摘要：环境及污染源排放二氧化碳的直接测量是核算和评估等工作的基础和数据支撑。采用 STM32 开发板、 MEMS 二氧化碳传感 器、 OLED 显示屏， HC-14 无线串口以及 LabVIEW 上位机等软、硬件， 搭建了便携式二氧化碳传感系统; 基于 Keil5 软件编写环 境， 编写了适用于该硬件系统的数据采集和显示报警软件， 并在 JF02F 气敏传感器测试系统中进行测试。结果表明， 该系统达到 了实时环境二氧化碳监测、显示和报警的目的， 实现了 0.04%~6% 量程的检测能力， 具有体积小， 误差低的优势， 为二氧化碳检 测提供了技术路线参考。

　　关键词：空气污染; MEMS; 二氧化碳; STM32

　　Data Acquisition System Construction Based on MEMS Carbon Dioxide Sensor

　　Lu Wenqiang1 ，Yang Jining1 ，Dong Yu2 ，Yu Quan2 ，Li Fuyao2 ，Wen Wanwei2

　　( 1. Chongqing Institute of Engineering, Chongqing 400056. China;

　　2. Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714. China)

　　Abstract: The direct measurement of carbon dioxide emissions from environmental and pollution sources is the basis and data support for accounting and evaluation. A portable CO2 sensing system is built by using STM32 development board, MEMS carbon dioxide sensor, OLED display, HC-4 wireless serial port and LabVIEW host computer. Based on the Keil5 software writing environment, the data acquisition and display alarm software suitable for this hardware system is written,and and is tested in JF02 F gas sensor test system. The results show that the purpose of real-time environmental carbon dioxide monitoring, display and alarm are achieved, the detection capability of 0.04%~6% range is realized, which is provides a good technical route reference for carbon dioxide detection.

　　Key words: air pollution; MEMS; carbon dioxide; STM32

　　引言

　　“碳达峰/碳中和”的国家战略将带动部分公司业务 增长。随着“碳达峰/碳中和”成为国家战略， 各部委以 及各省市将在未来一段时间内实施。中国是世界上最大 的二氧化碳排放国， 2019 年总排放量为 98.26 亿 t ， 占世 界的 29%， 分别是美国和欧盟的 2 倍和 3 倍[1]。从二氧化 碳来源来看， 能源生产和供暖是我国最重要的二氧化碳 排放源， 占总排放量的 51%; 制造业与建筑业是第二大 来源， 占比 28%。其中发电与供热以煤炭为主要能源[2]。 国内红外吸收型 CO2 气体传感器研究的起步较晚， 目前 国内生产和使用的传感器主要是固体电解质式、钛酸钡 复合氧化物电容式、电导变化型厚膜式等， 这些传感器 存在很多不足之处， 如对气体选择性差、容易出现误报， 并且系统需要频繁校准， 使用寿命短等缺点[3]。国内红 外 CO2 气体传感器技术尚不成熟， 根据 《传感器世界》 的报道， 我国非分光红外(NDIR)气体传感器技术的研 究在 2005 年才取得了新进展， 但是其关键元件仍然需要 进口[4]。我国每年需要的近 10 000 套尾气分析仪核心传感 器 都 需 要 从 国 外 进 口 ， 用 于 连 续 污 染 物 监 测 系 统 CEMS 的关键分析部件国产率也很低， 国内用于麻醉无 创监护的呼气 CO2 气体传感器， 以及用于安全监测领域 的红外瓦斯传感器和红外可燃气体变送器的技术研究还 不是很成熟[5]。气体测量技术在国内无论是利用新技术 改造传统产业还是替代进口产品， 都具有明显的应用范 围，且具有经济效益和社会效益优势[6]。

　　二氧化碳监测仪器将向高质量、多功能、集成化、 自动化、系统化和智能化方向发展， 而其检测的方向将 是物理、化学、生物、电子、光学等技术综合应用的高 技术领域[7]。目前环境检测开始采用单片机或者 PLC 为 系统核心，组成多功能检测系统，从而实现对环境高效、 快速、精确、集成化、智能化的检测要求[8]。

