【正文】 總體框圖TGS4160是日本FIGARO（弗加羅）公司生產(chǎn)的一種固態(tài)電化學(xué)型二氧化碳傳感器（CO2 sensor），該器件除具有體積小、壽命長(zhǎng)、選擇性和穩(wěn)定性好等特性外，同時(shí)還具有耐高濕和耐低溫等特點(diǎn)。因而可廣泛用于自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)或CO2氣體的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合。1. 二氧化碳傳感器TGS4160概述GS4160二氧化碳傳感器是FIGARO（弗加羅）公司生產(chǎn)的固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件。這種二氧化碳傳感器除具有體積小、壽命長(zhǎng)、選擇性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)外，同時(shí)還具有耐高濕低溫的特性可廣泛用于自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)或是CO2氣體的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合。但是，由于TGS4160的預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)（一般為２小時(shí)），所以，該器件比較適合于在室溫下長(zhǎng)時(shí)間通電連續(xù)工作。此外，為了方便客戶使用，F(xiàn)IGARO公司還專門設(shè)計(jì)了帶溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅魈幚砟KＡＭ－４。該模塊采用微處理器進(jìn)行控制，～，相當(dāng)于0～3000ppm的濃度，并有中繼轉(zhuǎn)接控制口，可輸出高、低兩種門限信號(hào)以供外接控制使用。TGS4160傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：?測(cè)量范圍：0～5000pm；?使用壽命：2000天；?加熱器電壓：177。；?加熱器電流：250ｍＡ；?加熱器功耗：；?內(nèi)部熱敏電阻（補(bǔ)償用）：100ｋΩ177。5％；?使用溫度：10～＋50℃；?使用濕度５～９５％ＲＨ。2. 二氧化碳傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)TGS4160二氧化碳傳感器是一種內(nèi)含熱敏電阻的混合式二氧化碳敏感元件。該元件在兩個(gè)電極之間充有陽離子固體電解質(zhì)。它的陰極由鋰碳酸鹽和鍍金材料制成，而陽極只是鍍金材料。該敏感元件的基襯是用對(duì)苯二酯聚乙烯和玻璃纖維加固，然后采用不銹鋼網(wǎng)做圓柱型封裝。元件的內(nèi)層采用100目雙層不銹鋼網(wǎng)套在鍍鎳銅環(huán)上，并用高強(qiáng)度樹脂粘合劑與基襯固定在一起。其外層頂蓋上又罩上了一層60目的不銹鋼網(wǎng)。為了達(dá)到降低干擾氣體影響的目的，TGS4160在內(nèi)外兩層不銹鋼網(wǎng)之間還填充有吸附材料（沸石）。TGS4160內(nèi)部等效結(jié)構(gòu)圖如圖22所示。陽極與傳感器的第3腳S(+)相連，陰極與傳感器的第4腳S()相連，Pt加熱器與傳感器的第1，6腳相連，內(nèi)部熱敏電阻與傳感器的第2，5腳相連。內(nèi)部熱敏電阻的作用是通過該電阻探測(cè)環(huán)境溫度，以便對(duì)該傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而使校正后的測(cè)量值更加準(zhǔn)確。圖22 TGS4160等效內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般情況下，控制器的選擇需要遵循以下幾個(gè)原則：1．控制器的基本性能參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)需求。比如控制器的指令執(zhí)行速度I/0口引腳數(shù)量、程序存儲(chǔ)器(ROM、RAM)的容量及是否支持外部擴(kuò)展、UART或者SPI口的數(shù)量、中斷處理系統(tǒng)等是否滿足設(shè)計(jì)要求。2．控制器的工作電壓及工作溫度是否滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求。3．開發(fā)成本是否相對(duì)經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)基本性能參數(shù)都滿足后就要綜合考慮開發(fā)成本問題，開發(fā)周期的長(zhǎng)短也對(duì)可移植性提出一定的要求，最后還需考慮到系統(tǒng)是否容易維護(hù)等問題。單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心部件它的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著很重要的作用。目前較為廣泛應(yīng)用的單片機(jī)有51系列的8位、面向大數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、增強(qiáng)型的16位單片機(jī)機(jī)以及32位的AR芯片這幾種。ARM芯片的優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低、功能廣泛和性能高的特點(diǎn)，它主要應(yīng)用在比較簡(jiǎn)單的小型的場(chǎng)合。