摘 要：本論文講述了室內二氧化碳濃度監控教具開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的技術(shù)問(wèn)題及解決方案。這個(gè)教具的主體部分采用的是模擬型電路，實(shí)現了以電化學(xué)方式信號采集、放大和空氣調節系統（新風(fēng)）模擬；附屬部分采用的是數字型電路，實(shí)現了紅外信號采集，通信（含傳輸協(xié)議轉換）和電腦端調試（重點(diǎn)在于數據數制轉換）。本論文主要呈現的是：傳感器初步研究與選型，電化學(xué)傳感器基本研究，光耦合隔離放大器的應用，繼電器驅動(dòng)器的功率實(shí)質(zhì)初探；調試軟件的簡(jiǎn)析，數制轉換軟件的核心算法和實(shí)現研究。
關(guān)鍵詞：二氧化碳濃度；電化學(xué)；數制轉換；光耦合隔離放大器；繼電器驅動(dòng)器
中圖分類(lèi)號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0213-03
在國家級環(huán)保策略的大背景下，基于國際國內相關(guān)領(lǐng)域研究的前提下，自我開(kāi)發(fā)加之某杯賽課題的強化下，本人開(kāi)發(fā)了室內二氧化碳濃度監控教具（其外觀(guān)參見(jiàn)圖1裝置主視圖）。
該教具的主體部分是模擬類(lèi)型的電路：它是以電化學(xué)傳感器感知的二氧化碳濃度指標為輸入，并且將此指標時(shí)時(shí)和調定值比較，一旦大于或等于調定值且保持3～5秒時(shí)，負載繼電器動(dòng)作，以驅動(dòng)聲光報警和風(fēng)扇（新、排風(fēng)扇各一）運轉（模擬空調新風(fēng)系統）；該教具的輔助部分是以數字類(lèi)型的電路：它是以紅外傳感器感知的二氧化碳濃度為指標，經(jīng)過(guò)采集、傳輸（TTL轉USB協(xié)議）和調試三級軟件，得以在電腦端調試和顯示。
1 模擬電路開(kāi)發(fā)要點(diǎn)
該教具主體部分系模擬電路類(lèi)型，采取信號源及信號采集端，放大控制級和負載界三級電路，具體參見(jiàn)圖2模擬電路原理圖。
放大控制級電路采取三級放大設計，前級放大和傳感器集成在一起，中級是一個(gè)獨立的光耦合隔離放大器，末級放大器集成于繼電器驅動(dòng)器內。具體參見(jiàn)圖3模擬電路三級放大原理圖：
1.1 傳感器相關(guān)領(lǐng)域初步研究及選型
經(jīng)初步研究，本教具可能使用的傳感器至少有：金屬氧化物半導體式傳感器，催化燃燒式傳感器，定電位電解式氣體傳感器，PID光離子化氣體傳感器，迦伐尼電池式氧氣傳感器，紅外式傳感器等六類(lèi)。在比對各自的優(yōu)缺點(diǎn)以后（兼顧成本考量），選定帶有以金電極作為參考電極的熱堆反應式金屬氧化物傳感器作為模擬電路傳感器；以紅外熱堆式傳感器作為數字電路的傳感器。
其電化學(xué)傳感器工作原理是：利用兩種不同的氫前金屬氧化物氧化鋰和氧化鈉，在被加熱的情況下，氧化鈉和空氣中的氧氣不停的化合后再分解；由于金屬單質(zhì)活潑性差異（鈉較鋰更活潑）。促使氧化鈉更快的和氧氣反應（俗稱(chēng)此現象為“奪氧”）。所以，氧化鋰被迫的和二氧化碳反應，生成碳酸鹽，當然，也是不停的進(jìn)行化合和分解。這兩個(gè)反應都是一種動(dòng)態(tài)的平衡，總計產(chǎn)出物是4摩爾的電子。離子反應方程式如下：
就是這些釋放出來(lái)的電子構成了最初始的信號，并和二氧化碳濃度相關(guān)（注意是負相關(guān)），而后續電路都是基于此特性進(jìn)行設計（實(shí)際拿到的傳感器是一個(gè)集傳感器、放大器在一起的集成器件，并有相關(guān)電位器以供相關(guān)參數調節）。
后者，數字電路所用的紅外傳感器的原理見(jiàn)本文第二章 數字電路開(kāi)發(fā)要點(diǎn)。
1.2 隔離放大器的應用
