[摘要]文章首先分析了红外传感器CO2气体检测电路的工作原理，以气体浓度计算公式与CO2传感器探头结构为基础进行。其次重点介绍检测电路的设计原理，结合功能电路图展开讨论。最后对检测功能程序框图进行解释，帮助读者明确红外传感器气体检测装置的工作形式。
[关键词]红外传感器；CO2气体检测；电路设计
一、检测电路的工作原理
1、红外吸收型CO2气体传感器的工作原理
由于各种气体对不同波长红外辐射的吸收程度各不相同，因此不同波长的红外辐射依次照射到样品气体时，某些波长的辐射能被气体选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱。当知道待测气体的红外吸收光谱时，从中获得该气体在红外区的吸收峰。同一种气体不同浓度时，在同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系。不同气体分子化学结构不同，对应于不同的吸收光谱，而每种气体在光谱中，对特定波长的光有较强的吸收。那么通过检测气体对该波长的光的强度的影响，便可以确定气体的成分及浓度。
红外CO2气体传感器是利用CO2气体的红外吸收光谱作为检测机制。所以必须明确CO2气体的吸收谱线，找出适合设计要求的红外区的吸收峰，依此决定光源和其它器件的选择。
2、检测电路的设计原理
红外传感器二氧化碳气体检测是通过电路导通来实现的，在对功能进行优化时首先要考虑的是电路问题。检测电路的功能有单片机模块来实现，在制作前需要在计算机设备中绘制出数字电路与模拟电路，通过试验检验功能是否可以实现，确保已经达到使用标准后使用嵌入式技术将其倒入到单片机中。下面会以功能框图的形式对电路工作原理进行阐述。
图1 检测电路原理框图
图1为检测电路原理框图，由六大功能模块组成，在使用阶段气体首先会进入到气室中，因此电路设计中首先导通的是红外光线二氧化碳传感器。光波经过其他吸收折射后波的长短会发生变化，只有捕捉这一变化后才可发出后续指令，电流会向干扰滤波镜导通。此阶段气体浓度是未知的，供电系统稳定性很难保障，一旦电压不稳便会影响到发光情况，因此会出现一个稳压电路，虽然不会参与到检测环节中，但可以为供电系统提供稳压保障。感受到光线变化后电路系统中会产生波形震荡，频率较小不容易被捕捉到，放大电路便在此环节中发挥作用，经过处理后以电磁信号的形式进入到单片机模块中。元件温度升高会增大电路系统的损耗，这一环节中可开展温度补偿，用来控制测量数据稳定性。最后将测量结果输出，由指定的液晶显示屏将示数展现出来，计算环节在单片机模块中完成。
3、检测电路的设计
检测电路的设计，可以明确电容在其中起到调节作用，用来控制光亮强度，但同时也会受到反馈结果的影响，快速调节供电量，保障系统可以发出满足使用需求的光线。在数字滤波与单片机模块之间出现了两次电路放大装置，有用波形被放大的同时干扰波形也随之被放大，红外传感器中的干扰滤波镜可以过滤掉无用光波。由电路图可知，单片机模块直接与液晶显示屏相连接，可做到实时观测，检测过程中气体浓度一旦发生变化也会以同种形式显示出来，方便工作人员记录。检验初期气体流动性大，显示结果或有所变动，但持续时间非常短，因此在检测气体浓度时应结合温度时间差异进行分析，记录多项数值对比得出平均数，可避免测量结果与真实情况存在误差。
二、红外传感器CO2气体检测电路设计与实现
这里主要介绍红外气体传感器检测电路及软件设计。硬件方面主要包括电源模块电路、红外光源驱动电路、信号调理电路、外围接口电路、单片机控制电路和计算机通讯接口电路设计。软件方面主要包括单片机主控程序设计、数据采样、光源控制和数码显示程序设计，系统工作原理如图2所示。
图2 系统工作原理图
1、 光源调制电路
由于二氧化碳红外吸收信号微弱，背景噪声干扰较大，而且所采用的光源特性表明，其在脉冲条件下有较高的发光效率，所以应当对光源进行频率调制。
