二氧化碳传感器原理_类型_接线图
二氧化碳（ CO2 ）气体是无味、无色的气体，可在呼吸、燃烧和有机物分解等不同过程中形成。因此，测量CO2气体在燃烧过程监测、室内空气质量生态CO2气体排放水平、医疗程序中的肺功能等方面具有重要意义。
二氧化碳气体可以通过NDIR（非色散红外）技术进行测量，当然电化学技术会具有更好的效果准确性。这些类型的传感器用于制药、农业食品、饮料、制冷和酿造等许多行业。
基本概念
二氧化碳传感器是一种用于检测环境中二氧化碳浓度的传感器。它们可以被用于室内空气质量监测，以确保室内空气质量达到标准，并可以为建筑物的节能和空调系统优化提供支持，一旦仪器检测到CO2气体含量，它就会发出警报，以便人们采取适当的行动。
二氧化碳传感器可以通过测量空气中的二氧化碳浓度来确定室内空气的质量，测量结果通常以百万分之一（ppm）的浓度值表示。高浓度的二氧化碳可能会导致人员感到不适或健康问题，因此，通过使用二氧化碳传感器来监测和调节空气质量，可以提高室内舒适度和人员健康水平。
二氧化碳传感器在为公众营造良好的氛围方面起着至关重要的作用，其应用领域主要包括碳酸饮料啤酒、煤炭、农业种植、农业养殖及人们日常生活等不同行业。
工作原理
二氧化碳传感器的工作原理类似于红外碳氢化合物检测器，它们产生一束调谐到精确频率的红外光束，该频率很容易被CO2分子吸收。CO2传感器和红外碳氢化合物检测器的主要区别在于红外波长和滤光片的选择。
由于每个CO2分子都会被部分红外线吸收，因此吸收量与环境空气中可用的CO2百分比成正比。这些二氧化碳传感器利用蓝宝石窗口来保护红外发射器和接收器的元件免受周围大气中可能存在的任何酸性气体的伤害。
主要类型
二氧化碳传感器有不同类型，如非分散式、电化学式、半导体式和催化燃烧式，下面分别介绍下。
1、电化学二氧化碳传感器
这是一种化学传感器，用于在整个电化学反应过程中将二氧化碳气体浓度转变为电信号。基于电信号检测，电化学类型分为电流型、电容型和电位型等不同类型。
一旦CO2气体进入传感器，它就会对传感器产生化学反应。当发生这种反应时，CO2传感器会发生电气变化。
因此，根据特定类型的传感器，反应可以使CO2传感器接收电流、修改现有电流或修改传感器承载电流的能力。之后，该传感器将根据变化确定使用了多少气体。
2、催化燃烧二氧化碳传感器
这种类型的二氧化碳传感器具有类似催化剂的基本元件，该元件利用特定类型电阻器表面的催化剂涂层。特定温度下的可燃气体像二氧化碳传感器原理一样在表面催化燃烧。所以，也称这种CO2传感器为热燃烧传感器。这些传感器经过改进并广泛应用于不同行业，如可靠的传感器。
3、NDIR二氧化碳传感器
名称“NDIR”代表非色散红外线，它使用特定的光波长来计算空气中的二氧化碳含量。地球上的每一种元素都只是吸收特定类型的光。一旦空气进入气体传感器，它将打开一组特定CO2波长的光，通常在传感器的一端约为4微米。
另一面将装有一个容器，该容器将计算有多少光到达另一面。当灯打开时，空气中的二氧化碳会吸收光束。因此，到达CO2传感器另一面的光总和减少了。吸收光的总和主要取决于可用的CO2量。如果有更多的二氧化碳，那么就会吸收更多的光。
4、半导体二氧化碳传感器
该传感器可以用气体在半导体表面发生氧化还原反应来改变敏感元件的电阻值，一旦半导体器件被加热到特定水平，它就会吸收接触半导体表面的气体分子。因此，这些分子被吸收，它们在半导体表面自由扩散并失去运动能量。
一些气体分子会消失，而其它残留的分子会热分解并被半导体表面吸收。一旦与吸收的分子相比半导体功函数较低，则这些分子将从半导体器件中去除电子并且半导体器件表面提供电荷层。如果半导体功函数高于吸收能量的分子，那么这些分子就会向器件释放电子，形成正离子吸收。
应用电路
二氧化碳传感器电路用于测量空气中的二氧化碳 (CO2) 和总挥发性有机化合物 (TVOC)。在此接口中，CCS811用作数字气体传感器，用于检测各种TVOC和等效 CO2以及金属氧化物水平。
之前，已经介绍过MQ135气体传感器，但CCS811气体传感器能够测量空气中的CO2和TVOC水平。所以这是测量这两个参数的最佳传感器，它还具有一些显着特征，如体积小、超低功耗，可用于可穿戴和手持设备以监测空气质量。
在这里，使用了Arduino板设计基于CCS811气体传感器的CO2和TVOC测量仪。所以，使用CCS811 Arduino的库，编写用于检索TVOC和CO2值的代码，并将这些值显示在OLED显示屏上。
此接口所需的组件主要包括任何Arduino板，如UNO R3、Nano、CO2 TVOC传感器、OLED、连接线等。
引脚配置
CCS811二氧化碳传感器模块的引脚配置包括以下内容：
- Pin1 (VCC)：该引脚使用3.3V为电路板供电。
- Pin2 (GND)：GND引脚。
- Pin3 (SCL)：这是通过10K电阻拉至VCC的I2C时钟引脚。
- Pin4 (SDA)：这是I2C数据引脚，通过一个10K电阻连接到VCC。
- Pin5 (WAKE)：这是CO2传感器的唤醒引脚。
- Pin6 (INT)：这是中断o/p引脚。
- Pin7(RST)：复位引脚。
- Pin8 (ADD)：这是一个单一的地址选择位引脚，用于允许选择备用地址。
电路接线图
以下CCS811气体传感器与Arduino板接口图用于测量空气中的TVOC和CO2水平，该电路的连接如下：
首先，将CCS811气体传感器的Vin和GND引脚连接到Arduino板的3.3V和GND引脚，操作此传感器所需的电压为3.6伏。
然后将传感器的SDA和SCL引脚分别连接到Arduino板的A4和A5引脚。CCS811传感器的WAKE引脚连接到Arduino的GND引脚。如果将WAKE引脚留空，控制器将无法读取I2C的地址。CCS811气体传感器库主要用于CCS811气体传感器与Arduino板的接口，这个Libray是由Sparkfun和Adafruit共同编写的。因此，可以通过从站点下载它们来使用任何库。
在这里，Adafruit库用于检索CO2和TVOC值。此处，额外的OLED显示器连接到上述电路。使用OLED库，你可以在 OLED 显示屏上显示CO2和TVOC值。
