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基于NDIR的CO2探测系统设计

更新时间:2009-03-28

0 引言

二氧化碳作为细胞新陈代谢的产物,由血液运输,从肺中呼出.人体呼出气体中的二氧化碳含量的变换可以反映人体循环功能是否正常,呼吸二氧化碳浓度检测是临床监测重要内容之一,在医疗领域具有广泛的应用需求[1].二氧化碳也是温室气体的组成成分,随着人类工业生产的快速发展,二氧化碳的排放急剧增多,温室效应将会增强,全球温度也将持续升高,从而引发很多环境和经济问题,例如生物灭绝和沿海城市淹没等.目前检测二氧化碳的技术主要有电化学法、色谱法、光学吸收法,这些技术在国外已经发展成熟.国内民用领域采用的红外吸收法还没有得到普及,主要原因有环境要求偏高,精度要求限制以及成本控制等问题[2-5].非分光红外(NDIR)技术不需要复杂昂贵的分光系统,只需要特定红外波段的滤光片就能实现探测的功能,这是非分光红外技术和分光红外技术最大的区别.由于应用NDIR技术的气体探测器具有稳定性好、体积小、响应时间快以及良好的便携性等优点,在市场上备受青睐.

(3)拼装噬菌体。将裁剪好的噬菌体模型配件按照噬菌体的结构拼接成两种类型的噬菌体模型(图2):①32P标记的噬菌体:由蓝色的蛋白质外壳和红色的DNA组成;②35S标记的是噬菌体:由红色的蛋白质外壳和蓝色的DNA组成。

1 基本原理

NDIR技术常被应用于检测气体和测量碳氧化物(例如一氧化碳和二氧化碳)的设备中.一束红外光穿过待测气体,待测气体中的各气体组分吸收特定频率的红外线[2-5].通过测量相应频率的红外线吸收量,便可确定该气体组分的浓度.,红外光穿过待测气体的波长未经预先滤波,称之为非分光红外(NDIR)技术.

图1是上海硅酸盐研究所自主制备的PMNT红外热释电探测器实物图,该PMNT红外热释电探测器具有以下优点:信噪比高,探测优值大,响应速度快[6-7].PMNT红外热释电探测器的内部电路如图2所示,主要由热释电灵敏元与一个运算放大器及反馈阻容器件构成的电荷放大器相连,在PMNT红外热释电探测器上引出4个引脚,分别为模拟电压信号输出,正负电源供电和接地.

  

图1 探测器实物图

  

图2 探测器内部电

  

图3 四种常见气体的红外吸收

图3是4种常见气体的红外吸收谱,二氧化碳在4.26 μm中心波段的吸收峰尖锐.本文中选用的PMNT红外热释电探测器是宽光谱响应的单通道热释电PMNT红外热释电探测器,因此在封装PMNT红外热释电探测器时装上一个窄带滤波片,如图1所示,其作用有:1)让4.26 μm波段的红外光通过滤波片,从而滤除其他波段的红外光的干扰;2)排除其他气体的干扰.

2.1 外植体最佳灭菌时间筛选 由表3可知,灭菌9 min效果最好,灭菌存活率最高,死亡数相对较低,污染率较低。

小学生天性对一切事物都有极强的好奇心,基于他们的本性,教师要充分的利用这一特点来进行教育和指导。在课程中,小学数学教师要积极的通过相关教学手段,促使小学生能够积极的开动大脑,动手制作数学模型,将数学的知识应用于生活中,这对于培养小学生的思维能力、创造能力和动手能力都有积极的作用。所以,在素质教学的指导下,小学数学改革要将德智体美劳方面的能力,贯穿于小学生的日常学习和生活实际之中[1]。

CO2气体浓度检测的理论基础是朗伯比尔定律.红外光源辐射出红外光穿过二氧化碳后,经过PMNT红外热释电探测器滤波片过滤,使特定波段的红外光通过滤波片到达PMNT红外热释电探测器灵敏元,从而PMNT红外热释电探测器灵敏元产生电荷变化,通过外围电路将电荷信号转换成电压信号,再通过相关算法,反演出二氧化碳的浓度.根据朗伯比尔定律有:

I=I0 exp(-∂cl)

(1)

其中,I为红外光的被气体吸收后到达PMNT红外热释电探测器的光强,I0为红外光的入射光强,∂为气体分子吸收系数,c为被测气体的浓度,l为红外光通过气体的有效光程.

