第 1 章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
随着 21 世纪科技的迅速发展，人类对于生活需求与日俱增，同时带来的环境污染问题越发严重。自 2010 年起，人工智能化的科技发展带动我国工业和机动车行业迅猛发展，大气中 CO 的排放逐年增加，各环保科研机构将其含量作为大气质量评价标准的参考指数之一。现阶段企业需要实时了解 CO 排放情况，政府则需要实时检测大气中 CO 含量，用以对相关企业进行管理。因此，空气中 CO 含量的检测十分必要[1]。
为改善大气环境，对环境污染进行有效治理，就必须及时监测各个地方的环境质量数据，以便找到环境污染的源头。但污染物排放问题复杂，在同一个城市的各个区域大气污染情况不尽相同，而目前用于大气环境质量监测的国控站点和省控站点在每个城市中数量较少，不适用于对各个区域的大气环境质量进行精细化的监测管理。我们国家虽然已经能够自主研发 CO 检测仪，但是仍然存在很多问题：各个地方检测仪的质量良莠不齐且难以保证每个地区的检测仪数量能够进行合理的分配；设备可以测量的参数较少，需要引进国外的设备，成本以及维修的费用较高；引进的设备经过实际验证也不能满足我国的需求，尤其是产品不易便携、设备结构较大；设备达到稳定工作的时间太久，测量不便[2-5]。
现有仪器难以满足我国对大气监测实现智能化、便携化以及网格化等要求，故有必要研制出一款微型化 CO 分析仪。该仪器能在达到国家标准的前提下缩小体积实现气体的快速检测，简化仪器结构，实现轻量化、集成化设计。微型化 CO 分析系统将有利于在各种环境中的安装和移动，可实现对大气的实时动态监测。其微型化的便捷方式，不仅有利于追溯污染源，便于环境监测部门调查取证；还可以作为质控单元，对大气监测布置的定点固定式监测仪器进行精度排查，以判断固定监测仪准确性，及时进行设备调修。该仪器还可协同构建天地空一体化监测系统，实现多点位、高频率三维时空大气环境质量监测，以进一步开展大数据分析[6-8]。
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1.2 气体分析仪检测的原理和方法
国外对于气体检测研究较早，气体检测原理发展众多，检测方法有电化学法、催化燃烧法、红外吸收法等，每种方法都代表着各个时代的科研技术能力，具有不同的优缺点。
1.2.1 电化学式气体分析仪的工作原理
电化学式气体分析仪的核心器件是氧气传感器，是最早应用于气体检测的传感器之一。在 20 世纪年代初期，科学家发现气体与一些特定物质在一定条件下发生化学反应从而产生电流，判断气体浓度，这一研究迅速应用于大气检测研究，研发的分析仪具有良好的灵敏性和选择性。经过不断地进行优化改进，其发展迅速，只按照检测方式不同，各型号的传感器就高达五种类别之多。其工作原理为将工作电极、对电极以及参比电极共同浸泡于电解液之中，对各电极进行电压加持，被测气体进入到反应场所之中发生氧化还原反应，通过传感器的电路检测化学反应时产生的电流，从而根据电流的数值判断气体的浓度，其中气体浓度与电流之间呈正比例的线性关系，具有较宽的量测范围。探测器具体结构如图 1-1 所示，由透气膜、过滤器（排除干扰成分）、电解液、工作电极、参比电极和对电极等构成[9]。
图 1-1 电化学式气体探测器的工作原理图
第 2 章 红外吸收法的理论模型建立
2.1 气体分子光谱吸收原理
光由纯能量的光子构成，气体对于光的吸收其本质是气体分子与光子相互作用而造成的能量相互转换。当物质特性为透明或半透明时，光线在照射过程，部分光子与物质分子发生相互作用，产生能量转移，光强减弱，这一过程就被称为光的吸收。
分子由原子构成，原子中又存在着电子，其共有特性为具有能量、时刻处于高速运动或相对运动中，运动状态分为如下三种：
(1) 电子运动：在原子核周围做高速无规则运动。
(2) 原子运动：根据动能、势能间相互转换的平衡方向做有规律运动
(3) 分子运动：物质中的分子因彼此间的作用力时刻处于无规则运动。
当气体与特定波段的红外光接触时，气体分子与光子之间发生相互作用，产生能量转移，导致分子由低向高发生能级跃迁。此时波长的电磁辐射被对应的气体分子所吸收，通过检测不同波长处的能量强度就得到了对应波段的吸收光谱。分子吸收红外光后发生的能级跃迁如图 2-1 所示。气体分子吸收红外光后，产生能级转换需要在一定的条件下方可实现，其中主要条件如下：
（1）气体分析吸收的能量必须与分子振动能级差相等；
（2）红外光与分子之间偶合作用，分子振动过程中其偶极矩必须发生变化，即瞬间偶极矩变化不为 0。
图 2-1 能级跃迁示意图
2.2 CO 气体分子吸收谱线理论模型
气体的吸收能力与谱线的形状和宽度息息相关，对其影响因素的分析研究是气体检测方案的前提要素。为了选择 CO 气体在红外区域内具有高强度，高分辨率、高频率的光线波段，故对 CO 气体分子的吸收谱线进行深入研究。
在对光谱线的描述中，为了简洁明了的表达观念，科学家往往将光谱以几何线的形状出现在理论研究中。但在实际上情况中，对任何一条光线进行实际测量，发现任何光线都具有独特的外观形状及不同的宽度，将二者称为线型和宽度。由于每条光线轮廓和宽度也不同，形成了每条光谱线各自不同的形状。