本裝置采用的是光耦型隔離放大器。光耦的基本原理參照圖4中的信號放大隔離器。其中，左邊的是光源，比如發(fā)光二極管，用于信號的發(fā)射；右邊是光敏元件，用于光信號的接收，比如光敏三極管。我們把需要進(jìn)行阻抗匹配的前后兩級電路稱(chēng)為前級和后級。前級視為信號采集端，光源發(fā)光強度隨輸入信號的強弱（本電路中傳感器的初始信號已經(jīng)前級放大器放大，所以說(shuō)傳感器的輸出作為隔離器的輸入）而進(jìn)行線(xiàn)性的變化，后級光敏元件的輸出電流也就同步隨之變化。后續電路對光敏原件的電流變化進(jìn)行一些列的處理（為更適合與后續繼電器驅動(dòng)器相匹配，所以本隔離器為線(xiàn)性型電壓輸出式）?？梢?jiàn)，光耦型隔離器實(shí)現了電-光-電的轉換，具有抗干擾和較為容易的使得前后級“回避”了電氣阻抗匹配的問(wèn)題。
1.3 繼電器驅動(dòng)器的功率實(shí)質(zhì)初探
本電路中所采用的繼電器驅動(dòng)器是光耦合型的，原理上和前級的光耦型隔離放大器是一樣的，只不過(guò)，繼電器驅動(dòng)器的功率較大一些，且執行繼電器和驅動(dòng)器集成在一起。
但，也不能用它的繼電器直接作為負載的執行元件。本裝置的設計是，仍然將這個(gè)繼電器作為控制元件，再加載個(gè)觸點(diǎn)容量更大的繼電器。這么設計不是冗余，而是處于安全考慮或者說(shuō)是減少一旦出現過(guò)載的情況下，保護成本較高的元器件，以降低損失成本，且維修更方便（拆裝導軌上的繼電器比修理繼電器驅動(dòng)器線(xiàn)路板方便得多）。
另，在調整繼電器工作點(diǎn)時(shí)候發(fā)現：繼電器驅動(dòng)器的調節是電壓、電流的綜合指標。電壓、電流為二元變量，在一個(gè)方程之下有無(wú)數組解（當然，實(shí)際值的范圍也不會(huì )太大，基本上在以額定電壓值為基準上下一定范圍內浮動(dòng)）。其實(shí)，就是功率調節。具體表現為在額定電壓的上下一個(gè)范圍內浮動(dòng)，電流也隨之線(xiàn)性的變化（反比）。但是，在調節的時(shí)候不允許出現電流的反向流動(dòng)。
2 數字電路開(kāi)發(fā)要點(diǎn)
本裝置的數字電路部分完成的是二氧化碳濃度值的顯示功能。顯示的方式有16進(jìn)制和10進(jìn)制兩種；而根據使用裝置操作的人員權限管理需求，則將軟件區分為供管理員調試用的和實(shí)驗員觀(guān)察用的兩個(gè)軟件，前者功能較多，后者功能較少。
整體部署策略：對紅外傳感器感知的信號指標進(jìn)行時(shí)時(shí)采集，放大和模數轉化，以異步串行方式（NART）傳輸給下級（接口為T(mén)TL門(mén)電壓）；下一級是用CP2102將傳輸協(xié)議轉化為通用串行接口（即USB）協(xié)議，以供PC端調節和顯示（16進(jìn)制轉10進(jìn)制的數制轉化語(yǔ)句是本文陳述的重點(diǎn)，會(huì )同時(shí)給出Delphi和Arduino兩種語(yǔ)言的核心算法語(yǔ)句）。
2.1 紅外傳感器原理與應用
首先，每一種物質(zhì)（物體）都有自己的固有頻率，其只能反射或稱(chēng)諧振相同頻率（波長(cháng)）的入射波譜，這就使得波譜檢測法成為可能。目前常用的檢測方式有色散和非色散兩類(lèi)。結合本裝置的需求和實(shí)際情況，采用非色散型熱電極紅外傳感器。
其次，該傳感器的組件部署包括：公共寬頻譜紅外光源，濾波器（片）（波長(cháng)有區別），被測物（二氧化碳氣體），熱態(tài)光敏電極（熱堆）。
最后，就是工作原理。概括來(lái)說(shuō)就是通過(guò)不同中心波長(cháng)的濾波片構成兩套不同的光路：一套是方便二氧化碳與紅外線(xiàn)產(chǎn)生最大幾率諧振的通路，即“信號采集”通路（濾波片中心波長(cháng)4260nm）（這個(gè)波長(cháng)是出于二氧化碳吸收紅外最大幾率（97%））；另外一套是反過(guò)來(lái)，即產(chǎn)生最小幾率諧振的通路，為“信號基準”通路（濾波片中心波長(cháng)3910nm）（同時(shí)此波長(cháng)也是過(guò)濾到最大的干擾源水蒸氣的干擾）[1]。
2.2 數制轉換軟件的核心算法和實(shí)現
