電容C3的值對采樣/保持的精度影響很大，因此，A3、A4以提高輸入阻抗和減小輸出阻抗。

A/D轉換芯片PCF8591T與LPC2478連接。轉換的結果通過AOUT接到LPC2478的P0.23，在控制器中經過處理后，一路送入TFT顯示器中，一路用來控制電機的啟停。

5 軟件設計

主程序流程圖如圖3所示。系統軟件主要由初始化程序、主程序、A/D轉化程序、顯示程序等組成。由于用C語言編程時當今單片機開發的一種趨勢，因此文中也相應的采用Code Warrior IDE集成開發環境，此環境集成ARM匯編器、ARM的C/C++編譯器、Thumb的C/C++編譯器等等。與普通的C語言相比，它增加了許多庫函數，大大提高了編譯效率[10]。

圖2 CO2采集報警及自動排除電路Fig.2 CO2acquisition alarm and automatic eliminate circuit

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart the software design

部分代碼程序如下所示：

初始化程序：

主程序：

測試CO2氣體濃度過程中，有3個不同的氣體濃度測試點，可通過測試結果研究整個電路的性能。文中將CO2氣體濃度的限定值設為2.5 ppm，當室內CO2氣體濃度達到此限定值時系統報警并自動啟動風機，排除有害氣體。此結果可以看出電路的精度符合設計要求。

6 結束語

文中設計了一種CO2氣體采集報警及排除裝置，此裝置具有較高的靈敏度和較強的抗干擾能力，它成功的實現了室內空氣中CO2氣體濃度的實時監測、顯示和風機的自動開啟。這樣不僅提高了室內空氣品質而且還有助于提醒人們注意自身安全。

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