一、选题意义

本研究是基于单片机的二氧化碳红外检测仪设计，旨在检测二氧化碳浓度，以方便生活生产等需要。

1.理论意义

工业化高速发展带来了空气污染的加剧，严重威胁着人类的生存环境。二氧化碳是室内空气中的主要污染物，因此它的浓度是室内和公共场所检测的重要指标之一。

当室内二氧化碳体积百分数达到3％时，人体呼吸程度加深；达到4％时，产生头晕、头痛、耳鸣、眼花、血压上升；达到8％一10％时，呼吸困难、脉搏加快、全身无力、肌肉由抽搐至痉挛、神智由兴奋至丧失；达到30％时，可能出现死亡现象。因此空气中室内二氧化碳浓度的高低可以反映有害气体的综合水平，确定室内空气中二氧化碳的浓度，是研究其对人体影响的必要条件。我国国家标准GB／T 17094—1997中规定了室内空气中二氧化碳的浓度限值为0．10％(小时平均值)。便携式CO2红外线分析仪是检测室内CO2的常用仪器，以下主要介绍该仪器的工作原理、检定方法及常见故障。CO2在正常大气层含量为0．03％，当浓度达到0．05％时就会对人体产生危害。C02的增加还将影响气温变化，促进大气污染的发生，危害人类的生存环境。另外C02在所有温室效应气体中，对温室效应的作用较大，占60％。因此C02已成为温室气体削减与控制的重点。但目前我国还投有制订出C02的标准分析方法．推荐的分析方法有非分散红外气体分析仪法、容量滴定法和气相色谱法。现多采用非分散红外线气体分析仪法。此方法的缺点是无法消除CO、碳氢化合物和水气的干扰。 红外线分析器测量温室气体的优点

2.现实意义

随着国民经济的迅速增长,农业研究和应用技术越来越受到重视,特别是日光温室已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如:二氧化碳浓度,空气的温度,湿度等。在农业种植问题中,温室环境与生物的生长,发育,能量交换密切相关,进行环境测控是实现温室生产管理自动化,科学化的基本保证,通过

对监测数据的分析,结合作物生长发育规律,控制环境条件,使作物达到优质,高产,高效的栽培目的.以日光温室为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。温室内的二氧化碳浓度,温度与湿度等参数,直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施已经发展到比较完备的程度,并形成了一定的标准,但是价格非常昂贵,缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对温室二氧化碳浓度,温度,湿度的检测与控制都采用人工管理,这样不可避免的有测控精度低,劳动强度大及由于测控不及时等弊端,容易造成不可弥补的损失,结果不但大大增加了成本,浪费了人力资源,而且很难达到预期的效果。因此,为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性,推动我国农业的发展,必须大力 发展农业设施与相应的农业工程,科学合理地调节温室内二氧化碳的浓度,温度以及湿度,使大棚内形成有利于蔬菜,水果生长的环境,是大棚蔬菜和水果早熟,优质, 高效益的重要环节. 由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高,使得这种要求变为可能.本论文 提出一种以 AT89S52 单片机为核心的检测器, 主要是为了对日光温室内二氧化碳浓度, 温度以及湿度进行有效,可靠地检测而设计的。

二．论文综述

一般认为，二氧化碳的浓度是办公室和家里空气质量指标之一，它可以告诉人们是否需要进行通风。

目前最好的二氧化碳测量器件是一种应用了非色散红外吸收方法制成的传感器。该应用主要依据是二氧化碳对波长为4270 nm红外线的吸收作用，该传感器以较高的精度对空气中二氧化碳分压进行测量。特别是高浓度下二氧化碳的确切含量进行测量。如果二氧化碳浓度较低，就需要一个较长的光学通道。同时需要一个较大面积的传感器。由于涉及高精度的光学器件，使得成本非常高。

而湿电解型二氧化碳传感器由于稳定性一般和寿命较短。一般也不作为首选的传感器。气体型二氧化碳传感器由于稳定性和重复性差，而且输出易受环境湿度、温度、灰尘的影响。也阻碍了它的大规模应用。

几年以前，一家知名的半导体气体型传感器制造商Figaro成功地研制出了一个能长期稳定工作的二氧化碳传感器TGS4160（价格约为700元），它具有优良的重复性，并受环境因素影响较小。