模擬電路有通、斷；數字電路有1、0（雖然描述不同，但同樣都是兩態(tài)邏輯）。這就是二進(jìn)制的根源。計算機作為模擬和數字（主要是數字電路）的典型集成也不例外的采用2進(jìn)制。但，計算機物理層的2進(jìn)制數據有時(shí)候在邏輯層表示起來(lái)很長(cháng)，所以就取23即8進(jìn)制、24即16進(jìn)制等表示。不過(guò)，人類(lèi)社會(huì )目前普遍采用的多為10進(jìn)制，少數也有12進(jìn)制等但都和2進(jìn)制不一致。這就產(chǎn)生了用戶(hù)界面上的一個(gè)矛盾或者說(shuō)是需求：數制轉換（本裝置所說(shuō)的數制轉換專(zhuān)指二氧化碳濃度16進(jìn)制數值轉化并顯示為10進(jìn)制數值）。
首先，我們先研究一下傳感器輸出的16進(jìn)制數據結構。請參照以下表格1（以最大量程5000ppm傳感器所感知的二氧化碳濃度數據為例）：
根據數學(xué)模運算原則，建立16進(jìn)制高、低位對應10進(jìn)制的公式為：
將范例表格中16進(jìn)制的018D的數值帶入后得到對應的10進(jìn)制數值則為：
如果此時(shí)的需求是基于單板機的，且編程語(yǔ)言為Arduino的話(huà)，其數值轉換的核心語(yǔ)句參考如下：
{DEC1=comdata[2]；
DEC2=comdata[3]；
int o3val=DEC1*256+DEC2；}
如果此時(shí)的需求是基于PC機的，且編程語(yǔ)言為Delphi的話(huà)，其數值轉換的核心語(yǔ)句參考如下（Delphi語(yǔ)言已經(jīng)將前面的模運算固化而通過(guò)中間函數調用了）：
begin
move（buffer^，pchar（@receivebuf）^，bufferlength）；
for i：=0 to bufferlength-1 do
receivestring：=receivestring+inttohex（receivebuf[i]，2）；
CO2Values：=StrToInt（"$"+MidStr（receivestring，5，4））；
2.3 調試軟件簡(jiǎn)析
2.3.1 零點(diǎn)校驗
傳感器出廠(chǎng)前都進(jìn)行了硬件標定，一般6個(gè)月內正常使用的前提下，無(wú)需再標定，但平時(shí)使用時(shí)，每天通過(guò)軟件進(jìn)行一下0點(diǎn)校準還是必要的。
零點(diǎn)校驗的指令：參照廠(chǎng)家產(chǎn)品手冊；
2.3.2 讀取指令
獲得數據的方式一般有主動(dòng)上傳、問(wèn)答上傳和問(wèn)答讀取三種類(lèi)型。這里采用的是問(wèn)答讀取式（具體的讀取的指令：參照廠(chǎng)家產(chǎn)品手冊）。
2.3.3 返回數值
返回數值的格式參見(jiàn)前述表1。
2.3.4 界面操作
根據用戶(hù)權限管理的需求，我們提供管理員和實(shí)驗員兩種不同級別的操作權限，前者是可以操作所有指令的，即可讀可寫(xiě)（所謂寫(xiě)就是指允許想前端發(fā)送指令）；后者是只能是讀取和保存，或簡(jiǎn)單地說(shuō)就是只讀。
（1）管理員操作。管理員在調試時(shí)候首先要確定外接組件和電腦端的端口號（即COM口號），允許用操作界面選擇，有指示燈協(xié)助判定。端口號確定以后，要調試一下參數：波特率9600，數據8，校驗位：無(wú)，停止位：1，發(fā)送周期：1000ms。然后注意：數制先選16進(jìn)制，觀(guān)察相應二氧化碳濃度高地位數值（參見(jiàn)表1說(shuō)明），然后通過(guò)計算器計算轉化的10進(jìn)制是否正確（和實(shí)驗員界面進(jìn)行比較）；發(fā)送方式：先選只輪發(fā)一次，以便調試時(shí)間比較充裕，然后再選擇：收到回答后發(fā)下一幀。最后，將檢驗指令輸入發(fā)送區1，將讀取指令輸入至發(fā)送區2。點(diǎn)擊手動(dòng)發(fā)送，觀(guān)察發(fā)送值；校驗成功后，點(diǎn)擊發(fā)送區1的“清空按鈕”清除檢驗指令；然后，點(diǎn)擊發(fā)送去2的“手動(dòng)發(fā)送”，發(fā)出讀取指令，觀(guān)察發(fā)送數值，正常后，改選為自動(dòng)輪發(fā)模式。一切正常后，保存和調取數據，判斷是否正常。