　　20 世纪 80 年代初， 法国研制出 LEL-5610 防爆红外 CO2 气体测量仪， 可用于爆炸等危险环境中 CO2 气体的测 量，测量范围为 0~0.1%，零漂小于 3% (无积累)， 响应 时间为 8 s， 重复性优于 2%， 输出为 4～20 mA。该测量 仪采用敞开式气室， 直接接触所测量气体， 具有自测量功能， 可消除零漂[9] ;在测量过程中， 对红外光源老化、 探测器老化、镜头堆积灰尘引起的误差自动补偿， 仪器 设计能够满足井下恶劣环境的要求， 可与监控系统连接， 与测量系统连接时， 电阻负载小于 400 Ω, 能对矿井大 气中的 CO2 进行测量[10]。

　　哈尔滨理工大学基于超声波相位差法开发了二氧化 碳浓度检测系统， 对二氧化碳浓度与环境温度、湿度及 相位差之间的关系进行了理论分析， 建立了数据处理和 精度补偿的数学模型。完成了超声波驱动电路、信号调 理电路、相位差检测电路、单片机系统及外围电路、信 号输出电路和电源电路等硬件电路设计。还进行了环境 温度和湿度影响实验研究和误差分析， 对完成的检测系 统进行了测试。实验结果表明， 该测量方法在浓度测量 范围很大时具有较高的精度[11]。

　　本文的最终目标是经由过程单片机与数字控制手艺 相结合而实现对二氧化碳的检测于一体的情况检测体系。 这类检测体系具备制造成本低廉、操作简略而测试精度 高、表现迅捷等优点。通过分析、对比市面上主要的主 制芯片和传感器， 本系统基于单片机为系统控制主体， 采取 OLED 显示屏、 LabVIEW 上位机显示和蜂鸣报警， 实现高效的二氧化碳浓度检测功效。

　　本文以 STM32f1c8t6 系列单片机为核心设计了 CO2 浓 度监测系统， 直接读取二氧化碳的浓度数据， 削减了外 围采集电路， 减少系统体积， 实现主机对采集的二氧化 碳浓度数据进行处理与判定。对于不同型号的单片机只 需要修改相应的单片机对应地址。该软、硬件系统具备 良好的通用性和较高的实际应用价值。

　　1 系统总体设计

　　该系统以 STM32f1c8t6 为核心， 主要由 MEMS 气体传 感器模块、报警模块、液晶显示模块和上位机组成。系 统总体设计结构如图 1 所示。

　　2 系统硬件设计

　　系统硬件主要由 STM32f103c8t6 单片机及其外围模 块、气体传感器模块、 OLED 液晶显示模块、报警模块、 无线串口模块等组成。

　　2.1 气体传感器模块

　　SGP30 是一款单一芯片上具有多个传感元件的金属 氧化物室内气体传感器， 内部集成 4 个气体传感元件，具备完全校准的空气质量输出信号， 主要是对空气的质 量进行检测， 可以输出 CO2 浓度量程 0.04%~6%。

　　SGP30 的 传 感 (MEMS) 部 分 基 于 金 属 氧 化 物 (MOx )纳米颗粒的加热膜。通过气敏材料上的金属氧化 物颗粒上吸附的氧气与目标气体产生反应， 而释放出电 子。这致使由传感器测量的金属氧化物层的电阻产生转 变。简而言之， 还原性气体的出现造成气敏材料表面氧 浓度降低， 改变了半导体的电阻(或电导率)。后续通过 电路(ASIC) 部分对电阻进行检测、信号处理与转换 等， 最终获取到气体值。其中 MEMS 为 MEMS 传感器， Hotplate T-Sensor 为温度传感器， Heater Controller 为加热 控制器， Analog Frontend 为模拟前端， On-Chip Memory 为片上内存， System Controller 为系统控制器， Signal Pro ‐ cessing 为信号处理模块， I2C Interface 为 I2C 接口， VDDH 和 VDD 为 供 电 电 源 ， VSS 为 接 地 ， SDA 为 信 号 数 据 ， SCL 为 I2C 驱动时钟。 SGP30 气体传感器模块功能框图 如 图 2 所示。

　　SGP30 气体传感器模块功能框图如图 3 所示， 其中 VDD 和 VDDH 为整个传感器外设的供电电源， VSS 和 R 为接地， SDA 为传感器的信号数据， SCL 为传感器驱动 时钟。