在一般的工作中，气体分子与红外光反应中三种展宽情况均有可能存在。当测量气体时，内部压强较低时，多以第二种形式的展宽出现；当内部压强较高时，多以第三种形式的展宽出现；CO 吸收谱线的主要情况为第一种和第三种展宽混合谱线，利用 Loren 线型可以较好地对 CO 吸收进行分析。
传感器的灵敏度与输入光强，吸收系数以及光程有关，其中输入光强，吸收系数均为定值，要想提高灵敏度，则需要增加光路长度，使得气体在一定体积内的气室中与更多的光线接触反应，吸收更加充分，从而提高检测的灵敏度。被测气体浓度高时，光程的增长有利于浓度检测，但是当被测气体浓度含量较低时，在一定光程内气体就可以实现完全吸收，光程路径的过分增加反而导致光线在传播过程中功率损耗，光强减弱，低浓度检测困难。因此在实际设计中，光路长度的确定需要综合考虑以上两个方面，选择合适的光程，提高检测精度。
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第 3 章 微型化 CO 分析仪结构设计.................................13
3.1 红外光源特性....................................... 13
3.2 探测器原理.................................... 15
3.3 气室结构设计........................................ 17
第 4 章 微型化 CO 分析仪电路设计...............................29
4.1 嵌入式单片机的选择........................................ 29
4.2 红外探测器电路设计....................... 31
第 5 章 软件系统设计.......................................... 41
5.1 拉格朗日插值算法................................................ 42
5.1.1 拉格朗日插值原理................................. 42
5.1.2 拉格朗日插值算法实现的方法.............................. 44
第 6 章 微型化 CO 气体分析仪仿真研究
6.1 Multisim 的仿真
6.1.1 Multisim 软件介绍
该软件在发展过程中不断地进行系统更新，优化操作方法，完善功能需求，吸引了众多的研发设计者。其具有的优点包括界面简洁明了、操作方便、结合实际、灵活运用等特点，是电路仿真的专用软件，其界面图如图 6-1 所示。其特点包括以下四个部分：
（1）直观的图形界面 。
Multisim 软件在电路仿真操作的过程中，需要的元器件以及检测电路值的仪表都可以直接移动到屏幕上，直接单击各种仪表正负极的接口就可以用导线将它们连接起来，大多数虚拟仪器的具体操作过程与实际操作过程类似，有的甚至会完全一样[74]。
（2）丰富的元件。
该软件的元件库十分丰富，对于大多数的电路设计来说，该元件库里的元件基本能够实现高校学生的基本仿真的需求。例如，在 Multisim 的元件库中电阻、放大器、仪表盘、电容等元器件，还具有一些在实际用中的元器件模型，比如Analog Device 和 Linear Technologies 等知名厂家研发的元件模型。
（3）众多的虚拟仪表
在软件元件库中包含众多仪表，模拟的仪表在原理和功能上与实际仪表相似，基本功能均可实现，有利于设计者对电路各环节进行检测。同时因实际需要而软件中未曾包含的仪表，可以在 LabVIEW 中进行自定义设计，再调入软件中进行使用，具有较高的灵活性和兼容性[74]。
图 6-1 Multisim 界面图
结论
1、总结
目前 CO 监测仪器体积较大，精度较低难以满足我国对大气监测实现智能化、便携式以及网格化等要求，故有必要研制出一款微型化 CO 分析仪。针对上述问题，本文提出了微型化 CO 分析仪，该仪器能在保证精度的前提下缩小体积实现气体的快速监测，简化仪器结构，实现轻量化、集成化设计。本文主要研究内容总结如下：
（1）分析 CO 监测仪的多种检测方法，对本文采用的红外吸收法进行理论分析，研究 CO 的吸收光谱和朗伯比尔定律，建立 CO 的光强-浓度-电压之间的理论模型，为研究 CO 气体分析仪奠定了理论基础。
（2）设计 CO 系统结构，利用红外吸收法检测 CO 浓度。主要包括光源的选择、传感器的性能分析、气室光路设计。重点对气室的光路进行数据计算以及三维结构设计。采用 Zemax 进行光路仿真，得出的最优光路能够实现在提高精度的基础上缩短光程，利于微型化气室结构的研究。
（3）完成了 CO 监测仪整体的硬件电路设计和软件程序设计，硬件电路方面以提高采集精度、降低功耗为目的实现 CO 监测仪的传感器电路、气压电路、串口通讯电路以及 STM32 主芯片电路的优化设计等。软件程序方面基于 Keil u Vision5环境开发，基于拉格朗日插值法对 CO 监测数据进行处理，并对下位机以及上位机进行设计，实现微型化 CO 分析仪的基本功能。
（4）使用 Multisim 软件对信号放大和调理电路进行仿真，在 Protues8.9 软件下对硬件电路以及软件程序进行了验证，确保了硬件和软件设计的合理性，为后续的开发提供了有力保障。
参考文献（略）