1. 国外有关研究的综述

西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早.20 世纪 60 年代,生产型的高级温室开始应用于农业生产,奥地利首先建成了番茄生产工厂,年代后荷兰, 70 日本,美国,英国,以色列等国家的温室园艺迅猛发展,温室设施广泛应用于园艺作物生产,畜牧业和水产养殖业.随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展,近百年来,温室大棚作为设施农业的重要组成部分,其自动控制和管理技术不断得以提高,在世界各地都得到了长足的发展。特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现,更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。80年代,随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降,以及对温室控制要求的提高,以微机为核心的温室综合环境控制系统,在欧美得到了长足的发展,并迈入了网络化,智能化阶段。目前,国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度,并形成了一定的标准。温室内的各环境因子大多由计算机集中控制,检测传感器也较为齐全,如温室内外的温度,湿度,光照度,二氧化碳浓度,营养液浓度等,由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制,如无级调节的天窗通风系统,湿帘与风扇配套的降温系统,由热水锅炉或热风机组成的加温系统,可定时喷灌或滴灌的灌溉系统,二氧化碳施肥系统,以及适用于温室作业的农业机械等。计算机对这些系统的控制己经不是简单的,独立的,静态的直接数字控制,而是基于环境模型上的监督控制,以及基于专家系统上的人工智能控制,一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化,无人化的方向发展。

红外线分析器在农业生产中的应用

目前,随着日光温室的迅速增多,人们对其性能要求也越来越高,特别是为了提高生产效率,对温室的自动化程度要求也越来越高。中国农业的发展必须走现代化农业这条道路,随着国民经济的迅速增长,农业研究和应用技术越来越受到重视,特别是日光温室已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如:二氧化碳浓度,空气的温度,湿度等。在农业种植问题中,温室环境与生物的生长,发育,能量交换密切相关,进行环境测控是实现温室生产管理自动化,科学化的基本保证,通过对监测数据的分析,结合作物生长发育规律,控制环境条件,使作

物达到优质,高产,高效的栽培目的.以日光温室为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。温室内的二氧化碳浓度,温度与湿度等参数,直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施已经发展到比较完备的程度,并形成了一定的标准,但是价格非常昂贵,缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对温室二氧化碳浓度,温度,湿度的检测与控制都采用人工管理,这样不可避免的有测控精度低,劳动强度大及由于测控不及时等弊端,容易造成不可弥补的损失,结果不但大大增加了成本,浪费了人力资源,而且很难达到预期的效果。因此,为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性,推动我国农业的发展,必须大力 发展农业设施与相应的农业工程,科学合理地调节温室内二氧化碳的浓度,温度以及湿度,使大棚内形成有利于蔬菜,水果生长的环境,是大棚蔬菜和水果早熟,优质, 高效益的重要环节. 由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高,使得这种要求变为可能.本论文 提出一种以 AT89S52 单片机为核心的检测器, 主要是为了对日光温室内二氧化碳浓度, 温度以及湿度进行有效,可靠地检测而设计的。

红外线分析器在近地层空气二氧化碳浓度观测中的应用

近地层空气二氧化碳浓度更接近人的生活，主要受植被类型、气候、土壤、人为活动等因素影响，研究近地层空气二氧化碳浓度变化，有助于增强对大气圈、土壤圈、水圈、生物圈和岩石圈，以及它们之间相互作用的理解和认识。

近地层大气特点是：动量、热量和水汽乃至其它物质的输送，在地表状态均匀、无剧烈天气变化的时候，垂直输送通量随高度近似不变，可以认为各种通量近似为常值。对于大气二氧化碳浓度的研究，我国已有一些研究报道，前人通过定位观测、飞机观测和卫星观测等多种形式，对大气二氧化碳浓度、本底、基准进行了研究，并积累了大量的资料。由于地貌类型的多样性和土地利用／覆盖变化的不同，近地层二氧化碳浓度存在区域性差异。

2. 国内有关研究的综述

红外线气体分析器是利用红外线对所检测的气体具有特殊吸收的原理进行分析测量的仪器。待分析气体组分的浓度与红外线吸收的辐射能存在密切的相关关系，气体组分的浓度不同，红外线吸收辐射能不同，剩余的辐射能在检测器上温度升高的程度不同，动片薄膜两边所受的压力不同，从而产生电容检测器电信

号，达到获得待分析气体组分的浓度大小之目的。红外线气体分析器一般分作两种类型：分光型和不分光型，以下所述为不分光型红外线气体分析器，简称红外线气体分析器。

红外线气体分析器可用来分析各种双原子气体，如CH4、C2H4、C2H2、C2H50H、C3H6、C3H8、NH3、C02、CO、N20、以及水蒸气等，其中C02、CH4和N20为温室气体，即红外线对这些气体具有特殊吸收。但是，红外线不能分析同一种原子构成的多原子气体和惰性气体，如N2、C12、He、Ne、Ar等.