最后，带有CCS811传感器和Arduino的OLED显示器的电路图如下所示。这里Arduino板和CCS811传感器连接是相同的。将OLED显示器的SDA和SCL引脚连接到Arduino的A4和A5引脚，并将VCC引脚连接到3.3V，将GND引脚连接到GND。
下面给出了与Arduino板接口的OLED显示器和CCS811气体传感器的完整代码。
#include “Adafruit_CCS811.h”
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED display width, in pixels
#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED display height, in pixels
#define OLED_RESET -1 // Reset pin # (or -1 if sharing Arduino reset pin)
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);
Adafruit_CCS811 ccs;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C); //initialize with the I2C addr 0x3C (128×64)
delay(500);
display.clearDisplay();
display.setCursor(25, 15);
display.setTextSize(1);
display.setTextColor(WHITE);
display.println(“CCS811 Sensor”);
display.setCursor(25, 35);
display.setTextSize(1);
display.print(“Initializing”);
display.display();
Serial.println(“CCS811 test”);
if (!ccs.begin())
{
Serial.println(“Failed to start sensor! Please check your wiring.”);
while (1);
}
// Wait for the sensor to be ready
while (!ccs.available());
}
void loop()
{
if (ccs.available())
{
if (!ccs.readData())
{
Serial.print(“CO2: “);
Serial.print(ccs.geteCO2());
Serial.print(“ppm, TVOC: “);
Serial.println(ccs.getTVOC());
display.clearDisplay();
display.setTextSize(1);
display.setCursor(20, 0);
display.print(“Air Quality”);
display.setTextSize(2);
display.setCursor(0, 20);
display.print(“CO2:”);
display.print(ccs.geteCO2());
display.setTextSize(1);
display.print(” ppm”);
display.setTextSize(2);
display.setCursor(0, 45);
display.print(“TVOC:”);
display.print(ccs.getTVOC());
display.display();
}
else
{
Serial.println(“ERROR!”);
display.clearDisplay();
display.setTextSize(2);
display.setCursor(0, 5);
display.print(“ERROR!”);
while (1);
}
}
delay(1000);
}
上传上述代码后，OLED显示屏将开始显示CO2和TVOC的值。
优缺点
二氧化碳传感器的优势包括以下几点内容：
- 半导体二氧化碳传感器的优点是结构稳定，响应速度快，抗环境能力强。
- NDIR二氧化碳传感器的优点主要包括分析速度快、灵敏度高、使用寿命长、稳定性好。
- 催化燃烧式二氧化碳传感器的优点是响应速度快、测量精确、反应迅速。
- 电化学二氧化碳传感器的优点主要有成本低、操作简单、测量速度快。
二氧化碳传感器的缺点包括以下几点内容。
- 电化学二氧化碳传感器的缺点主要有：精度可能会下降，容易漂移，寿命短，容易老化，准确测量容易受到其他气体的干扰。
- 催化燃烧二氧化碳传感器的缺点是可选择的气体范围小。
- NDIR二氧化碳传感器的缺点主要包括：功耗高，结构复杂，价格昂贵。
- 半导体二氧化碳传感器的缺点是：单纯受温度影响，读数会受到空气中其他物质的影响等。
主要应用
二氧化碳传感器的应用非常的广泛，以下列举一些比较常见的应用，具体如下：
- 暖通空调/室内空气质量行业。
- 生命科学与医疗行业。
- 灭火测试。
- 航天工业。
- 运输行业。
- 工业应用。
- MAP（气调包装）。
- 农业产业。
- 矿业。
- 室内空气质量。
- 沼气。
- 垃圾填埋场。
- 总有机碳 (TOC)。
- 受控环境园艺。
总结
简单来说，二氧化碳传感器就是一种用于检测室内空气中二氧化碳浓度的设备。它通常使用红外线等技术来测量二氧化碳浓度并将其转换为电信号，可以与空调系统或通风系统等设备相连接，实现室内空气质量的自动调节。
二氧化碳传感器主要应用于室内空气质量监测、能源管理和安全监测等领域。在室内空气质量监测方面，它能够监测室内空气二氧化碳浓度，提高室内空气的质量，减少有害气体的浓度，保证室内人员的健康和舒适性；在能源管理上，它可以实现对空调、通风等设备的自动调节，减少资源的浪费，提高能源利用效率；在安全监测上，它可以检测室内空气中的爆炸性气体等有害气体，提高安全性。
总的来说，二氧化碳传感器对于实现室内空气质量监测、能源管理和安全监测等方面具有重要意义。目前有许多可用的气体传感器，例如MG811、LP8、ACD10等。
