液晶屏显示RS-485双通道NDIR二氧化碳（CO₂）+温湿度+光照+气压三合一传感器及其应用

发布时间：2022-11-14 浏览次数：125次

二氧化碳传感器是一种能够检测环境中二氧化碳浓度的装置。它在许多领域都有着重要的应用，比如室内空气质量监测、温室气体排放监测、工业生产过程中的环境监测等等。那么，二氧化碳传感器是如何工作的呢？本文将从原理方面进行介绍。

一、NDIR二氧化碳传感器测量原理

首先，我们需要了解二氧化碳传感器的工作原理。二氧化碳传感器一般采用红外吸收技术。这种技术利用了二氧化碳分子对特定波长的红外光的吸收特性。当二氧化碳分子通过传感器时，它们会吸收特定波长的红外光，这会导致传感器输出的信号发生变化。通过测量这种信号的变化，就可以确定环境中二氧化碳的浓度。

如上图所示，当一束连续波长的红外光通过某种气体时，如果气体分子的某个基团的振动频率或者转动频率与红外光的频率一致，气体分子就会吸收能量而从基态能级跃迁至能量更高的能级，处于该频率的红外光便会被吸收从而形成吸收峰。

由于不同分子中原子结合的化学键不同，不同化学键跃迁需要的能量也不相同，因而不同的气体的红外吸收峰也不相同，根据气体的红外吸收峰便可以判断是哪种气体。

二氧化碳气体浓度的检测原理

其次，二氧化碳传感器的核心部件是红外光源、红外光接收器和滤光片。红外光源会发射特定波长的红外光，经过滤光片后，只有特定波长的红外光能够通过。当环境中有二氧化碳分子通过时，它们会吸收这些特定波长的红外光，导致红外光接收器接收到的光信号发生变化。通过测量这种变化，就可以确定二氧化碳的浓度。

另外，为了提高传感器的灵敏度和稳定性，通常还会采用温度和湿度补偿技术。温度和湿度的变化都会对红外光的吸收产生影响，因此需要对这些因素进行补偿，以确保传感器输出的信号准确反映环境中的二氧化碳浓度。

此外，二氧化碳传感器还需要进行定标和校准。定标是指在实验室条件下，通过精密的仪器对传感器进行标定，确定其输出信号与二氧化碳浓度之间的关系。而校准则是在使用过程中，通过与标准气体进行比对，对传感器进行调整，以确保其准确性和稳定性。

在本方案中，WS300二氧化碳传感器采用双通道的二氧化碳探头，我们通过比较两个通道中接收到的红外线强度的差异，计算出环境中的二氧化碳浓度，双通道CO₂气体探头具有在整个测量周期中实时进行自校准的功能，从而保证整个寿命周期内都符合精度要求，具有具有较高的精度和优异的长期稳定性。

单光源+双探头CO2测量原理示意图

当光源发生衰减时，测量和参考通道的输出信号也会有一定的衰减，但是经过数据融合后产生的数据确不会有变化，因此光源的衰减在双通道的测量模型下，可以做到补偿的作用。同理，当传感器收到外部的干扰时，比如电源波动，同样的在测量和参考通道的输出信号也会产生变化，但两者变化是同步且单调性的，经过融合后的数据会消除这些干扰信号。

NDIR 二氧化碳传感器的优势

传感器集成了光源、探测器、压力传感器、温湿度传感器、数据存储等零部件，在正常测量过程中，需要保证各零部件的功能和性能正常，因此在传感器MCU内部集成了自检功能，每个测量周期都会做一次自检。

光源衰减自检：通过参考探头测量信号值与出厂时标定的参考信号值做比较，判断光源是否有衰减，从而判断光源的故障或者传感器的寿命。

探测器自检：通过当前测量通道和参考通道的信号的大小，判断探测器信号是否正常，从而判定探测器是否正常。其他零部件自检功能也依照此原则及各自特点来制定自检的逻辑。

二、WS300高精度二氧化碳传感器整机设计

WS300二氧化碳传感器整机硬件框图

WS300二氧化碳传感器采用工业级处理器，外加高精度双通道二氧化碳探头，高精度温湿度传感器探头SHT41，搭配隔离RS-485模组，支持宽电压直流供电输入，本地段码液晶显示（温湿度和二氧化碳值），搭配铝合金外壳。其长期稳定性优异，维护成本低。