红外线气体分析仪具有精度和灵敏度高、测量范围宽、响应速度快、选择性好、稳定性和可靠性高、寿命长、低成本等特点可以实现多组分气体同时测量、连续或间断分析等自动化控制。

红外线分析器作为重要的一类仪器，主要应用于环保、气象、化工、农业、林业、医药、石油、冶金、电厂、水泥、陶瓷、国防等领域。目前国内外对温室气体的测量，越来越多地使用红外线气体分析器。

红外线分析器在农业生产中的应用

目前,随着日光温室的迅速增多,人们对其性能要求也越来越高,特别是为了提高生产效率,对温室的自动化程度要求也越来越高。中国农业的发展必须走现代化农业这条道路,随着国民经济的迅速增长,农业研究和应用技术越来越受到重视,特别是日光温室已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如:二氧化碳浓度,空气的温度,湿度等。在农业种植问题中,温室环境与生物的生长,发育,能量交换密切相关,进行环境测控是实现温室生产管理自动化,科学化的基本保证,通过对监测数据的分析,结合作物生长发育规律,控制环境条件,使作物达到优质,高产,高效的栽培目的.以日光温室为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。温室内的二氧化碳浓度,温度与湿度等参数,直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施已经发展到比较完备的程度,并形成了一定的标准,但是价格非常昂贵,缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对温室二氧化碳浓度,温度,湿度的检测与控制都采用人工管理,这样不可避免的有测控精度低,劳动强度大及由于测控不及时等弊端,容易造成不可弥补的损失,结果不但大大增加了成本,浪费了人力资源,而且很难达

到预期的效果。因此,为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性,推动我国农业的发展,必须大力 发展农业设施与相应的农业工程,科学合理地调节温室内二氧化碳的浓度,温度以及湿度,使大棚内形成有利于蔬菜,水果生长的环境,是大棚蔬菜和水果早熟,优质, 高效益的重要环节. 由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高,使得这种要求变为可能.本论文 提出一种以 AT89S52 单片机为核心的检测器, 主要是为了对日光温室内二氧化碳浓度, 温度以及湿度进行有效,可靠地检测而设计的。

红外线分析器在近地层空气二氧化碳浓度观测中的应用

近地层空气二氧化碳浓度更接近人的生活，主要受植被类型、气候、土壤、人为活动等因素影响，研究近地层空气二氧化碳浓度变化，有助于增强对大气圈、土壤圈、水圈、生物圈和岩石圈，以及它们之间相互作用的理解和认识。

近地层大气特点是：动量、热量和水汽乃至其它物质的输送，在地表状态均匀、无剧烈天气变化的时候，垂直输送通量随高度近似不变，可以认为各种通量近似为常值。对于大气二氧化碳浓度的研究，我国已有一些研究报道，前人通过定位观测、飞机观测和卫星观测等多种形式，对大气二氧化碳浓度、本底、基准进行了研究，并积累了大量的资料。由于地貌类型的多样性和土地利用／覆盖变化的不同，近地层二氧化碳浓度存在区域性差异。

3.本人对上述综述的评价

我国现代温室技术起步较晚,70年代以来,政府大力发展以塑料大棚,节能日光温室为主的设施农业,促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。与此同时,从 1979 年至 1994 年,从欧美,日本等国家引进了一系列现代化温室进行实验研究。引进的温室与我国传统温室比较,其空间大,便于进行机械作业,生产率与资源利用率比较高,为我国温室的发展提供了借鉴作用.但这些温室也存在着许多不足之处,主要表现在:

1.价格昂贵,国内农业生产目前难以接受。

2.缺乏与我国气候特点相适应的温室测控软件.目前我国引进温室的测控系统大多投资大,运行费用过高,并且测控系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾。

3.控制方式比较简单,软件实现模式固定,不能进行功能扩展。随后在我国出

现了一些国外的仿造产品, 但均没有面向我国广大农村现有的1000万亩传统温室的改造工程。所以,传统的方法,人们主要还是采用温度计,湿度计来采集温度值和湿度值,通过人工操作加热,加湿,通风和降温来控制温湿度。因此, 以上产品的推广使用价值仍然不大。总体上说,我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与发达国家还有一定的差距。而我国综合环境测控技术的研究刚刚起步,目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段,而实际上,温室内的光照度,温度,湿度,二氧化碳浓度等环境因素,都是在相互影响,相互制约的状态中对作物的生长产生影响的,环境要素的空间变化,时间变化都很复杂。因此,我们应该根据我国的国情研制出适合我国农业的发展的仪器仪表,并在农业设施中广泛推广。

有一款二氧化碳检测仪AT-CO2-SD固定式二氧化碳浓度检测仪适用于检测工业、农业和居住环境二氧化碳CO2浓度，输出4-20mA模拟量信号和2路开关量信号，可直接对被控设备进行控制或输出数据至任何电子模拟控制器，DDC/PLC控制器或通风设备自控系统，依据监测的目标值（CO2浓度）控制通风系统。AT-CO2-SD固定式二氧化碳浓度检测仪具有RS-485通讯接口，可设定独立地址，实现与计算机及其他控制系统的联网，对每个房间通风系统的集中智能化管理。