摘 要：本论文讲述了室内二氧化碳浓度监控教具开发过程中遇到的技术问题及解决方案。这个教具的主体部分采用的是模拟型电路，实现了以电化学方式信号采集、放大和空气调节系统（新风）模拟；附属部分采用的是数字型电路，实现了红外信号采集，通信（含传输协议转换）和电脑端调试（重点在于数据数制转换）。本论文主要呈现的是：传感器初步研究与选型，电化学传感器基本研究，光耦合隔离放大器的应用，继电器驱动器的功率实质初探；调试软件的简析，数制转换软件的核心算法和实现研究。
关键词：二氧化碳浓度；电化学；数制转换；光耦合隔离放大器；继电器驱动器
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）23-0213-03
在国家级环保策略的大背景下，基于国际国内相关领域研究的前提下，自我开发加之某杯赛课题的强化下，本人开发了室内二氧化碳浓度监控教具（其外观参见图1装置主视图）。
该教具的主体部分是模拟类型的电路：它是以电化学传感器感知的二氧化碳浓度指标为输入，并且将此指标时时和调定值比较，一旦大于或等于调定值且保持3～5秒时，负载继电器动作，以驱动声光报警和风扇（新、排风扇各一）运转（模拟空调新风系统）；该教具的辅助部分是以数字类型的电路：它是以红外传感器感知的二氧化碳浓度为指标，经过采集、传输（TTL转USB协议）和调试三级软件，得以在电脑端调试和显示。
1 模拟电路开发要点
该教具主体部分系模拟电路类型，采取信号源及信号采集端，放大控制级和负载界三级电路，具体参见图2模拟电路原理图。
放大控制级电路采取三级放大设计，前级放大和传感器集成在一起，中级是一个独立的光耦合隔离放大器，末级放大器集成于继电器驱动器内。具体参见图3模拟电路三级放大原理图：
1.1 传感器相关领域初步研究及选型
经初步研究，本教具可能使用的传感器至少有：金属氧化物半导体式传感器，催化燃烧式传感器，定电位电解式气体传感器，PID光离子化气体传感器，迦伐尼电池式氧气传感器，红外式传感器等六类。在比对各自的优缺点以后（兼顾成本考量），选定带有以金电极作为参考电极的热堆反应式金属氧化物传感器作为模拟电路传感器；以红外热堆式传感器作为数字电路的传感器。
其电化学传感器工作原理是：利用两种不同的氢前金属氧化物氧化锂和氧化钠，在被加热的情况下，氧化钠和空气中的氧气不停的化合后再分解；由于金属单质活泼性差异（钠较锂更活泼）。促使氧化钠更快的和氧气反应（俗称此现象为“夺氧”）。所以，氧化锂被迫的和二氧化碳反应，生成碳酸盐，当然，也是不停的进行化合和分解。这两个反应都是一种动态的平衡，总计产出物是4摩尔的电子。离子反应方程式如下：
就是这些释放出来的电子构成了最初始的信号，并和二氧化碳浓度相关（注意是负相关），而后续电路都是基于此特性进行设计（实际拿到的传感器是一个集传感器、放大器在一起的集成器件，并有相关电位器以供相关参数调节）。
后者，数字电路所用的红外传感器的原理见本文第二章 数字电路开发要点。
1.2 隔离放大器的应用
本装置采用的是光耦型隔离放大器。光耦的基本原理参照图4中的信号放大隔离器。其中，左边的是光源，比如发光二极管，用于信号的发射；右边是光敏元件，用于光信号的接收，比如光敏三极管。我们把需要进行阻抗匹配的前后两级电路称为前级和后级。前级视为信号采集端，光源发光强度随输入信号的强弱（本电路中传感器的初始信号已经前级放大器放大，所以说传感器的输出作为隔离器的输入）而进行线性的变化，后级光敏元件的输出电流也就同步随之变化。后续电路对光敏原件的电流变化进行一些列的处理（为更适合与后续继电器驱动器相匹配，所以本隔离器为线性型电压输出式）。可见，光耦型隔离器实现了电-光-电的转换，具有抗干扰和较为容易的使得前后级“回避”了电气阻抗匹配的问题。
1.3 继电器驱动器的功率实质初探
本电路中所采用的继电器驱动器是光耦合型的，原理上和前级的光耦型隔离放大器是一样的，只不过，继电器驱动器的功率较大一些，且执行继电器和驱动器集成在一起。
