在地震廢墟狹小空間內，幸存者呼出的二氧化碳得以富集，可通過二氧化碳體積分數(shù)檢測來搜索幸存者。為此，設計了一種適用于廢墟現(xiàn)場使用的二氧化碳檢測裝置。目前廣泛應用的二氧化碳傳感器主要有固體電解質傳感器、紅外傳感器等。固體電解質二氧化碳傳感器是一種內含熱敏電阻器混合式二氧化碳敏感元件，優(yōu)點為體積小，對環(huán)境溫濕度不敏感。缺點為預熱時間長，一般 2 h 才能達到穩(wěn)定，因此，不適于現(xiàn)場工作的設備使用。本設計采用內部無移動部件、測量過程不發(fā)生化學反應的非色散紅外二氧化碳傳感器，該傳感器具有測量范圍寬、靈敏度高、響應時間快、選擇性好、抗干擾能力強等特點。
　　1 工作原理
　　二氧化碳的紅外吸收光譜如圖 1 所示，在波數(shù)為2 342 cm－ 1處，二氧化碳有強吸收峰。其吸收關系服從朗伯—比爾（ Lambert-Beer） 吸收定律，出射光強度 I、入射光強度 I0和氣體體積分數(shù) C 之間的關系為I = I0exp（ εLC） ， （ 1）式中 ε 為摩爾吸光系數(shù)； C 為待測氣體體積分數(shù)，L 為光和氣體的作用長度（ 光路長度） 。對上式進行變換得C =1εLln（ I0/ I） . （ 2）當摩爾吸光系數(shù)一定時，通過檢測出射光強度，即可計算得到二氧化碳體積分數(shù)。由于不同氣體分子結構不同，其吸收峰位置也不同，利用波數(shù)為2342cm－ 1的紅外線作為光源檢測二氧化碳體積分數(shù)，不易受到其他氣體分子濃度的影響。但摩爾吸光系數(shù)受到環(huán)境溫度和氣壓的影響，溫度升高時氣體密度下降，測得體積分數(shù)下降； 氣壓升高時氣體密度上升，測得體積分數(shù)上升，因此，紅外二氧化碳傳感器的測量結果需要校正。
　　2 系統(tǒng)設計
　　2. 1 硬件電路設計系統(tǒng)硬 件 結 構 如 圖 2 所 示。單 片 機 選 用 STC 的12C5A60S2，引腳連接見圖 3。12C5A60S2 是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，工作電壓范圍為5. 5～3. 3 V; 工作頻率范圍為 0～ 35 MHz，相當于普通 8 051 的 0～420 MHz; 1 280 B 片內 RAM 數(shù)據(jù)存儲器； 4 個 16 位定時器。
　　圖 1 二氧化碳紅外吸收光譜

　　單片機支持 2 個全雙工異步串行口（ UART） ，分別用于二氧化碳體積分數(shù)采集和數(shù)據(jù)顯示。
　　圖 2 系統(tǒng)硬件結構圖

　　圖 3 單片機引腳連接原理圖

　　采用 GE 公司量程為 0 %～1 %的紅外二氧化碳傳感模塊 Telaire 6004 作為檢測單元，光路、信號調理、A/D 轉換在模塊內部完成，測量結果以 UART 串口方式與單片機通信，有效避免了外部電磁干擾對測量造成的影響。以數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 作為溫度測量元件，通過程序實現(xiàn)溫度補償。系統(tǒng)以 2 Ah 鋰電池作為電源，單片機自帶的 A/D 轉換用于電池電量的測量，電量低時報警。經(jīng)實測可連續(xù)工作6 h，滿足野外工作需求。
　　顯示模塊采用真空熒光顯示屏（ VFD） ，利用電子撞擊熒光粉，使熒光粉發(fā)光，與傳統(tǒng) LCD，LED 顯示屏相比，其溫度適應范圍寬，亮度高，在室外強光照射的情況下仍能清晰的讀數(shù)。因此，VFD 顯示屏適用于野外工作儀器。
　　2. 2 軟件設計單片機控制軟件采用模塊化設計，采用 C 語言編寫，主程序流程如圖 4 所示。首先初始化系統(tǒng)配置，串口 1 接收二氧化碳模塊輸出的結果，串口 2 發(fā)送顯示數(shù)據(jù)。通過按鍵輸入海拔高度，經(jīng)查表法得到氣壓值。串行單總線讀取DS18B20 測得的溫度值，單片機 ADC0 讀取電池電壓。讀入測量二氧化碳體積分數(shù)值，經(jīng)溫度、壓力校正送屏幕顯示。壓力校正關系為以1013hPa 為基準值，每升高1hPa 測量值加 0. 1%，每降低1hPa 測量值少0. 1%; 溫度校正關系以22℃測量值為基準值，每升高1℃測量值減20 ×10－ 6，每降低 1 ℃測量值加 20 ×10－ 6。校正后的測量結果與預設值進行比較，如二氧化碳體積分數(shù)高于預設標準，則表示可能存在幸存者，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，否則，進入循環(huán)檢測。
　　圖 4 軟件流程圖

　　3 實 驗
　　本二氧化碳檢測儀重復性為 0. 6 %，不確定度為1.5%，目前已經(jīng)用于幸存者搜索的模擬實驗。實驗中一受試者進入約6m3的狹小空間，空間通風面積約0.02m2，通風處風速為0.2m/s，空間外二氧化碳體積分數(shù)為 800 ×10－ 6，空間內二氧化碳體積分數(shù)變化如圖 5。實驗表明： 狹小空間內幸存者的呼吸可使空間內二氧化碳體積分數(shù)提高。
　　圖 5 有受試者狹小空間二氧化碳體積分數(shù)檢測結果

　　4 結束語
　　地震廢墟狹小空間可能使幸存者呼出的二氧化碳富集，通過檢測廢墟內二氧化碳體積分數(shù)可以作為搜尋幸存者的一種方法。為此設計了便攜式二氧化碳體積分數(shù)檢測儀，以 12C5A60S2 單片機為控制單元，采用數(shù)字化紅外二氧化碳傳感器，并進行溫度、氣壓校正。該儀器無需外部交流電源工作并具有良好的溫度適應性，經(jīng)模擬廢墟實驗測試表明： 所設計的二氧化碳檢測儀工作可靠、環(huán)境適應性強，適于地震廢墟現(xiàn)場的幸存者搜索工作。