CO是卷煙煙氣中的主要化學(xué)成分，是許多煙草成分(如淀粉、纖維素、糖、羧酸、脂、氨基酸等)通過熱分解和燃燒而形成的[1]。CO作為卷煙煙氣中的常規(guī)有害成分，其含量以毫克(mg)/支表示。目前，在煙草行業(yè)中對卷煙煙氣中一氧化碳含量的測定主要采用基于非分光紅外法的CO氣體濃度分析儀。該類設(shè)備體積大，價格昂貴。

　　本文介紹一種卷煙煙氣的CO濃度檢測裝置設(shè)計。采用了高精度、快速響應(yīng)、基于非分光紅外法原理的傳感器模塊，配合控制電路和人機交互界面進行控制。裝置成本遠低于CO分析儀，且體積小巧，操作簡單，在試驗中取得了良好的效果。

　　1 非分光紅外法測量氣體濃度原理

　　許多氣體(如CO、CO2、CH4等)會對紅外光進行有選擇的吸收。當(dāng)紅外光通過被測氣體時，光子作用于氣體分子，氣體分子吸收光子的能量，從低能級躍遷至高能級，并且只吸收那些能量剛好可以使它們完成能級躍遷的光子[2]。宏觀表現(xiàn)為紅外光的強度在通過被測氣體后，其光譜的特定頻率會有一定量的衰減。光強衰減程度反應(yīng)了氣體濃度的大小，而不同的氣體分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致上述現(xiàn)象在不同頻率的紅外光譜上產(chǎn)生[3]。

　　通過分析特定頻率紅外光通過被測氣體后光強的衰減程度就可以得知該被測氣體的種類和濃度水平。相比傳統(tǒng)的電化學(xué)法和化學(xué)傳感器法，采用非分光紅外法測量氣體濃度具有測量范圍寬、靈敏度高、使用壽命長、安全可靠、適用于在線測量等優(yōu)點[4]。

　　2 Gascard NG紅外氣體傳感器

　　Gascard NG紅外氣體傳感器由愛丁堡儀器公司設(shè)計，其光學(xué)部分包括：1個穩(wěn)定的紅外光源，1個氣體樣品室（以下簡稱氣室），2個紅外濾光片和1個與之匹配的雙像元探測器傳感器探頭。光學(xué)部分與信號處理電路集成在一塊電路板上，方便進行系統(tǒng)集成。該傳感器具有測量范圍寬、長期穩(wěn)定、精度高、卓越的重復(fù)性和可靠性等特點[5]。該模塊具有壓力和溫度自動校準功能，通過對氣體樣品室內(nèi)溫度和壓力進行實時測量，保證氣體濃度讀數(shù)的真實性和可靠性，且提供模擬量輸出和RS232通信接口。本裝置設(shè)計所選用的Gascard NG紅外氣體傳感器參數(shù)如表1所示。

3 檢測裝置設(shè)計

　　3.1 總體設(shè)計

　　如圖1所示，裝置由煙氣采樣和控制電路兩個主要部分構(gòu)成。煙氣采樣部分包括集氣袋、過濾裝置、氣體流量計、Gascard NG紅外氣體傳感器模塊集成的氣室、微型真空氣泵和廢氣處理排放單元。首先，使用集氣袋收集一定量的卷煙煙氣；微型真空氣泵產(chǎn)生負壓將煙氣從集氣袋中吸出，經(jīng)過過濾裝置濾除煙氣中的粒相物、焦油和水分，再通過氣體流量計進入氣室；煙氣在氣室中由傳感器進行分析，最后通過廢氣處理單元處理后排入大氣。

　　控制電路部分的功能：(1)與Gascard NG紅外氣體傳感器進行通信，接收到檢測結(jié)果數(shù)據(jù)后在人機交互界面進行顯示；(2)通過人機交互界面的控制按鈕對裝置進行功能控制，如控制微型真空氣泵的啟動或停止，從而決定是否進行氣體采樣；(3)向傳感器發(fā)送指令，控制進行參數(shù)校準、調(diào)零等功能。

