２０１３正 仪表技术与传感器 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ ２０１３ Ｎｏ．７ 第７期 基于ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机的大气环境ＣＯ２探测仪的设计与实现 黄见 ，胡顺星 ，冯 林 。，孟祥谦 ，张世国 ，邵石生 ，苑克娥 ，曹开法 ，徐之海 ２３００３１； ２．中国科学院研究生院，北京１０００４９） （１．中国科学院安徽光学精密机械研究所，中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽合肥摘要：介绍了一种新型的大气环境ＣＯ 实时探测系统。该系统依据双波长非分光红外吸收技术，利用ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ 单片机作为控制核心，通过单片机自带的１２位模／数转换器对经过放大、滤波预处理后的双通道信号进行模数转换，然后 通过ＲＳ２３２总线将数据传送到上位机进行显示、处理、存盘。上位机利用ＬａｂＶＩＥＷ８．６软件设计了一套数据采集、存储和 分析于一体的虚拟探测平台。连续２４ ｈ测量结果表明：该系统能较准确地反映出大气环境中ＣＯ：的昼夜变化特征，通过 与ＥＣ９８２０型ＣＯ：地面分析仪对比分析可知，两者的一致性较好。有很好的应用前景。 关键词：ＣＯ２探测；ＭＳＰ４３０Ｆ１４９；ＬａｂＶＩＥＷ；非分光红外 中图分类号：ＴＰ３９３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１３）０７—００３２—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＣＯ２ Ａｎａｌｙｚｅｒ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ａｍｂｉｅｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ ＨＵＡＮＧ Ｊｉａｎ ，ＨＵ Ｓｈｕｎ—ｘｉｎｇ ，ＦＥＮＧ Ｌｉｎ 一，ＭＥＮＧ Ｘｉａｎｇ．ｑｉａｎ 一，ＺＨＡＮＧ Ｓｈｉ．ｇｎｏ 一， ＳＨＡＯ Ｓｈｉ—ｓｈｅｎｇ ，ＹＵＡＮ Ｋｅ—ｅ ，ＣＡＯ Ｋａｉ—ｆａ ，ＸＵ Ｚｈｉ—ｈａｉ （１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ，Ａｎｈｕｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｒｅｉ，Ａｎｈｎｉ ２３００３１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ａｍｂｉｅｎｔ ＣＯ２ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｕａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ＮＤＩＲ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ＭＣＵ ｏｆ ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ ｗｈｉｃｈ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ａ １２ ｂｉｔｓ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅａｅｒ ｔｈａｔ ｃａｎ ａｃｑｕｉｒｅ ｔｈｅ ｄｕａｌ—ｃｈａｎｎｅｌ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｐｒｏｅｅｓｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｍｐｌｉｉｅｒ ａｎｄ ｆｆｉｌｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＲＳ一２３２ ｉｎｔｅｒ— ｆａｃｅ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｌｉｖｅｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ＰＣ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｄｉｓｐｌａｙ，ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｏｒｅ ｔｈｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ Ｌａｂ— ＶＩＥＷ８．６．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ａｍｂｉｅｎｔ ＣＯ２ ｉｎ ２４ ｈｏｕｒｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ’Ｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ ｗｉｔｈ ＣＯ２ ａｎａｌｙ— ｚｅｒ ｏｆ ＥＣ９８２０ ｆｒｏｍ ＥＣＯＴＥＣＨ ｏｆ Ａｕｓｔｒａｌｉａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＯ２ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ＭＳＰ４３０Ｆ１４９；ＬａｂＶＩＥＷ；ＮＤＩＲ ０引言 外，主要包括以下几个部分： 根据气体吸收理论可知，每种气体都有其独特的吸收峰， 而对吸收峰以外波长的光吸收极少 。