（2）實(shí)驗員操作。在通過(guò)管理員界面調試時(shí)候，同時(shí)也觀(guān)察實(shí)驗員界面的顯示是否同步和一致。一切正常后，關(guān)閉管理員界面。通過(guò)實(shí)驗員操作界面保存和調取數據，觀(guān)察是否正常。正常后，清空數據，觀(guān)察是否有效。
3 工藝開(kāi)發(fā)要點(diǎn)
工藝設計的原則底線(xiàn)是：以安全為底線(xiàn)，方便為目的，即各類(lèi)行政技術(shù)標準做加法，機電特性需求做減法（比如后面將要說(shuō)的感性負載的保護性時(shí)延）。其他的人為需求都不得抵觸安全原則。
3.1 工作點(diǎn)的調整
采取先前級在后級的原則，即傳感器、隔離器和繼電器驅動(dòng)器。其中，繼電器驅動(dòng)器的調節是電壓、電流的綜合指標。電壓與電流構成二元變量，在一個(gè)方程之下有無(wú)數組解（當然，實(shí)際值的范圍也不會(huì )太大，基本上在以額定電壓值為基準上下一定范圍內浮動(dòng)）。其實(shí)，就是功率調節。具體表現為在額定電壓的上下一個(gè)范圍內浮動(dòng)，電流也隨之線(xiàn)性的變化（反比）。但是，在調節的時(shí)候不允許出現電流的反向流動(dòng)。
3.2 安全規范與標準
（1）相關(guān)技術(shù)標準來(lái)自于疾控部門(mén)。一般講，對于機構件，凡金屬材料，一般推薦的以醫用不銹鋼為主。而本裝置的選材原則是：至少保證是不銹鋼材料，比如機箱鋼板、按鈕外殼等；另外，考慮到盡量減小對于某些電氣元件的核磁、電磁特性，如電源模塊中變壓器的磁鋼，繼電器中的吸合零件等的干擾，最終選用弱磁性不銹鋼板制作機箱；不過(guò)，處于便于實(shí)驗操作和收納物品，聲光報警器選用的是磁吸式，則根據機械尺寸，設計了一個(gè)中等磁性的法蘭盤(pán)，專(zhuān)供報警器在實(shí)驗狀態(tài)下定位；
（2）電氣機箱行業(yè)相關(guān)規范。一般講，箱內零部件，至少故障率相對高的采用導軌式安裝，以便安裝維修過(guò)程中的拆卸；
（3）國家國際強制標準。一般，是強電元件之國家、國際強制標準；近年，由于材料環(huán)保要求也在逐步加強。本裝置在選材時(shí)候，是要求零件制造廠(chǎng)家書(shū)面提供第三方證書(shū)、報告。本裝置涉及的有：選擇具有第三方檢測機構報告、電源線(xiàn)和插座（主要是強電部分，但弱電部分也不是不考慮，比如熱堆式傳感器工作溫升較高，信號又較弱，所以，就選擇鍍銀導體加特氟龍外被的導線(xiàn)作為傳輸線(xiàn)）；盡可能選擇具有第三方檢測機構報告的環(huán)保材料，如環(huán)保電池盒；采用密封性好，機械穩固性高遵循航空行業(yè)標準的不銹鋼插頭作為負載輸出接口等。另外，前面提到的兩級繼電器設計，也是處于安全考量（總負載功率要小于繼電器觸點(diǎn)容量，或稱(chēng)留有一定的安全系數）。
3.3 其它需求
（1）操作友好（從事與勞動(dòng)保護領(lǐng)域（國外稱(chēng)為人體工程學(xué)））：為方便教具實(shí)驗狀態(tài)方便人員操作（擬定以坐姿為主），機箱結構設計為臥式；
（2）合理的冗余控制：考慮到本裝置是校園內實(shí)驗室中所使用的教具，所以在聲光報警器的聲音報警線(xiàn)路里串聯(lián)了一個(gè)開(kāi)關(guān)，即最大限度的減少噪音干擾。當然，在真正的工業(yè)控制應用中而非目前的實(shí)驗室教具應用中，則嚴禁加增此類(lèi)開(kāi)關(guān)（甚至于用戶(hù)提出有人員值班也不可以）。
參考文獻
[1]陳媛婧.懸浮吸收層的MEMS熱電堆紅外傳感器的結構設計及制備方法研究[D].中北大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.