方案一：采用89C51，其內(nèi)部有4KB的存儲(chǔ)器，編碼后以并行方式傳輸數(shù)據(jù)。它的優(yōu)點(diǎn)是方便實(shí)現(xiàn)，軟件開銷小。方案二：采用8051，其內(nèi)部無片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，因此，必須在片外擴(kuò)展EPROM。綜合分析，采用方案一以比較方便。目前主要的顯示屏有LCD與LED兩種，LCD與LED是指液晶電視背光技術(shù)的兩個(gè)發(fā)展階段，也是目前市場(chǎng)主要的兩種液晶電視背光技術(shù)。但無論哪種背光技術(shù)，液晶本身的原理都相同。液晶本身不發(fā)光，需要用背光照亮。這種照亮技術(shù)就分為L(zhǎng)CD與LED。LED的技術(shù)相比LCD更先進(jìn)，整體視覺效果更好，更節(jié)能，當(dāng)然價(jià)格會(huì)更高一些。相比較而言，LED作為背光源能使顯示屏更加輕薄，顯色效果會(huì)更好。另外較為重要的問題是，LCD電視采用冷陰極熒光管，因?yàn)楹兴y，因此也被認(rèn)為對(duì)環(huán)境有較大的損壞。而LED液晶電視使用的使發(fā)光二極管，不存在水銀的問題。LED與LCD的功耗比大約為1:10，LED更節(jié)能。LED擁有更高的刷新速率，在視頻方面有更好的性能表現(xiàn)。LED提供寬達(dá)160176。的視角，可以顯示各種文字、數(shù)字、彩色圖像及動(dòng)畫信息，可以播放電視、錄像、VCD、DVD等彩色視頻信號(hào)。LED顯示屏的單個(gè)元素反應(yīng)速度是LCD液晶屏的1000倍，在強(qiáng)光下也可以照看不誤，并且適應(yīng)零下40度的低溫。綜上所述選擇LED作為本次設(shè)計(jì)的顯示屏，具有較高的顯示清晰度，是使的測(cè)量結(jié)果別預(yù)計(jì)以更加容易控制。 CO2濃度測(cè)量的意義CO2濃度的測(cè)量具有重要的意義，CO2對(duì)于我們?nèi)擞幸欢ǖ囊螅绻鸆O2濃度過高對(duì)我們將會(huì)是一種危害，對(duì)我們的正常生活造成影響；但是CO2濃度對(duì)于對(duì)于職務(wù)也有一定的影響，不同的植物對(duì)CO2濃度的需求也是不一樣的，植物進(jìn)行光合作用吸收CO2 ，釋放氧氣的過程與CO2的濃度有著密切的聯(lián)系，針對(duì)不同的植物需要維持不同濃度的二氧化碳。所以測(cè)量空氣中的二氧化碳濃度有著極其重要的作用。圖31為系統(tǒng)的電源電路。，S1為電源開關(guān)，控制系統(tǒng)電源的通斷，D1為發(fā)光二極管，利用發(fā)光二極管的特性即具有單向?qū)ㄐ裕乐闺娫唇臃?，還可以作為電源指示燈。1K的電阻為限流電阻或者穩(wěn)流電阻，保證系統(tǒng)正常工作。本穩(wěn)壓電源可作為TTL電路或單片機(jī)電路的電源。圖 31 電源電路 AT89C51單片機(jī)介紹芯片AT89C51是Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS單片機(jī)，片內(nèi)含有4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和128bytes的隨即存取數(shù)字存儲(chǔ)器(RAM)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C51單片機(jī)性價(jià)比高，可靈活應(yīng)用于各種領(lǐng)域。AT89C51的主要性能參數(shù)如下：與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0Hz24MHz三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器128*8字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/O接口2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器6個(gè)中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式低工作電壓5VAT89C51單片機(jī)引腳圖如圖32所示。圖32 單片機(jī)引腳圖AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩個(gè)軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有不見工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。單片機(jī)最小系統(tǒng)有兩種，一種是上電復(fù)位，另一種是下拉復(fù)位。單片機(jī)最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對(duì)51系列單片機(jī)來說,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。如圖33所示。圖33 最小系統(tǒng)圖AT89C51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的篇外石英晶體或者陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路如圖34所示：圖34內(nèi)部震蕩電路外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路，對(duì)外接電容雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但是電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，電容使用30Pf，如使用陶瓷振蕩器電容使用40pF。