　　2.2 单片机模块

　　STM32F103C8 系列使用高性能的 ARM® Cortex ™ - M3 32 位的 RISC 内核， 工作频率为 72 MHz， 内置高速存 储器(高达 128 KB 的闪存和 20 KB 的 SRAM)， 丰富的增 强 I/O 端口和联接到两条 APB 总线的外设[12] ;所有型号 的器件都包含 2 个 12 位的 ADC 、3 个通用 16 位定时器和 1 个 PWM 定时器， 还包含标准和先进的通信接口： 多达2 个 I2C 接口和 SPI 接口、 3 个 USART 接口、 1 个 USB 接口 和 1 个 CAN 接口[13] 。STM32F103 系列产品供电电压为 2.0 ~ 3.6 V， 包含-40～ 85 ℃温度范围和-40～ 105 ℃的扩展 温度范围，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求[14]。 STM32f103c8t6 最小系统及液晶接口电路图如图 4 所示。

　　除了新增功能增强外设接口外， STM32 互联络列还 提供与其他 STM32 单片机相同的规范接口。这类外围通 用性提高了全部产品系列的应用灵敏性， 使开发工作人 员能够在多个设计中重复采用相同的软件。新 STM32 的 规范外设包括 10 个定时器、 2 个 12 位 1-msample/s 模数 转换器(交织模式下 2-msample/s)、 2 个 12 位模数转换 器、 2 个 I2C 接口、 5 个 USART 接口和 3 个 SPI端口;新产 品的外设有 12 个 DMA 通道和 1 个 CRC计算单元; 与其他 STM32 微控制器一样， 它支持 96 位唯一识别码[15]。

　　2.3 报警模块

　　当系统的测量结果超过报警值时， 会进行报警。系 统的报警装置有蜂鸣器报警， 所以当蜂鸣器正极高电平 时， 三极管 B‐E 极获得正向偏置， 使三极管达到饱和状 态，从而使蜂鸣器鸣响， 实现系统的报警功能[16]。

　　2.4 无线串口模块

　　如图 5 所示， 采用 HC-14 无线串口模块与 LabVIEW 上位机进行通信， HC-14 无线串口通信模块是新一代的 多通道嵌入式无线数据传输模块。无线工作频段为 434 MHz 频段， 可设置多达 50 个通信信道。模块最大发射功 率为 100 mW(20 dBm)， 采用先进的 LoRa 技术，无线速 率 S1 下接收灵敏度为-140 dBm， 开阔地 3 000 m 的通信 距离。模块采用邮票孔封装方式，可贴片焊接，模块尺寸 为 27.4 mm×15.6 mm×4 mm(包括天线帽， 不包括弹簧天 线)， 便于客户嵌入应用系统内。模块上有 PCB 天线座 ANT1.用户可以经由同轴线使用 434 MHz 频段的外接天 线[17] ;模块内也存在天线焊接孔 ANT2.使用户焊接弹簧 天线更加便利。用户可以根据使用要求， 选择其中 1 种 天线(只能选择其中 1 种天线， 不能同时接 2 种天线)。 模块内部含有 MCU，使用户使用更加方便， 无需对模块 进行另外的编程，各种透传模式只收发串口数据即可[18]。

　　产品特点：

　　( 1 )LoRa 技术远距离无线传输(开阔地 3 000 m/无 线速率 S1下);

　　(2)工作频率范围415～450 MHz ，50个通信频道;

　　(3) 内置 MCU， 通过串口和外部设备进行通信， 支 持 1 200~115 200 多种串口波特率。软件开发流程如图 6 所示。

　　3 系统软件设计

　　本文设计开发环境是在 Keil5 的基础上， 采用 C 语言 进行代码编写。

　　3.1 气体采集转换程序设计

　　根据要求采用 MEMS 气体传感器 sgp30.通过阅读用 户手册了解气体感器的特性。按照气体传感器的特性， 设计采用 I2C 进行通信。首先 GPIO 和 IIC 初始化， 设置 IIC 数据线的输出模式和 IIC 数据线的输入模式。生成 IIC 起始信号、 IIC 停止信号、 IIC 等待应答信号(返回值： 1 ，接收应答失败; 0. 接收应答成功)、 IIC 产生应答信 号和 IIC 不产生应答信号。就能实现通过 IIC 读取一个字 节[19]。再通过驱动代码设置传感器检测功能与串口。数 据采集流程如图 7 所示。