　　3.2 硬件設(shè)計

　　硬件設(shè)計主要是以STM32F103RET6微控制器為核心的數(shù)字電路設(shè)計。該款微控制器屬于意法半導(dǎo)體公司(ST Microelectronics)的STM32系列產(chǎn)品，具有32位Cortex-M3內(nèi)核，時鐘頻率最高可達72 MHz，指令速度接近80 MIPS；擁有512 KB程序存儲器(Flash)和64 KB隨機存儲器（RAM）[6]。同時還集成了多種功能模塊，包括多個定時器(TIM)、多功能串行接口(USART、I2C、SPI)、12位ADC和DAC、看門狗定時器、USB和CAN總線接口等。

　　圖2為檢測裝置硬件電路總體設(shè)計框圖，微控制器通過USART1接口與Gascard NG紅外氣體傳感器進行通信，完成指令下發(fā)和數(shù)據(jù)接收任務(wù)。選擇基于脈寬調(diào)制調(diào)速技術(shù)的微型真空氣泵，將定時器TIM2配置為PWM輸出模式，控制氣泵內(nèi)無刷電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)氣體采樣速率在一定范圍內(nèi)可調(diào)。選用帶有串行接口的工業(yè)彩色觸摸屏作為人機交互界面載體，顯示測量數(shù)據(jù)并接收來自用戶的控制指令。微控制器具體硬件連接如圖3所示。

　　STM32F103RET6微控制器使用JTAG接口作為程序下載、調(diào)試的通道。由于JTAG各端口在芯片內(nèi)部已經(jīng)連接上拉電阻，所以只需將JTAG插座引腳直接連接至微控制器相應(yīng)引腳即可。微控制器的復(fù)位引腳為下拉復(fù)位，即以復(fù)位引腳上檢測到的電平下降沿作為復(fù)位信號。按下按鈕K1時，硬件系統(tǒng)復(fù)位；否則由電阻R8拉至高電平。JTAG接口及復(fù)位電路如圖4所示。

　　裝置采用24 V直流電源供電，Gascard NG紅外氣體傳感器和微型真空氣泵直接使用24 V直流電源驅(qū)動。圖5所示電路原理圖中，LM2576為單片開關(guān)型降壓穩(wěn)壓芯片，可保證3 A的輸出電流；AMS1117-3.3為固定輸出電壓3.3 V的低壓降線性穩(wěn)壓器。先將24 V直流電降壓至5 V直流作為串口觸摸顯示屏的工作電源；再將5 V直流電通過AMS1117-3.3 V穩(wěn)壓至3.3 V作為微控制器及其他數(shù)字電路芯片的電源。

　　使用STM32F103RET6微控制器內(nèi)置的2個串行同步/異步收發(fā)器USART1和USART2。其引腳通過MAX3232芯片完成串口電平轉(zhuǎn)換后分別與Gascard NG紅外氣體傳感器和串口觸摸顯示屏進行連接[7]，如圖6所示。

　　配置芯片PB6端口為微型真空泵電源使能控制端口，PA1為PWM信號輸出端口，如圖7所示。通過這兩個端口可以實現(xiàn)真空泵的啟動、停止、調(diào)速功能。

　　3.3 軟件設(shè)計

　　嵌入式程序使用C語言在Keil軟件編譯環(huán)境下設(shè)計完成。程序核心功能為通過串口USART1接收來自傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)包，對該數(shù)據(jù)包進行解析并將解析后獲得的測量數(shù)據(jù)通過串口USART2發(fā)送至觸摸屏進行顯示；根據(jù)觸摸屏回傳的按鍵鍵值判斷用戶期望執(zhí)行的功能，調(diào)用相關(guān)子函數(shù)發(fā)送指令至傳感器，執(zhí)行調(diào)零、參數(shù)校準等操作。主程序流程圖如圖8所示。