WS300二氧化碳+温湿度三合一传感器

1、电源部分：

WS300内部集成了高可靠性的电源方案，采用TI的一款具有集成高侧 MOSFET的60V、2.5A降压稳压器。它采用电流模式控制，可实现简单的外部补偿和灵活的组件选择。其低纹波脉冲跳跃模式可将无负载的稳压输出电源电流减小至 138µA。通过使用使能引脚，在该引脚为低电平时，关断电源电流将降至1.3µA。

WS300电源设计

欠压锁定 (UVLO) 电压在内部设定为2.5V，但可利用使能引脚将该值进行提高。输出电压启动斜坡受控于慢启动引脚，还可以配置该引脚来控制排序和跟踪。开漏电源正常信号表示输出处于其标称电压值的 94% 至 107% 之内。宽开关频率范围实现了对效率及外部组件尺寸的优化。频率折返和热关断功能可在过载情况下对部件提供保护。

2、接口部分：

WS300接口设计

WS300内部集成隔离式半双工RS-485收发器，内部集成隔离DC-DC转换器，提供较高的电气隔离并具有优异的性能，以满足工业应用的需求。器件内部的逻辑输入与输出缓冲器之间通过二氧化硅（SiO2）绝缘栅隔离，能够承受高达2.5kVRMS（1分钟）的隔离电压以及±150kV/μs的典型CMTI。绝缘栅阻断了逻辑侧与总线侧的地环路，有助于降低端口间地电势差较高的噪声，确保数据的正确传输。

隔离RS-485

1/8单位负载，支持多达256个总线节点，集成过载和短路保护，内置热保护功能，高共模瞬态抗扰度：±150kV/μs（典型值），总线I/O ESD保护，±8kV HBM ESD，隔离栅寿命：>40年，带有限流驱动器和热关断功能，开路、短路和空闲总线失效保护。

3、处理器

WS300采用工业级MCU，芯片最高主频可达48MHz，内置256K Flash，可实现大量数据的存储和高速处理。LCD显示屏使用MCU内部电荷泵供电，即使在恶劣供电条件下也可保证LCD的显示效果。

处理器电路

4、传感器Sensor

WS300采用双通道二氧化碳传感器Sensor和SHT41温湿度Sensor，SHT41是瑞士盛思锐（Sensirion）第四代温湿度Sensor，其典型温度精度可以达到0.2℃，湿度精度可达1.8%。

二氧化碳传感器的设计参数如下：

二氧化碳测量参数

一些参数的理解如下：

测量范围：能够保证传感器规格书所列各项参数的最高、最低气体浓度区间。

VOL%：指混合气体的浓度体积比。如5%VOL甲烷，代表的意思就是甲烷在空气中所占的体积是5%

LEL%：指可燃气体爆炸下限的百分比。即可燃气体与空气混合时，遇到最小点火能量，发生爆炸的最低浓度

PPM：part per million，表示百万分之几，体积浓度（ppm），1000ppm=0.1%大气浓度

灵敏度：被测气体改变一个单位浓度，传感器输出信号的改变量。

响应时间：传感器接触的气体浓度发生阶跃变化时，其输出变化达到稳定值的规定的百分比（一般为63%或90%）时所需的时间。从零点上升到通气平衡点90%所需的时间称为T90。

分辨率：分辨率是描述传感器能够分辨的最小的气体浓度改变量的参数。

零点漂移：传感器在规定的工作条件下其零点的变化。

三、WS300高精度二氧化碳+温湿度三合一传感器应用

三合一传感器可广泛应用于如下场景：

WS300二氧化碳+温湿度三合一传感器的应用-新风系统

◆场景应用：

新风系统可以不通过开窗的方式，为封闭空间内的空气与外部空气进行置换，从而保证室内空气的清新与洁净，保证人体畅快呼吸。为了实现这个功能，二氧化碳传感器是新风系统的必不可少的组成部分。