　　3.2 LabVIEW 上位机程序设计

　　本系统通过 visa 配置串口。配置的主要内容有 visa 资源名称、波特率、数据比特、奇偶校验、检验代码 1 的个数、流控制。程序框图如图 8 所示。

　　写入串口： 创建一个用于发送的循环， 加上一个发 送数据的窗口。读取操作： 加入一个反馈节点， 以防止 一些发送过来的数据读取不到。数值转换： 将读取的字 符串转换为数值。示波器： 将数据链接到示波器， 生成 波形图。前面板如图 9 所示。

　　将硬件正确连接后， 烧录程序运行检测系统。首先 进行系统初始化操作， 等待 5 min，保证传感器工作稳定 后将系统置于标准大气中进行校准， 待其稳定后置于待 测环境中， 检测仪即可稳定工作[20-21]。检测仪利用 ST ‐ Mf103 单片机内部 IIC 总线输出的电压信号， 通过拟合出 的函数关系进行数据处理， 得到 CO2 浓度值， 最后由 OLED 液晶显示 。将信号由无线串口模块发送到 Lab ‐ VIEW 的上位机， 得到二氧化碳浓度变化的波形图。当 CO2 浓度值大于预设报警值时报警。

　　4 实验结果和讨论

　　对整机进行调试后， 对传感器模块进行吹气实验， 能观察到系统检测到的二氧化碳浓度明显上升。

　　将系统置于 JF02F 气敏传感器测试系统中进行测试， JF02F 气敏传感器测试系统采用计算机控制下的动态配 气方式实现对传感器各类相关性能指标的测试， 消除了 传统静态配气带来的方法误差， 借助内置的多项实验方 法， 能快速地完成气敏材料和元器件的静态、动态参数检测， 协助进行气敏材料的特性研究、工艺开发和器件 生产中生产检验和质量控制。整套测试系统由计算机、 测试机箱、配气机箱、检测气室(检测模块) 等组成， 检测对象覆盖目前常用气敏传感器和气敏材料， 如金属 氧化物半导体气敏传感、热催化式传感、光催化式传 感、 电化学传感、 MEMS 气敏、氧化锆氧传感、生物传 感、有机材料传感、光电式传感等， 通过配用不同的检 测气室(模块)， 可以快速进行切换和测量。测试系统界 面和系统测试实物图如图 10 所示。

　　将传感器置于 JF02F 气敏传感器测试系统的金属氧 化物器件检测气室中。通入氮气， 等待气体充满气室， 观察上位机的波形， 如图 11 所示。由图可知， 二氧化碳 浓度检测结果在 0.04% 左右， 结合传感器用户手册可以 得到传感器的最小量程为 0.04% 的结论。

　　再通入二氧化碳气体， 2 min 后上位机波形如图 12 所示。由图可知， 二氧化碳浓度呈线性增长， 上升响应 时间约为 30 s。

　　2 min 后， 再次通入氮气， 上位机波形如图 13 所示。 由图可知， 二氧化碳浓度呈线性下降， 下降响应时间约 为 100 s。

　　充入组份含量为 500×10-6 mol 的二氧化碳标准气体， 等待气体充满气室后， 观察上位机的波形图， 测试结果 如 图 14 所 示 。 由 图 可 知 ， 该 系 统 在 二 氧 化 碳 浓 度 为 0.05% 的环境下，检测的结果在 0.049 0%～0.051 5%，误 差为±0.03%。导致误差的原因： 气体流速、温度、气室 气密性。系统实物如图 15 所示。

　　5 结束语

　　二氧化碳检测在农业、工业、矿业、医药及环境保 护领域有着广泛的应用。本文基于 STM32 设计了二氧化 碳识别检测系统。用户可直接在系统显示屏上观察数据， 也可以在 LabVIEW 上位机上直观地观察气体浓度变换的 波形图。使用 CEMS(连续排放监测系统) 可对二氧化 碳排放量直接进行监测， 能够测量烟气流速、二氧化碳 浓度和湿度等， 结果准确性相对更高。我国虽然已经大 范围应用连续排放监测系统监测大气污染物， 但碳排放 监测系统仍未大规模展开应用，甚至处于发展初始阶段;我国的二氧化碳监测仍以核算法为主， 与国外实施水平 差异较大。

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