2 硬件系统设计

2.1 串口程序下载电路 图5是采用CH340芯片和晶振电路组成的USB串口程序下载电路,其主要作用是和MSP430F149微处理器进行通信,通过这个端口方便的调试程序,并且下载程序到微处理器中,实现光源控制、数据处理以及显示功能,同时USB串口也是整个系统供电的端口,电源供电要求在4.410.0 V之间,具有宽电压供电功能.

探测系统硬件结构主要由红外光源、气室、PMNT红外热释电探测器、微处理器数据处理系统、显示模块组成.系统硬件结构框图如图4所示. 硬件电路系统具体由串口程序下载电路、正稳压电路、红外光源控制电路、DC/DC转换电路、负稳压电路、放大滤波以及阻抗匹配电路6个部分组成.

  

图4 硬件系统结构框图

系统设计原理:该系统采用精简指令集结构的微处理器MSP430F149作为主控制器,相比较其他的微处理器,该芯片具有超低功耗、低电压(1.83.3 V)供电、内部集成12位ADC模块、丰富I/O接口、集成LCD驱动模块等优点[8],微处理器MSP430F149输出调制的脉冲波控制红外光源闪烁,动态变化的红外光强穿过待测气体之后达到PMNT红外热释电探测器,PMNT红外热释电探测器输出电压信号经过放大处理电路以及阻抗匹配电路后,传送到微处理器MSP430F149进行转换、处理、显示.

  

图5 USB串口程序下载电

2.2 正稳压电路 图6是正稳压供电电路,采用AMS1117稳压芯片,将输入电源VCC电压转换成稳定的3.3 V,整个电路系统除了PMNT红外热释电探测器和阻抗匹配电路需要用到负电压外,其他所有的模块都采用3.3 V供电,AMS1117稳压芯片具有最大1 A电路的输出能力,因此满足系统总电流的要求.整体模块采用3.3 V供电,减少不必要的电压转换模块,大大简化系统设计步骤.

没有找到工作的同学都来向李丽请教,李丽说是自己运气好,可这样的借口哪能打发得了同学们,最后李丽被缠得实在没有办法了,只好说出了自己的秘密:

1) 用于低通滤波,其截止频率为10 Hz,由于探测器输出的信号是5 Hz,因此滤波电路的截止频率不宜太高,并且要避免50 Hz工频信号的干扰.图11是对信号处理电路进行输出信号仿真的结果,输入信号分别为5、10、30 Hz,输入信号在30 Hz以上时,经过滤波电路后,输出信号几乎为零,因为PMNT红外热释电探测器输出信号为5 Hz,所以设计的7阶低通滤波电路的上限截止频率为10 Hz完全满足.

成都工业学院[3]主要在教学内容上增加零部件测量、检测、机构调整、汽车配件质量的鉴别与检测、汽车再制造认识、再生燃料及新能源汽车认识等拓展内容,以引导学生不满足于现状、努力学习,达到强化实践操作技能、提升工作能力的目的。

  

图6 正稳压供电电

  

图7 红外光源控制电

2.4 DC/DC转换电路 图8是采用LT3483芯片及其外围电路构成的DC/DC转换电路,其作用是将电源VCC电压转换成负电压,系统中PMNT红外热释电探测器和放大滤波以及阻抗匹配电路需要正负电压供电.DC/DC转换电路仅仅是完成负电压的输出,还需要将这个负电压转换成满足系统要求的负的稳定电压.

