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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

co2是一种常见的温室气体，还是空气的重要组分之一，与人类生活密不可分，随着工业的持续发展，排放量快速增长，很多科学家也一直在研究大气中排放的二氧化碳的浓度，多国科学家都给出了二氧化碳浓度在普遍升高的趋势。

社会意义：温室效应会引起海平面上升，如果两极的冰架持续融化，会造成许多极端气候。掌握大气co2浓度变化，为温室效应提供检测和预警，就需要实时在线，抗干扰能力强的co2传感器。

经济价值：国内co2在线检测主要通过气相色谱法和电化学法法，成本高，污染大，抗干扰能力弱，此次开发设计的ndir二氧化碳气体传感器采用非分散红外技术，降低了生产成本，小型化，方便携带，能够实现大规模生产和大范围使用。可进一步挖掘co2气体传感器的市场价值。

国内外研究现状

对于红外吸收式co2气体传感器，国内外的学者均对其进行了深入的研究。20 世纪 70 年代，吸收光谱技术开始被应用于气体检测领域，主要集中于欧美发达国家的一些企业和研究机构。进入二十一世纪后，红外气体检测技术面向环境监测等方面的应用得到了明显发展。2010 年，jongseon park 等人设计了一种特殊结构的红外气体传感器，用于co2浓度检测。2013年英国 cranfield university 大学的 jane hodgkinson等人设计了一个圆柱形管壳，并将红外热辐射源、窄带滤波片及热释电探测器放置于管壳中，并对管壳的内壁进行特殊光学处理，该co2传感器的优点是成本低且效率高。国内，2010年复旦大学利用了mems红外光源、红外探测器和中空光纤气室，集成制造了新型红外co2传感器，实现了小于10 秒的响应速度。2015年，中北大学谭秋林和杨明亮等人设计了一种三气体（co2 、co 和ch4）红外光学检测系统。

2. 研究的基本内容

为了在不受外界温度影响下实时准确检测空气中二氧化碳浓度,本文设计了一种基于pid算法恒温控制的ndir二氧化碳气体传感器,利用朗伯比尔定律反演出co2的气体浓度计算公式。选用内表面镀铜且长为8cm的圆柱型气室，并用zemax软件对光学模型进行仿真分析，采用双通道的测试法。用stm32单片机控制光源驱动电路以频率 0.5 hz 信号控制开启与关闭红外光波，红外光波发出后同时通过检测通道和参考通道，照射在有特定滤光片的探测器上,探测器的电信号,采用 icl7650 放大，经过ad7794数模转换送入单片机测定并显示在tft屏上,温度由pt1000铂电阻传感器采集反馈给单片机,单片机采用pid算法控制输出pwm方波的占空比从而进行控制裹在气室外的加热片的加热功率进行加热并通过比例控制环节，积分控制环节，微分控制环节反复调节最后达到基本稳定设定的恒温，拟合设定的恒定温度下co2气体浓度曲线，对恒温的效果和温度对传感器的影响进行准确的检测。预期co2气体传感器在环境气温40℃、气体浓度0-2000ppm范围中检测精度小于80ppm。系统原理图如图1所示。

图1 co2传感器的硬件整体框图

3. 实施方案、进度安排及预期效果

第一阶段主要完成国内外研究现状的调研，确定技术方案后，查阅相关资料，熟悉单片机相关专业知识，对目前世界上ndir二氧化碳气体传感器测量研究状况进行调研。

第二阶段主要完成二氧化碳气体传感器的硬件设计。首先完成系统的整体硬件设计方案，然后完成电源管理模块、滤波放大电路、模数转换电路，光源驱动电路，加热驱动电路的设计；接着完成对系统的主芯片stm32的最小系统设计以及一些外围模块的设计：pt1000温度模块、tft-lcd显示电路和pcb的整体设计焊接。

第三阶段主要完成二氧化碳气体传感器软件设计。首先完成stm32内部模块软件的设计，包括模数转换模块驱动程序、tft-lcd显示模块程序、pwm方波输出光源驱动程序，温度测量模块程序和pid算法程序。

4. 参考文献

[1]王为民, 王晨, 李春俭, 等. 大气二氧化碳浓度升高对植物生长的影响[j]. 西北植物学报, 2000, 20(4):676-683.

[2]涂威,赵文彬,郭楚,等.钢瓶供给氢气和空气的气相色谱法测定室内环境中的苯和tvoc[j].江汉大学学报(自然科学版),2019(02):132-138.

[3]阮程燕. 二氧化碳催化转化及其检测的理论和实验研究[d].南昌大学,2015.