　　Gascard NG紅外氣體傳感器經(jīng)過上電、初始化、預(yù)熱等過程后，自動通過串口向外發(fā)送包含氣體濃度、溫度、壓力等參數(shù)的數(shù)據(jù)包。傳感器接收數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表2。數(shù)據(jù)以ASCII字符格式發(fā)送，數(shù)據(jù)幀以大寫字母“N”為幀首，以回車字符<CR>后緊跟換行字符<LF>為幀尾，數(shù)據(jù)域以空格字符<SPACE>為間隔。Conc1參數(shù)表示被測氣體濃度數(shù)值；Conc2～Conc5參數(shù)無意義；Current Temperature和Current Pressure表示當(dāng)前氣室內(nèi)瞬時溫度和氣壓。

4 傳感器參數(shù)校準

　　參數(shù)校準主要是指Gascard NG紅外氣體傳感器根據(jù)內(nèi)部溫度和壓力校準參數(shù)對溫度和壓力的變化進行自動補償。根據(jù)非分光紅外傳感器的原理，測量結(jié)果反應(yīng)的是光路中氣體分子的密度，也可以認為是氣室中樣品氣體的摩爾數(shù)。Gascard NG紅外氣體傳感器的光學(xué)探頭配有溫度傳感器，連接氣室出口的氣管通過一個三通與壓力傳感芯片連通，可感知氣室內(nèi)壓力。通過對溫度和壓力的實時測量并結(jié)合傳感器內(nèi)部保存的校準參數(shù)對溫度和壓力的變化進行自動補償。

　　進行溫度和壓力參數(shù)校準前傳感器至少需要預(yù)熱30 min，使其處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。零點標定氣體使用氮氣，滿量程標定氣體濃度為傳感器滿量程濃度值的80%～100%，公差小于2%。調(diào)節(jié)樣品氣瓶調(diào)壓器，使氣路中氣體流量以1 L/min的速度通過傳感器氣室。

　　待測量值穩(wěn)定后，發(fā)送調(diào)零指令或者滿量程指令，傳感器會自動進行內(nèi)部參數(shù)校準，也可以通過電路板上的按鍵進行手動調(diào)整。Gascard NG紅外氣體傳感器具有雙波長光學(xué)探頭，通過信號比值計算氣體濃度，儀器穩(wěn)定性高。愛丁堡儀器公司推薦的校準周期為12個月。

5 影響測量結(jié)果的其他因素

　　傳感器采用溫度和壓力校準可以提高測量準確性。但是，在實際使用中還有很多因素會直接或間接影響測量結(jié)果，甚至損壞傳感器。

　　傳感器允許的氣體流速范圍是0.2～3 L/min，最小流速取決于響應(yīng)時間。氣體流速過大會造成氣室內(nèi)氣體壓力升高，影響測量結(jié)果。同樣，氣路排氣出口不暢也會使氣路內(nèi)氣體被壓縮，導(dǎo)致測量結(jié)果不準確。在氣路入口處設(shè)置過濾裝置的目的是濾除煙氣中的粒相物、焦油和水分。粒相物和焦油進入傳感器氣室內(nèi)部不僅會影響測量結(jié)果，而且長時間的惡劣環(huán)境還可能造成傳感器光學(xué)器件的徹底損壞。傳感器對濕度變化不敏感，但是氣體中的水分在一定條件下會在氣室或氣路內(nèi)產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象，同樣會增加傳感器損壞的可能性。

　　基于非分光紅外傳感器的卷煙煙氣CO濃度檢測裝置集光學(xué)氣體傳感器、微控制器為核心的數(shù)字電路設(shè)計、嵌入式程序設(shè)計于一體，開發(fā)周期短，功能完善，使用靈活，測量精度滿足要求，在卷煙煙氣CO濃度測試中獲得良好效果。

參考文獻

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