一種簡易的透射式能見度測量裝置的設(shè)計方案

在氣象學(xué)、交通監(jiān)測以及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，能見度是一個至關(guān)重要的參數(shù)。能見度的準(zhǔn)確測量對于確保道路安全、評估空氣質(zhì)量以及監(jiān)測氣象條件具有重要意義。本文提出了一種簡易的透射式能見度測量裝置的設(shè)計方案，并詳細(xì)闡述了其硬件組成、主控芯片的選擇及其在整體設(shè)計中的作用。

一、引言

透射式能見度測量裝置基于光透過率的原理，通過測量光在特定距離內(nèi)的衰減來估算能見度。該方法具有測量準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速、適應(yīng)性強等優(yōu)點。本文設(shè)計的裝置不僅具備基本的能見度測量功能，還集成了CO2濃度檢測功能，以滿足更多應(yīng)用場景的需求。

二、系統(tǒng)組成

1. 硬件組成

本裝置主要由能見度測量系統(tǒng)、CO2測量系統(tǒng)、控制電路、顯示電路及報警電路等部分組成。

• 能見度測量系統(tǒng)：包括激光發(fā)射管、硅光電池、采樣筒及微調(diào)儀等。激光發(fā)射管發(fā)射特定波長的激光，通過采樣空間后由硅光電池接收，轉(zhuǎn)換為電信號。光信號的衰減程度反映了能見度的高低。

• CO2測量系統(tǒng)：采用MG811 CO2傳感器，基于固體電解質(zhì)電池原理，通過測量敏感電極與參考電極間的電勢差來估算CO2濃度。

• 控制電路：負(fù)責(zé)信號的放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。

• 顯示電路：包括LCD液晶屏和LED指示燈，用于實時顯示能見度和CO2濃度值。

• 報警電路：當(dāng)CO2濃度超過預(yù)設(shè)閾值時，觸發(fā)蜂鳴器報警。

2. 主控芯片選擇及作用

在硬件設(shè)計中，主控芯片是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲及顯示等任務(wù)。本文選擇了具有自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的低功耗、高性能CMOS 8位微控制器——STC12C5A60S2作為主控芯片。

2.1 STC12C5A60S2芯片介紹

STC12C5A60S2是STC公司推出的一款增強型8051單片機，具有高速、低功耗、超強抗干擾能力等特點。該芯片內(nèi)部集成了豐富的外設(shè)資源，包括多個I/O端口、定時器/計數(shù)器、UART串口通信接口、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，非常適合用于需要高精度數(shù)據(jù)采集和處理的場合。

2.2 主控芯片在設(shè)計方案中的作用

1. 數(shù)據(jù)采集：STC12C5A60S2通過其內(nèi)置的ADC模塊，對來自能見度測量系統(tǒng)和CO2測量系統(tǒng)的模擬信號進行采樣和轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，便于后續(xù)處理。

2. 數(shù)據(jù)處理：單片機接收到的數(shù)字信號經(jīng)過濾波、去噪等處理后，根據(jù)預(yù)設(shè)的算法計算出能見度和CO2濃度值。算法的實現(xiàn)依賴于單片機強大的計算能力。

3. 顯示控制：單片機通過控制LCD液晶屏和LED指示燈，將計算結(jié)果實時顯示出來。LCD液晶屏用于顯示CO2濃度值，而LED指示燈則通過不同的顏色（紅、黃、綠）和數(shù)量來直觀表示能見度等級。

4. 報警功能：當(dāng)CO2濃度超過預(yù)設(shè)閾值時，單片機通過控制蜂鳴器發(fā)出報警聲，提醒用戶注意。

5. 通信接口：STC12C5A60S2提供UART串口通信接口，方便與其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換和遠程控制。

三、詳細(xì)設(shè)計方案

1. 能見度測量系統(tǒng)

激光發(fā)射管：采用發(fā)射峰值波長為650.0 nm的紅光激光發(fā)射管，具有較高的光效和較好的單色性。發(fā)射端位于采樣筒一端，通過微調(diào)儀確保激光束準(zhǔn)確對準(zhǔn)接收端。

硅光電池：接收端采用硅光電色敏二極管，帶峰值波長為650.0 nm的增透膜，以提高對激光的接收效率并防止雜光干擾。接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)過NE5532可調(diào)放大電路放大至0~3.5 V范圍，送入單片機處理。

信號采集與處理：單片機通過ADC模塊采集放大后的電壓信號，并根據(jù)光衰減與能見度的關(guān)系計算出能見度值。為了提高測量精度，還加入了溫度補償電路以消除溫度變化對測量結(jié)果的影響。

2. CO2測量系統(tǒng)

MG811 CO2傳感器：該傳感器采用固體電解質(zhì)電池原理，具有測量范圍廣（0~10000 ppm）、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。傳感器輸出的電勢差經(jīng)過放大和溫度補償后輸入單片機進行處理。

數(shù)據(jù)處理與顯示：單片機將接收到的電勢差信號轉(zhuǎn)換為CO2濃度值，并通過LCD液晶屏顯示出來。同時，當(dāng)CO2濃度超過預(yù)設(shè)閾值時，觸發(fā)蜂鳴器報警。

3. 控制電路與顯示電路

控制電路：包括信號放大電路、濾波電路、數(shù)據(jù)控制處理單元等部分。信號放大電路用于將微弱的電信號放大至單片機可識別的范圍；濾波電路用于去除信號中的噪聲干擾；數(shù)據(jù)控制處理單元則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析和處理。

顯示電路：包括LCD液晶屏和LED指示燈。LCD液晶屏用于顯示CO2濃度值；LED指示燈則通過紅黃綠三種顏色的不同組合來表示能見度等級。

四、實驗驗證與結(jié)果分析

為了驗證本裝置的性能和可靠性，進行了多次實驗。實驗結(jié)果表明，該裝置能夠準(zhǔn)確測量能見度和CO2濃度值，并具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。同時，在高濃度CO2條件下也能保持良好的適應(yīng)能力。

五、結(jié)論與展望

本文提出了一種簡易的透射式能見度測量裝置的設(shè)計方案，并詳細(xì)闡述了其硬件組成、主控芯片的選擇及其在整體設(shè)計中的作用。實驗結(jié)果表明，該裝置具有測量準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速、適應(yīng)性強等優(yōu)點，能夠滿足日常生活和交通監(jiān)測等領(lǐng)域的需求。未來，可以進一步優(yōu)化算法和硬件設(shè)計，提高測量精度和穩(wěn)定性；同時加入更多傳感器以實現(xiàn)多參數(shù)綜合監(jiān)測。