便攜式二氧化碳檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)

　　在地震廢墟狹小空間內(nèi)，幸存者呼出的二氧化碳得以富集，可通過二氧化碳體積分?jǐn)?shù)檢測來搜索幸存者。為此，設(shè)計(jì)了一種適用于廢墟現(xiàn)場使用的二氧化碳檢測裝置。目前廣泛應(yīng)用的二氧化碳傳感器主要有固體電解質(zhì)傳感器、紅外傳感器等。固體電解質(zhì)二氧化碳傳感器是一種內(nèi)含熱敏電阻器混合式二氧化碳敏感元件，優(yōu)點(diǎn)為體積小，對(duì)環(huán)境溫濕度不敏感。缺點(diǎn)為預(yù)熱時(shí)間長，一般 2 h 才能達(dá)到穩(wěn)定，因此，不適于現(xiàn)場工作的設(shè)備使用。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部無移動(dòng)部件、測量過程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的非色散紅外二氧化碳傳感器，該傳感器具有測量范圍寬、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、選擇性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
　　1 工作原理
　　二氧化碳的紅外吸收光譜如圖 1 所示，在波數(shù)為2 342 cm－ 1處，二氧化碳有強(qiáng)吸收峰。其吸收關(guān)系服從朗伯—比爾（ Lambert-Beer） 吸收定律，出射光強(qiáng)度 I、入射光強(qiáng)度 I0和氣體體積分?jǐn)?shù) C 之間的關(guān)系為I = I0exp（ εLC） ， （ 1）式中 ε 為摩爾吸光系數(shù)； C 為待測氣體體積分?jǐn)?shù)，L 為光和氣體的作用長度（ 光路長度） 。對(duì)上式進(jìn)行變換得C =1εLln（ I0/ I） . （ 2）當(dāng)摩爾吸光系數(shù)一定時(shí)，通過檢測出射光強(qiáng)度，即可計(jì)算得到二氧化碳體積分?jǐn)?shù)。由于不同氣體分子結(jié)構(gòu)不同，其吸收峰位置也不同，利用波數(shù)為2342cm－ 1的紅外線作為光源檢測二氧化碳體積分?jǐn)?shù)，不易受到其他氣體分子濃度的影響。但摩爾吸光系數(shù)受到環(huán)境溫度和氣壓的影響，溫度升高時(shí)氣體密度下降，測得體積分?jǐn)?shù)下降； 氣壓升高時(shí)氣體密度上升，測得體積分?jǐn)?shù)上升，因此，紅外二氧化碳傳感器的測量結(jié)果需要校正。
　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　2. 1 硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬 件 結(jié) 構(gòu) 如 圖 2 所 示。單 片 機(jī) 選 用 STC 的12C5A60S2，引腳連接見圖 3。12C5A60S2 是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，工作電壓范圍為5. 5～3. 3 V; 工作頻率范圍為 0～ 35 MHz，相當(dāng)于普通 8 051 的 0～420 MHz; 1 280 B 片內(nèi) RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； 4 個(gè) 16 位定時(shí)器。
　　圖 1 二氧化碳紅外吸收光譜

　　單片機(jī)支持 2 個(gè)全雙工異步串行口（ UART） ，分別用于二氧化碳體積分?jǐn)?shù)采集和數(shù)據(jù)顯示。
　　圖 2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　圖 3 單片機(jī)引腳連接原理圖

　　采用 GE 公司量程為 0 %～1 %的紅外二氧化碳傳感模塊 Telaire 6004 作為檢測單元，光路、信號(hào)調(diào)理、A/D 轉(zhuǎn)換在模塊內(nèi)部完成，測量結(jié)果以 UART 串口方式與單片機(jī)通信，有效避免了外部電磁干擾對(duì)測量造成的影響。以數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 作為溫度測量元件，通過程序?qū)崿F(xiàn)溫度補(bǔ)償。系統(tǒng)以 2 Ah 鋰電池作為電源，單片機(jī)自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換用于電池電量的測量，電量低時(shí)報(bào)警。經(jīng)實(shí)測可連續(xù)工作6 h，滿足野外工作需求。
　　顯示模塊采用真空熒光顯示屏（ VFD） ，利用電子撞擊熒光粉，使熒光粉發(fā)光，與傳統(tǒng) LCD，LED 顯示屏相比，其溫度適應(yīng)范圍寬，亮度高，在室外強(qiáng)光照射的情況下仍能清晰的讀數(shù)。因此，VFD 顯示屏適用于野外工作儀器。
　　2. 2 軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，采用 C 語言編寫，主程序流程如圖 4 所示。首先初始化系統(tǒng)配置，串口 1 接收二氧化碳模塊輸出的結(jié)果，串口 2 發(fā)送顯示數(shù)據(jù)。通過按鍵輸入海拔高度，經(jīng)查表法得到氣壓值。串行單總線讀取DS18B20 測得的溫度值，單片機(jī) ADC0 讀取電池電壓。讀入測量二氧化碳體積分?jǐn)?shù)值，經(jīng)溫度、壓力校正送屏幕顯示。壓力校正關(guān)系為以1013hPa 為基準(zhǔn)值，每升高1hPa 測量值加 0. 1%，每降低1hPa 測量值少0. 1%; 溫度校正關(guān)系以22℃測量值為基準(zhǔn)值，每升高1℃測量值減20 ×10－ 6，每降低 1 ℃測量值加 20 ×10－ 6。校正后的測量結(jié)果與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，如二氧化碳體積分?jǐn)?shù)高于預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，則表示可能存在幸存者，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，否則，進(jìn)入循環(huán)檢測。
　　圖 4 軟件流程圖

　　3 實(shí) 驗(yàn)
　　本二氧化碳檢測儀重復(fù)性為 0. 6 %，不確定度為1.5%，目前已經(jīng)用于幸存者搜索的模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中一受試者進(jìn)入約6m3的狹小空間，空間通風(fēng)面積約0.02m2，通風(fēng)處風(fēng)速為0.2m/s，空間外二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為 800 ×10－ 6，空間內(nèi)二氧化碳體積分?jǐn)?shù)變化如圖 5。實(shí)驗(yàn)表明： 狹小空間內(nèi)幸存者的呼吸可使空間內(nèi)二氧化碳體積分?jǐn)?shù)提高。
　　圖 5 有受試者狹小空間二氧化碳體積分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果

　　4 結(jié)束語
　　地震廢墟狹小空間可能使幸存者呼出的二氧化碳富集，通過檢測廢墟內(nèi)二氧化碳體積分?jǐn)?shù)可以作為搜尋幸存者的一種方法。為此設(shè)計(jì)了便攜式二氧化碳體積分?jǐn)?shù)檢測儀，以 12C5A60S2 單片機(jī)為控制單元，采用數(shù)字化紅外二氧化碳傳感器，并進(jìn)行溫度、氣壓校正。該儀器無需外部交流電源工作并具有良好的溫度適應(yīng)性，經(jīng)模擬廢墟實(shí)驗(yàn)測試表明： 所設(shè)計(jì)的二氧化碳檢測儀工作可靠、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適于地震廢墟現(xiàn)場的幸存者搜索工作。