但，也不能用它的继电器直接作为负载的执行元件。本装置的设计是，仍然将这个继电器作为控制元件，再加载个触点容量更大的继电器。这么设计不是冗余，而是处于安全考虑或者说是减少一旦出现过载的情况下，保护成本较高的元器件，以降低损失成本，且维修更方便（拆装导轨上的继电器比修理继电器驱动器线路板方便得多）。
另，在调整继电器工作点时候发现：继电器驱动器的调节是电压、电流的综合指标。电压、电流为二元变量，在一个方程之下有无数组解（当然，实际值的范围也不会太大，基本上在以额定电压值为基准上下一定范围内浮动）。其实，就是功率调节。具体表现为在额定电压的上下一個范围内浮动，电流也随之线性的变化（反比）。但是，在调节的时候不允许出现电流的反向流动。
2 数字电路开发要点
本装置的数字电路部分完成的是二氧化碳浓度值的显示功能。显示的方式有16进制和10进制两种；而根据使用装置操作的人员权限管理需求，则将软件区分为供管理员调试用的和实验员观察用的两个软件，前者功能较多，后者功能较少。
整体部署策略：对红外传感器感知的信号指标进行时时采集，放大和模数转化，以异步串行方式（NART）传输给下级（接口为TTL门电压）；下一级是用CP2102将传输协议转化为通用串行接口（即USB）协议，以供PC端调节和显示（16进制转10进制的数制转化语句是本文陈述的重点，会同时给出Delphi和Arduino两种语言的核心算法语句）。
2.1 红外传感器原理与应用
首先，每一种物质（物体）都有自己的固有频率，其只能反射或称谐振相同频率（波长）的入射波谱，这就使得波谱检测法成为可能。目前常用的检测方式有色散和非色散两类。结合本装置的需求和实际情况，采用非色散型热电极红外传感器。
其次，该传感器的组件部署包括：公共宽频谱红外光源，滤波器（片）（波长有区别），被测物（二氧化碳气体），热态光敏电极（热堆）。
最后，就是工作原理。概括来说就是通过不同中心波长的滤波片构成两套不同的光路：一套是方便二氧化碳与红外线产生最大几率谐振的通路，即“信号采集”通路（滤波片中心波长4260nm）（这个波长是出于二氧化碳吸收红外最大几率（97%））；另外一套是反过来，即产生最小几率谐振的通路，为“信号基准”通路（滤波片中心波长3910nm）（同时此波长也是过滤到最大的干扰源水蒸气的干扰）[1]。
2.2 数制转换软件的核心算法和实现
模拟电路有通、断；数字电路有1、0（虽然描述不同，但同样都是两态逻辑）。这就是二进制的根源。计算机作为模拟和数字（主要是数字电路）的典型集成也不例外的采用2进制。但，计算机物理层的2进制数据有时候在逻辑层表示起来很长，所以就取23即8进制、24即16进制等表示。不过，人类社会目前普遍采用的多为10进制，少数也有12进制等但都和2进制不一致。这就产生了用户界面上的一个矛盾或者说是需求：数制转换（本装置所说的数制转换专指二氧化碳浓度16进制数值转化并显示为10进制数值）。
首先，我們先研究一下传感器输出的16进制数据结构。请参照以下表格1（以最大量程5000ppm传感器所感知的二氧化碳浓度数据为例）：
根据数学模运算原则，建立16进制高、低位对应10进制的公式为：
将范例表格中16进制的018D的数值带入后得到对应的10进制数值则为：
如果此时的需求是基于单板机的，且编程语言为Arduino的话，其数值转换的核心语句参考如下：
{DEC1=comdata[2]；
DEC2=comdata[3]；
int o3val=DEC1*256+DEC2；}
如果此时的需求是基于PC机的，且编程语言为Delphi的话，其数值转换的核心语句参考如下（Delphi语言已经将前面的模运算固化而通过中间函数调用了）：
begin
move（buffer^，pchar（@receivebuf）^，bufferlength）；
for i：=0 to bufferlength-1 do
receivestring：=receivestring+inttohex（receivebuf[i]，2）；
CO2Values：=StrToInt（"$"+MidStr（receivestring，5，4））；
2.3 调试软件简析
2.3.1 零点校验
传感器出厂前都进行了硬件标定，一般6个月内正常使用的前提下，无需再标定，但平时使用时，每天通过软件进行一下0点校准还是必要的。