双波长测量方法是在 （１）红外热电堆探测器及光源。通过单片机产生ＰＷＭ调 制信号将调制电压加在红外光源上，使其发出特定谱线的红外 光，大气中的ＣＯ：对其选择性吸收，通过探测器输出的信号强 度进而反演出大气中ＣＯ：的含量。 （２）前置放大及滤波调理电路。负责对微弱的电信号进行 放大、滤波，使之满足单片机Ａ／Ｄ转换的要求。 （３）单片机模块。本设计的控制核心，负责将放大、滤波预 单波长测量的基础上，引入了不被待测气体吸收的光作为参考 光。通过检测双波长输出通道的信号强度经相关算法就可以 计算出气体的浓度。据此理论，采用的超低功耗单片机 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９作为控制核心，完成光源的调制，双通道数据的采 集以及数据的传输；上位机采用ＬａｂＶＩＥＷ８．６编制了数据接收、 显示、存储、处理程序。连续２４ ｈ测量结果表明：该系统能较准 处理后的ＣＯ：信息进行Ａ／Ｄ转换及数字量的传输，以及红外 光源调制信号的产生。 （４）串口通信模块。负责下位机与上位机之间数据通信。 ２硬件设计 ２．１探测器及红外光源 确地反映出大气环境ＣＯ：的昼夜变化特征。通过与ＥＣ９８２０型 ＣＯ：地面分析仪对比分析可知，两者的一致性较好。 １系统设计 系统的硬件结构如图１所示，除抽气泵及控制阀机械结构 基金项目：科技部科技基础性工作专项基金（２００７ＦＹ１１０７００）；国家自然 科学基金（４１００５０１５）；中科院知识创新工程重要方向性项目（ＫＪＣＸ２一 ＥＷ—Ｎ０７） 红外探测器是非分光红外气体传感器的核心部件，测量精 度很大程度取决于传感器的性能高低。设计中选择高灵敏度 热电堆传感器，型号为ＨＴＳ—Ｅ２１一Ｆ３．９１／Ｆ４．２６，该探测器在 其封装上固定安装有针对不同气体的窄带干涉滤光片，可以实 收稿日期：２０１２—０８—２７收修改稿日期：２０１３—０４—２０ 第７期 黄见等：基于ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机的大气环境ＣＯ：探测仪的设计与实现 ３３ 输８１电压范围是１．２～３７ Ｖ，负载电流最大为１．５ Ａ．ＬＭ３１７输 出 可通过可变电阻进行调节，如式（１）： Ｖｏｕ，＝１．２５￣（１＋惫）＝１．２５ ｘ（１＋ Ｒ１） （１） 图２红外光源电源产生电路 图１系统结构框图 现对不同气体的测量。ＨＴＳ—Ｅ２１一Ｆ３．９１／Ｆ４．２６是双通道大 通过调整滑动电阻器Ｒ。可使得 在５．７—６．３ Ｖ之问。 气ＣＯ：探测器，其中乃．９ｌ通道对应ＣＯ：吸收谷处，而Ｆ４．２６ 图２中的Ｄ。是为了使得电容ｃ２放电时，保护ＬＭ３１７不受损 通道对应ＣＯ：吸收峰上。两通道输出强度信号的差别表征了 坏。单片机产生调制信号加上ＮＰＮ三极管８０５０的基极，即可 ＣＯ：的浓度信息。通过该探测器，将表征ＣＯ 强度信息的光信 在ＥＭＩＲＳ２００的１、２两管脚上加上调制电压。 号转换为相应的电信号。 ２．２信号调理单元 红外光源选择ＥＭＩＲＳ红外光源ＥＭＩＲＳ２００，该光源发射窗 信号调理部分主要是对红外探测器输出的电压信号进行 口上安装有透明窗，可以保证发射的红外光波长在特定范围 放大、滤波使之满足模数转换的要求，如图３所示。红外光通 内，适合于对常规的气体如ＣＯ：、ＣＯ、ＣＨ 、ＮＯ、ＳＯ：等气体进行 过气室后，在探测器端检测出两不同的微弱电信号，同时伴有 测量。还可以阻止外界环境对光源温度的影响。ＥＭＩＲＳ２００可 很强的背景噪声。为了有效地提取有用电信号，必须设计高精 以工作在连续或者脉冲调制模式下，快速加热与冷却时间分别 度、高放大倍数的放大电路，且考虑信号的滤波及电磁兼容性。 为１１ ｍｓ、１７ ｍｓ．图２为红外光源的调制电路。由于ＥＭＩＲＳ２００ 设计中的运算放大器与有源滤波器的放大器均采用双路精密 工作电压范围在５．７～６．３ Ｖ之间，采用可调稳压电源芯片 零漂移的ＬＴＣ１０５１运算放大器。图３的上下两部分对应测量 ＬＭ３１７为其供电。ＬＭ３１７是三端可调正稳压集成电路，可调的 通道和参考通道，电路结构是一样的。 图３信号调理电路 图３中Ｕ１Ａ对红外探测器测量通道输８１的电压信号进行 Ｒ，ｌ、ｃ６、Ｒ。２、Ｃ 、Ｕ３Ａ组成二阶有源低通滤波器 。通过调 放大，设Ｕ１Ａ同向输入端输入为ｕｉ ，输出端电压为 ，则有： 整式（２）、式（３）中可变电阻的阻值来调整输出电压，使放大滤 ＝（１＋生Ｒ６）・ （２） 波调理后的电压满足单片机Ａ／Ｄ输入的电压信号。 其中图３中的Ｇ、ｃｓ对高频信号进行滤波，Ｒ。、ｃ４与Ｕ２Ａ ２．３单片机模块 组成一阶有源滤波器。Ｒ９、Ｒ．。、Ｕ２Ａ组成同向放大电路，电压 采用ＭＳＰ４３０ＦＩ４９作为主控器件。ＭＳＰ４３０Ｆ１４９为１６位 放大倍数为： ＲＩＳＣ结构，外设和内存统一编址，寻址范围可达６４ ＫＢ，内嵌８ 通道１２位Ａ／Ｄ转换器、ＵＡＲＴ通信接口和ＳＰＩ通信接口。具有 ＡＵ２Ａｖ－１＋ （３） 正常工作模式和４种节电模式，各模式之间可以切换，使之满 足超低功耗的需求。系统采用单片机自带Ａ／Ｄ转换器完成数