  

图8 DC/DC转换电

2.5 负稳压电路 图9是采用TPS723芯片及其外围电路构成的负稳压电路,其作用是输出-3.3 V稳定电压,前面提到的LT3483芯片只产生负电压,系统中红外光源闪烁时,产生的电流波动会引起DC/DC转换电路输出的电压波动,这样会导致PMNT红外热释电探测器和阻抗匹配电路的供电电压不稳定,进而引起电路工作异常,所以采用LT3483和TPS723两款芯片协同作用,产生稳定的负电压.前面已经提到AMS1117输出+3.3 V电压,因此系统模块电路需要的+3.3 V和-3.3 V电压都已经具备,后面将会提到PMNT红外热释电探测器和阻抗匹配电路,这两个电路正是采用+3.3 V和-3.3 V双电源供电的.

  

图9 负稳压电

  

图10 七阶低通滤波电

2.6 低通滤波电路 图10是采用2片OPA2140双运算放大器芯片及其外围电路构成的7阶低通滤波电路,该低通滤波电路具有2个功能.

2.3 红外光源控制电路 图7是红外光源控制电路,该电路采用场效应管BS170作为开关管,系统通过MSP430F149微处理器P1.0引脚输出电调制的5 Hz且占空比30%的脉冲波控制场效应管BS170通断来实现红外光源的闪烁.

2) 用于阻抗匹配,PMNT红外热释电探测器的输出阻抗z=2 MΩ,芯片MSP430F149的输入阻抗z=38 Ω,因为PMNT红外热释电探测器的输出阻抗远大于芯片MSP430F149输入阻抗,所以阻抗不匹配造成反射系数偏大.因此,PMNT红外热释电探测器产生的交流信号电压,不能被芯片MSP430F149接收处理,大部分信号能量反射回到探测器上,引起PMNT红外热释电探测器发热、工作异常等问题,需要增加MSP430F149芯片的阻抗,从而抑制PMNT红外热释电探测器的输出信号被反射回给自身造成PMNT红外热释电探测器发热问题.

系统程序主要实现数据采集、数据处理、数据显示及控制光源.探测系统主要由一个微处理器MSP430F149实现前面所述的4个功能.MSP430F149内置ADC模块,不需要添加额外的ADC转换电路,此外,这款微处理器还集成了LCD驱动模块[8].光源控制由微处理器MSP430F149调制的5 Hz且占空比30%的脉冲波驱动,根据前面提到的朗伯比尔定律,气体吸收光强和有效光程(即气室长度)有关,所以权衡气室长度、MSP430F149内置ADC模块最大参考电压(2.5 V)和红外光源辐射强度(和脉冲波的频率占空比有关)这3个因素,光源驱动方式为频率5 Hz且占空比30%的脉冲波,ADC参考电压设为2.5 V.系统程序流程图如图17所示.首先程序进行A/D端口的初始化和设置参考电压,接着打开A/D转换器模拟信号的端口,进行读取模拟信号,然后开始A/D转换,将探测器输出的模拟信号电压值转换成数字电压信号,便于MSP430F149微处理器进行处理,然后进行数字电压信号滤波,消除高频噪声,然后进行读取测量值,如果没有读到测量值,程序跳转到模拟信号采集,如果有测量值读出,输出测量值并显示,结束此次程序.

3 软件设计

其中,Ve、ΔC、ΔV分别为信号误差值、待测浓度与最小探测浓度差值和待测浓度与最小探测浓度电压信号差值.其实验结果分别为0.029 V、300和0.375 V,代入公式(2)后可计算得出精度值A=23.2×10-6.

  

图11 七阶低通滤波电路仿真结

  

图12 探测器工作温度测试方式图

  

图13 阻抗匹配时探测器工作温度图

  

图14 阻抗不匹配时探测器工作温度图

  

图15 阻抗匹配时探测器的输出波

  

图16 阻抗不匹配时探测器的输出波

  

图17 系统程序流程图

图12是PMNT红外热释电探测器工作时的温度测试方式图,在室温的条件下采用热电偶测量PMNT红外热释电探测器表面温度,将万用表调到测温档,显示的数值即是PMNT红外热释电探测器的工作温度.图13和图14分别为阻抗匹配和阻抗不匹配时PMNT红外热释电探测器工作温度图,图15和图16分别为阻抗匹配和阻抗不匹配时PMNT红外热释电探测器的输出信号波形.由此得出以下结论:PMNT红外热释电探测器的阻抗远大于芯片MSP430F149的阻抗,如果PMNT红外热释电探测器和芯片MSP430F149没有进行阻抗匹配,PMNT红外热释电探测器工作时就会发热,因为PMNT红外热释电探测器的灵敏元是红外热释电型的,由于阻抗不匹配导致PMNT红外热释电探测器工作发热的问题,影响PMNT红外热释电探测器自身的工作状态及输出信号波形.