通过CO2传感器实时监测室内CO2浓度，当浓度过高时，中控系统自动控制新风系统开关，调节室内空气质量。如，当CO2浓度高于1000ppm时，自动开启新风系统循环模式，CO2浓度低于1000ppm时，则自动关闭新风系统。

◆优势：

1. 测量精度高

2. 实时监测输出，响应时间短

3. 低功耗

4. 稳定性高，抗干扰能力强

WS300二氧化碳+温湿度三合一传感器的应用 -温室气体排放控制

◆场景应用：

温室气体排放是导致全球气候变化的主要原因之一，而二氧化碳又是温室气体排放的主要成分。

通过CO2传感器实时监测排放源的CO2浓度，当排放量超标时，自动报警，便于及时发现异常排放情况，采取相应的控制措施，保护环境。

◆优势：

1. 测量精度高

2. 实时监测输出，响应时间短

3. 稳定性高，抗干扰能力强

4. 寿命长

5. 工作温度、湿度范围宽

WS300二氧化碳+温湿度三合一传感器的应用 -微生物发酵

◆场景应用：

在微生物细胞发酵实验过程中或者发酵食品制作过程中可以使用二氧化碳传感器来监测CO2浓度，避免其浓度变化影响发酵结果。

如精氨酸发酵时，二氧化碳的最佳分压约为0.12*105Pa，高于或低于此分压，产率都会降低。

◆优势：

1. 测量精度高

2. 实时监测输出，响应时间短

3. 稳定性高，抗干扰能力强

4. 体积小，易安装

5. 工作温度、湿度范围宽

WS300二氧化碳+温湿度三合一传感器的应用 -智慧农场

◆场景应用：

1. 在塑料大棚内安装CO2传感器实时监测CO2浓度，便于农户观察施加CO2气肥的量。蔬菜需要二氧化碳浓度一般是1000ppm～1500ppm，通过实时检测浓度，在二氧化碳浓度不足时及时报警。

2. 在大型养殖场通过CO2传感器实时监测牲畜生活环境内CO2浓度，在浓度过高时（大于1000ppm），自动启动排风扇或者排气系统。

◆优势：

1. 测量精度高

2. 实时监测输出，响应时间短

3. 稳定性高，抗干扰能力强

4. 低功耗

5. 寿命长

WS300二氧化碳+温湿度三合一传感器的应用 -暖通空调

◆场景应用：

供暖、通风和空调（HVAC）系统在世界范围内用于监测和调节各种类型物业以及道路上几乎所有车辆的环境条件。通风装置主要用于调节室内空气的颗粒浓度和气体成分。

CO2传感器用于测量通风装置中的空气成分，当通风系统检测到的CO2浓度超过1000ppm时，会自动开启通风，调节室内CO2浓度。

◆优势：

1. 测量精度高

2. 实时监测输出，响应时间短

3. 稳定性高，抗干扰能力强

4. 工作温度、湿度范围宽

5. 寿命长

WS300二氧化碳+温湿度三合一传感器的应用 -智能健身

◆场景应用：

随着人们对健康生活的日益重视，健身房和健康设施成为人们日常活动的重要场所。然而，健身环境的质量直接影响着运动效果和健康效益。在这一背景下，二氧化碳传感器的应用正在逐渐受到关注，它们帮助保持室内空气质量，为用户带来更舒适、健康的运动体验。

CO2传感器与智能健身设备集成，监测呼气末CO2浓度的变化，若浓度升高，智能系统可以在原定运动计划的基础上，减弱运动强度，或增加休息时长，提供更加智能科学的锻炼方案。

◆优势：

1. 测量精度高

2. 实时监测输出，响应时间短

3. 低功耗

4. 性价比高