空氣能見(jiàn)度和CO2濃度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)與研究

摘要：探索并實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)易透射式能見(jiàn)度和CO2濃度測(cè)量裝置。介紹了所設(shè)計(jì)裝置的基本測(cè)量原理、硬件電路圖和軟件流程圖。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其測(cè)量能見(jiàn)度和CO2濃度的性能。裝置不僅測(cè)量方便，而且具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和便攜等優(yōu)勢(shì)。

0 引言

能見(jiàn)度即目標(biāo)物的能見(jiàn)距離，是指觀測(cè)目標(biāo)物時(shí)，能從背景中分辨出目標(biāo)物的最大距離。近年來(lái)，由于種種原因，世界各地大氣能見(jiàn)度越來(lái)越低，溫室效應(yīng)也日趨明顯，霧霾、沙塵暴等成為人們熱議的話題，國(guó)防工業(yè)生產(chǎn)和百姓日常生活都受到極大影響。加強(qiáng)空氣中CO2和能見(jiàn)度測(cè)量迫在眉睫。

目前國(guó)際上已經(jīng)研制出的能見(jiàn)度儀器有透射式和散射式兩大類，而我國(guó)能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x器的研究還未成熟。本文提出一種簡(jiǎn)單的透射法測(cè)量能見(jiàn)度的方法，同時(shí)配備CO2檢測(cè)功能。利用單片機(jī)控制，集測(cè)量、顯示于一體，儀器簡(jiǎn)單實(shí)用，測(cè)量結(jié)果一目了然。體積小易攜帶，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性好，靈活度大。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基本滿足日常生活所需。

1 裝置原理及構(gòu)成

該裝置包含了能見(jiàn)度測(cè)量系統(tǒng)和CO2測(cè)量系統(tǒng)，如圖1所示。

光的衰減是由沿光束路徑上微粒的散射和吸收造成的，在能見(jiàn)度測(cè)量系統(tǒng)中，激光發(fā)射管發(fā)射激光，硅光電池檢測(cè)采樣空間內(nèi)水平空氣柱的光透過(guò)率，光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，此時(shí)電壓的變化即反映了能見(jiàn)度的變化，本裝置通過(guò)單片機(jī)控制多個(gè)LED燈，直觀反映被測(cè)環(huán)境能見(jiàn)度的大小。在CO，測(cè)量系統(tǒng)中，CO2傳感器使用MG811，該傳感器采用固體電解質(zhì)電池原理，采樣傳感器敏感電極與參考電極間的電勢(shì)差(EMF)該電勢(shì)差經(jīng)過(guò)放大和溫度補(bǔ)償輸入單片機(jī)，公式修正轉(zhuǎn)換成CO2濃度值并通過(guò)LCD液晶屏顯示，用蜂鳴器對(duì)高濃度CO2條件報(bào)警。

2 硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

該裝置硬件電路可分為信號(hào)采集電路、控制電路和顯示電路三部分，該裝置主要功能框圖如圖2所示。其中信號(hào)采集電路包括激光發(fā)射端、光敏接收端和CO2傳感電路，用于采集待測(cè)信號(hào)。控制電路為信號(hào)放大電路和數(shù)據(jù)控制處理單元，用于對(duì)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。顯示電路包括能見(jiàn)度分級(jí)顯示電路、CO2濃度顯示和報(bào)警電路，實(shí)時(shí)輸出結(jié)果，直觀反映當(dāng)前環(huán)境的能見(jiàn)度和CO2濃度。系統(tǒng)主要功能電路圖如圖3所示。

2.1.1 信號(hào)采集電路

激光發(fā)射端采用發(fā)射峰值波長(zhǎng)為650.0 nm紅光的激光發(fā)射管，微調(diào)儀用于對(duì)準(zhǔn)接收端，位于采樣筒一端。

接收端采用硅光電色敏二極管，帶峰值波長(zhǎng)為650.0 nm的增透膜，防止雜光干擾，位于采樣筒另一端。發(fā)射端發(fā)射來(lái)的激光通過(guò)采樣空間由硅光電色敏二極管接收轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)NE5532可調(diào)放大電路放大至0～3.5 V范圍，送入單片機(jī)處理?？烧{(diào)放大電路使信號(hào)電壓放大約200倍。

CO2傳感電路和引腳圖如圖4所示，包括MG811CO2氣體傳感探頭，LM393電壓比較器等。MG811測(cè)試CO2的濃度范圍在0～10 000 ppm，可探測(cè)各種環(huán)境下CO2的濃度值。

2.1.2 控制電路

該套裝置由具有自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的芯片STC12C5A60S2控制，它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，可以為外圍的電路提供足夠的IO端口。本設(shè)計(jì)配置11.059 2 MHz的晶振為主系統(tǒng)的工作時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)對(duì)能見(jiàn)度和CO2數(shù)據(jù)的采集分析及對(duì)顯示部分的控制。

2.1.3 顯示電路

顯示電路包括了能見(jiàn)度顯示、CO2濃度顯示及報(bào)警電路。其中能見(jiàn)度采集裝置采樣來(lái)的信號(hào)經(jīng)控制電路控制LED燈顯示結(jié)果。為了更直觀表示能見(jiàn)度大小，該裝置將能見(jiàn)度由小到大設(shè)置為6級(jí)顯示結(jié)構(gòu)，紅黃綠LED燈各兩個(gè)，紅燈表示能見(jiàn)度很低，黃燈表示能見(jiàn)度低，綠燈表示能見(jiàn)度良好。

CO2濃度顯示電路用LCD1602液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)。LCD1602字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式LCD，單片機(jī)控制該模塊顯示CO2濃度。當(dāng)能見(jiàn)度低于預(yù)先設(shè)定的某一值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

圖5是系統(tǒng)流程圖。首先對(duì)LCD、A/D轉(zhuǎn)換和串口進(jìn)行初始化操作，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將傳感器采集到的能見(jiàn)度和CO2濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)LED顯示能見(jiàn)度，通過(guò)LCD顯示CO2濃度，通過(guò)蜂鳴器反映CO2是否高于預(yù)設(shè)值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了更有效測(cè)試該裝置的測(cè)量范圍和靈敏度，選用干冰作為實(shí)驗(yàn)輔助材料。干冰在空氣中升華，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氣態(tài)CO2，用以模擬未知環(huán)境下不同CO2濃度，同時(shí)產(chǎn)生白煙以改變能見(jiàn)度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果如圖6，圖7所示。

對(duì)比兩圖采樣點(diǎn)變化先后，可以看出在CO2濃度高的時(shí)段，能見(jiàn)度降到了最低，這與實(shí)際情況是非常吻合的。同時(shí)可知該裝置的能見(jiàn)度識(shí)別靈敏，同時(shí)結(jié)果也表明，該裝置在高濃度CO2條件下有很好的適應(yīng)能力。

4 結(jié)語(yǔ)

研究并實(shí)現(xiàn)了一種易于操作且參數(shù)可變的透射式能見(jiàn)度測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣能見(jiàn)度的分級(jí)檢測(cè)。在外界其他條件不變的情況下，能見(jiàn)度越低，感應(yīng)出的直流電壓越小。與此同時(shí)裝置加入了CO2探測(cè)器，在測(cè)量大氣中能見(jiàn)度的同時(shí)能夠檢測(cè)環(huán)境中CO2的含量。該裝置物理原理清晰，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作且參數(shù)可調(diào)，同時(shí)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，加入其他不同的有害氣體傳感器，可以對(duì)大氣中的各種有害物質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。