電路也可以使用外部時(shí)鐘。這種情況下，外部時(shí)鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，引腳XTAL2則懸空。由于外部時(shí)鐘信號(hào)是通過一個(gè)2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的，所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒有特殊要求，但是最小高電平持續(xù)時(shí)間和最大電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。復(fù)位的作用是使程序自動(dòng)從0000H開始執(zhí)行，因此我們只要在AT89C51單片機(jī)的RST端加上一個(gè)高電平信號(hào)，并持續(xù)10ms以上即可，RST端接有一個(gè)上電復(fù)位電路，它是由一個(gè)小的電容和一個(gè)接地的電阻組成的。按鍵復(fù)位電路另外采用一個(gè)按鈕來給RST端加上高電平信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用放電型的進(jìn)行人工復(fù)位的電路，如圖35按鍵復(fù)位電路，上電時(shí)C3通過R2充電，維持寬度大于10ms的正脈沖，就可以完成復(fù)位操作。當(dāng)C3結(jié)束充電后，RST端出現(xiàn)低電平，這是CPU將正常的工作。在本次設(shè)計(jì)中如果需要按鍵進(jìn)行復(fù)位，就按下按鈕BUTTON3，C3通過BUTTON3和R2放電，RST端電位將會(huì)上升到高電平，從而實(shí)現(xiàn)人工復(fù)位，BUTTON3松開后C3重新充電，當(dāng)結(jié)束充電后，CPU將會(huì)重新工作。下圖中，R2是限流電阻，阻值不可以過大，否則不能起到復(fù)位作用。圖35復(fù)位電路 CO2檢測(cè)電路設(shè)計(jì)TGS4160在溫度為20℃177。2℃、濕度為65177。5％RH、177。、預(yù)熱時(shí)間為7天或大于7天的條件下，測(cè)得傳感器在濃度為350ppm中的EMF值是220～490mV，而ΔEMF在350～3500ppm的CO2濃度中的值是44～72mV，因此在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用電路中，要根據(jù)傳感器的特點(diǎn)要求，除使用高輸入阻抗（≥100GΩ）、低偏置電流（≤1pA）的運(yùn)算放大器外，還要對(duì)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行處理。處理該信號(hào)選擇使用費(fèi)加羅（FIGARO）公司的FIC98646專用處理器模塊,AM4模塊。 圖36二氧化碳濃度檢測(cè)電路AM4二氧化碳傳感器模塊，則可直接應(yīng)用于二氧化碳?xì)怏w監(jiān)測(cè)。該模塊內(nèi)部帶有A/D轉(zhuǎn)換器，并已對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采樣并作了處理。它輸出的電壓信號(hào)與二氧化碳濃度值呈線性關(guān)系，輸出的電壓信號(hào)為0～，相當(dāng)于0～3000ppm的二氧化碳濃度。AM4模塊的輸出電壓為0～3V，需要經(jīng)過放大處理變?yōu)?～5V傳送給A/D轉(zhuǎn)化器，才能為單片機(jī)傳送更為準(zhǔn)確的數(shù)字信號(hào)。如圖36所示。若CO2濃度參數(shù)超標(biāo)時(shí)，則啟動(dòng)聲光報(bào)警電路，同時(shí)單片機(jī)通過控制固態(tài)繼電器來打開相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工作人員也可以根據(jù)此情況來查看相應(yīng)的區(qū)域或者采取相應(yīng)的措施。 報(bào)警電路中光報(bào)警采用發(fā)光二極管，聲報(bào)警采用蜂鳴器來設(shè)計(jì)，采用兩個(gè)引腳控制。其中，蜂鳴器電路中，9013三極管起開關(guān)作用，輸出高電平時(shí)，管腳輸出電壓VOH==，輸出電流I=1mA，經(jīng)過2K限流電阻R分壓后，使得三極管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，晶體管導(dǎo)通，蜂鳴器上電而產(chǎn)生報(bào)警聲。對(duì)與發(fā)光二極管，必須采用限流電阻，否則會(huì)是二極管電流過大而燒壞。，即可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。其硬件電路如圖37所示。圖37 報(bào)警電路在單片機(jī)系統(tǒng)中，一般的數(shù)據(jù)顯示終端有兩大類：一是采用LED數(shù)碼管顯示，二是采用LCD顯示。LED顯示亮度高，但每只數(shù)碼管只顯示一位字符，顯示的數(shù)據(jù)位數(shù)多時(shí)就需要較多的數(shù)碼管。顯示電路采用了7段共陰數(shù)碼管掃描電路，節(jié)約了單片機(jī)的輸出端口，便于程序的編寫。顯示電路如圖38所示。