4 测试结果与实验

PMNT红外热释电探测器精度测试结果如图18所示.其中,理论精度和实际测量精度有差距,因为测量值和探测器输出的电压值相关,所以在计算实际测量精度时,根据实际测量情况对采用的公式进行重新推导,简化后的公式便于计算,实际测量精度值A的计算公式为

A=VeCV

(2)

图19是没有通入CO2气体时测得的PMNT红外热释电探测器的输出波形.因为红外光源的闪烁,导致PMNT红外热释电探测器接收到的红外光强的动态变化,根据图2所示的探测器内部电路结构,该电路是一个电荷放大电路,通过反馈电容的充放电,控制波形的上升时间和下降时间,所以PMNT红外热释电探测器输出波形类似正弦波.

老年人由于身体机能的退化和身体免疫能力的下降,导致老年病的出现。譬如,老年痴呆、老年性精神病、老年性耳聋、老年性视力衰竭、老年性慢性支气管炎、老年骨质疏松症、高血压、心脏病、糖尿病等。首先,老年病从最初的潜伏期,到前期的医疗诊断,到中期的治疗服务,再到后期的跟进服务都具有服务周期长、后期医疗保健服务需求大等特点,加剧了医疗保健服务的供需矛盾;其次,老年人的老年病与年龄的增长通常具有正相关性,再加上大部分老人支付能力有限与需求未能得到满足,医疗保健服务的覆盖范围被迫压缩;最后,当下我国老龄化人口基数大,社会医疗保健需求大,但医疗服务资源有限,导致出现医疗保健服务供需结构性缺口。

在此次优课比赛中,笔者正是因为一段个人才艺展示赢得了学生的肯定和达到激发学生学习兴趣的目的。在平日里,教师可以通过自身的才艺展示或扎实的基本功展示进行导入,也可以通过学生对学习成果的展示导入。这样,学生对教师的展示会表现出赞赏和佩服,教学过程中会虚心求教,努力学习。

调试好程序并下载到微处理器MSP430F149中,程序设定的量程为2 500,系统通电之后,对模拟人体呼吸过程的实物系统进行测试.利用气体比例泵将纯氮气N2和二氧化碳气体CO2进行不同的配比实验,数据组数为50组,记录样机探测结果,评价探测结果的准确性,结果见表1. 从表中1可以看出,样机的探测结果与比例泵配出的CO2浓度相差不是很大,因此可以满足使用要求,但是在响应时间上没有市场上的成熟产品快,还需要进一步改进.

  

图18 PMNT红外热释电探测器精度测试结

  

图19 未通入CO2气体时探测器的输出波

 

表1 样机探测结果与气体比例泵体积分数对比

  

气体比例泵CO2体积分数5001000150020002500样机探测CO2体积分数520989148919912515

5 结束语

本文中设计的基于NDIR的CO2探测系统应用非分光红外技术,采用IRL715EN光源和PMNT红外

热释电探测器,设计整个系统的硬件电路和软件程序,利用MSP430F149微处理器进行数据采集处理,简化系统设计步骤,结合高性能的PMNT红外热释电探测器,提高系统探测灵敏度,采用超低功耗的MSP430F149微处理器,并且PMNT红外热释电探测器窗口封装特定波段的滤波片代替分光系统,将系统小型化,有利于手持式气体检测设备开发,在医疗领域可以应用于呼吸CO2检测仪、麻醉手术监护、危重患者监护等很多方面,在环保领域可以应用检测污染源CO2含量、汽车尾气CO2含量监测,从而促进节能减排,具有一定的市场推广价值和广泛的临床应用前景.

6 参考文献

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张浩,王钊,李悦,陈建伟,罗豪甦
《湖北大学学报(自然科学版)》2018年第03期文献

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