基于单片机的非分散红外多组分气体检测系统

　　随着经济社会发展和全民环境意识的提高，环境问题日益突出，大气环境监测越来越受到人们的重视。非分散红外 (Non-Dispersive Infrared，缩写为 NDIR) 技术是近年来发展起来的一种新型气体探测技术。它基于气体红外吸收的原理，测量过程中探测器不消耗物质，因此寿命长、稳定性好，同时还具有快速响应、不中毒、量程广、精度高，能够实现多组分污染气体快速和在线连续式检测等优点，与传统气体检测技术相比有明显的优势[7]。随着红外光源、传感器及电子技术的发展，NDIR 技术已经广泛应用于高浓度的工业污染气体检测以及水中污染油检测等众多领域，对保障工业安全生产和日常生活安全具有很重要的现实意义和良好的应用前景。

　　我们研制了一种新型便携式非分散红外多组分污染气体分析分析仪，采用滤光片相关检测技术，利用 Atmega128 单片机进行数据采集和处理，可实现多组份污染气体浓度的同时在线测量。

　　1 气体检测仪理论依据

　　具有非对称双原子或多原子分子结构 的气体(如 CO，SO2，NO 等)在中红外波段都有自己的特征吸收带，特征吸收带如同指纹一样具有可鉴别性。通过在特征吸收带对红外能量的吸收，红外线的能量将减少，其减少量 ΔE 与气体浓度 C、吸收系数 K等有关，服从朗伯 - 比尔 (Lambert-Beer) 定律：

　　其中，A 为吸光度，I(λ) 为目标气体背景下的光强，I0(λ) 为零气背景下的光强，Kλ为目标气体的吸收系数，C 为目标气体的摩尔百分浓度，L 为光信号在怀特池内多次反射后的实际吸收长度。

　　如上式 (1) 所示，朗伯比尔定律给出了通过目标气体后的吸光度与气体浓度的关系。当怀特池长度以及红外光程确定时，L 值为定值，而对某一种特定的目标气体 Kλ是常数，此时红外能量经过目标气体的吸收，吸光度 A 与其浓度值在一定范围内成线性，利用吸光度值可以反演目标气体的浓度。

　　为了提高气体分析仪的检测灵敏度，系统引入的多次反射池结构，通过三个球面镜之间的多次反射增加了吸收光程，提高待测气体对红外辐射的吸收强度;气室采用圆柱形结构，可减少光线在传输过程中的损耗;怀特池与外支撑分离的结构保证了该部件易于装卸、更换，不易受外界条件影响，能适应复杂环境下工作;同时当怀特池正常工作时，利用温度控制器将其恒定在某一温度，以减少 H2O 对待测气体的交叉干扰。

　　2　系统硬件电路设计

　　本系统以 Atmega128 单片机为核心，整个仪器框图如图 1 所示。