对光源输出强度的调制一般采用两种方法：一是机械调制法，而是电学调制法。传统的红外气体分析仪由旋转的折光盘调制宽频带的红外光源，该折光盘可以支承一个或多个限制光源波长的光学带通虑光器，输出为接近单色光的脉冲，这种方法需要笨重的机械装置，所以会给使用中带来麻烦。随之高性能的中红外发光的二极管（MIR-LED）的出现，电学调制设计更加趋向于便捷化，而且电学调制能够提高IRL715瞬间的发光功率，从而提高检查的灵敏度。
2、滤波电路
这部分电路的功能是对前置放大电路的输出信号进行简单粗略的滤波，抑制和滤除部分干扰和噪声信号，由于红外信号伴杂很多各种频率的噪声信号，所以单用低通滤波是不能满足条件的，所以我们选用带通滤波电路。可以认为带通滤波是由高通滤波和低通滤波串联而成的，两者覆盖的通带提供了一个带通响应。图3为双二次型带通滤波器电路。
图3 双二次型带通滤波器电路
3、调零、调增益电路设计
调零、调增益电路用来对放大电路进行调整，运放调零是因为其输入失调电压和输入偏置电流引起的，在输入端没有电压输入时，输出端有个比较小的电压输出，这个电压就称为输出失调电压。为了减低输出失调电压特别运放用在直流放大时的影响，所以才需要调零。如果不调零，运算电路永远要加上一个误差值，更重要的是电路中这个误差还要与信号一同被放大，这样实验的结果数据肯定会受到很大的影响。
如图4所示，输入信号从反向端输入，经过反向放大可改变增益，放大倍数：
（1）
改变R7的阻值就可以对电路调零，但此时增益也随之变化，所以要对Rf和R7进行反复调试，才能达到理想的效果。
图4 调零、调增益放大电路
4、围接口电路设计
第一，液晶显示电路。直观的反映出检测结果是电子电路的一项重要功能，本设计显示部分采用MS12864F 点阵液晶显示模块。MF12864F 是一种图形点阵液晶显示器。它主要采用动态驱动原理由行驱动器、控制器和列驱动器三部分组成了 128（列）×64（行）的全点阵液晶显示。此显示器采用了SMD 的硬封装方式，通过导电橡胶和压框连接 LCD，使其寿命长，连接可靠。其特性： （1）工作电压为+5V±10% ，可自带驱动 LCD 所需的负电压。
（2）全屏幕点阵，点阵数为 128（列）×64（行），可显示 8（行）×4（行）个（16×16 点阵）汉字，也可完成图形，字符的显示。
（3）与 CPU 接口采用 4 条位控制总线和 8 位并行数据总线输入输出，适配Inter8080 系列时序。
（4）内部有显示数据锁存器，和用于文本显示的 6×8 和 8×8 的字符库。
（5）简单的操作指令。MF12864F 图形液晶显示模块与单片机的连接方式有两种：一种为直接访问方式，一种为间接控制方式。
第二，键盘接口电路。键盘是人机对话的输入设备，通过功能按键来选择菜单条目，执行对应的功能。键盘的设计可分为独立按键式键盘和行列扫描式键盘。独立式键盘使用按键与单片机的 I/0 端口线直接连接，每一个按键对应一根口线，一般用于少量按键的情况下：而行列扫描式键盘适用于按键较多，I/0 口线相当紧缺的场合。因此为了节省单片机的 I/0 口资源，我们采用了行列扫描式键盘，键盘使用P1.1 Pl.7 共 7 根口线 12 个按键，键盘为 3×4 格局，P1.1、P1.2、P1.3 为行线，P1.4、P1.5、P1.6、P1.7 为列线。列线分别由上拉电阻上拉到 VCC，在行线与列线的每个交界处有一个按键，按键的两端分别接在行线和列线上。
第三，计算机通讯接口电路。为了便于 PC 机更好的采集数据并对数据进行分析和处理，实现单片机和 PC 机之间的通讯是十分必要的。由于单片机输出的是 TTL 电平，而 PC 机为 RS-232 电平，因此，设计中使用了 RS-232 实现单片机和 PC 机之间的通讯。
小结：实践证明该检测电路操作简单，体积小便于携带，非常直观，连续快速检测，可随时检测室内、外各种场合CO2气体的含量。检测电路设计简捷，价格低廉，普适性强，克服了需要频繁校准、使用寿命较短、价格贵等不足。
参考文献：
[1] 陈云雷，韩强.变压器油中CO2气体的检测及相关数据处理[J].仪表技术与传感器，2014（03）.
[2] 魏璐.基于ARM的CO2气体采集报警及排除装置的设计[J].电子设计工程，2013（02）.