零点校验的指令：参照厂家产品手册；
2.3.2 读取指令
获得数据的方式一般有主动上传、问答上传和问答读取三种类型。这里采用的是问答读取式（具体的读取的指令：参照厂家产品手册）。
2.3.3 返回数值
返回数值的格式参见前述表1。
2.3.4 界面操作
根据用户权限管理的需求，我们提供管理员和实验员两种不同级别的操作权限，前者是可以操作所有指令的，即可读可写（所谓写就是指允许想前端发送指令）；后者是只能是读取和保存，或简单地说就是只读。
（1）管理员操作。管理员在调试时候首先要确定外接组件和电脑端的端口号（即COM口号），允许用操作界面选择，有指示灯协助判定。端口号确定以后，要调试一下参数：波特率9600，数据8，校验位：无，停止位：1，发送周期：1000ms。然后注意：数制先选16进制，观察相应二氧化碳浓度高地位数值（参见表1说明），然后通过计算器计算转化的10进制是否正确（和实验员界面进行比较）；发送方式：先选只轮发一次，以便调试时间比较充裕，然后再选择：收到回答后发下一帧。最后，将检验指令输入发送区1，将读取指令输入至发送区2。点击手动发送，观察发送值；校验成功后，点击发送区1的“清空按钮”清除检验指令；然后，点击发送去2的“手动发送”，发出读取指令，观察发送数值，正常后，改选为自动轮发模式。一切正常后，保存和调取数据，判断是否正常。
（2）实验员操作。在通过管理员界面调试时候，同时也观察实验员界面的显示是否同步和一致。一切正常后，关闭管理员界面。通过实验员操作界面保存和调取数据，观察是否正常。正常后，清空数据，观察是否有效。
3 工艺开发要点
工艺设计的原则底线是：以安全为底线，方便为目的，即各类行政技术标准做加法，机电特性需求做减法（比如后面将要说的感性负载的保护性时延）。其他的人为需求都不得抵触安全原则。
3.1 工作点的调整
采取先前级在后级的原则，即传感器、隔离器和继电器驱动器。其中，继电器驱动器的调节是电压、电流的综合指标。电压与电流构成二元变量，在一个方程之下有无数组解（当然，实际值的范围也不会太大，基本上在以额定电压值为基准上下一定范围内浮动）。其实，就是功率调节。具体表现为在额定电压的上下一个范围内浮动，电流也随之线性的变化（反比）。但是，在调节的时候不允许出现电流的反向流动。
3.2 安全规范与标准
（1）相关技术标准来自于疾控部门。一般讲，对于机构件，凡金属材料，一般推荐的以医用不锈钢为主。而本装置的选材原则是：至少保证是不锈钢材料，比如机箱钢板、按钮外壳等；另外，考虑到尽量减小对于某些电气元件的核磁、电磁特性，如电源模块中变压器的磁钢，继电器中的吸合零件等的干扰，最终选用弱磁性不锈钢板制作机箱；不过，处于便于实验操作和收纳物品，声光报警器选用的是磁吸式，则根据机械尺寸，设计了一个中等磁性的法兰盘，专供报警器在实验状态下定位；
（2）电气机箱行业相关规范。一般讲，箱内零部件，至少故障率相对高的采用导轨式安装，以便安装维修过程中的拆卸；
（3）国家国际强制标准。一般，是强电元件之国家、国际强制标准；近年，由于材料环保要求也在逐步加强。本装置在选材时候，是要求零件制造厂家书面提供第三方证书、报告。本装置涉及的有：选择具有第三方检测机构报告、电源线和插座（主要是强电部分，但弱电部分也不是不考虑，比如热堆式传感器工作温升较高，信号又较弱，所以，就选择镀银导体加特氟龙外被的导线作为传输线）；尽可能选择具有第三方检测机构报告的环保材料，如环保电池盒；采用密封性好，机械稳固性高遵循航空行业标准的不锈钢插头作为负载输出接口等。另外，前面提到的两级继电器设计，也是处于安全考量（总负载功率要小于继电器触点容量，或称留有一定的安全系数）。
3.3 其它需求
（1）操作友好（从事与劳动保护领域（国外称为人体工程学））：为方便教具实验状态方便人员操作（拟定以坐姿为主），机箱结构设计为卧式；
（2）合理的冗余控制：考虑到本装置是校园内实验室中所使用的教具，所以在声光报警器的声音报警线路里串联了一个开关，即最大限度的减少噪音干扰。当然，在真正的工业控制应用中而非目前的实验室教具应用中，则严禁加增此类开关（甚至于用户提出有人员值班也不可以）。
参考文献