一種簡易的透射式能見度測量裝置的設計方案

　　0 引言

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

　　目前國際上已經研制出的能見度儀器有透射式和散射式兩大類，而我國能見度測量儀器的研究還未成熟。

　　本文提出一種簡易的透射式能見度測量裝置的設計方案，同時配備CO2 檢測功能。利用單片機控制，集測量、顯示于一體，儀器簡單實用，測量結果一目了然。體積小易攜帶，數據實時性好，靈活度大。實驗驗證，本方案基本滿足日常生活所需。

　　1 測量裝置原理及構成框圖

　　該裝置包含了能見度測量系統(tǒng)和CO2 測量系統(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，在能見度測量系統(tǒng)中，激光發(fā)射管發(fā)射激光，硅光電池檢測采樣空間內水平空氣柱的光透過率，光信號轉換成電壓信號，此時電壓的變化即反映了能見度的變化，本裝置通過單片機控制多個LED燈，直觀反映被測環(huán)境能見度的大小。在CO2 測量系統(tǒng)中，CO2 傳感器使用MG811，該傳感器采用固體電解質電池原理，采樣傳感器敏感電極與參考電極間的電勢差（EMF），該電勢差經過放大和溫度補償輸入單片機，公式修正轉換成CO2濃度值并通過LCD液晶屏顯示，用蜂鳴器對高濃度CO2條件報警。

　　2 硬件和軟件設計

　　2.1 硬件設計

　　該裝置硬件電路可分為信號采集電路、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，用于采集待測信號?？刂齐娐窞樾盘柗糯箅娐泛蛿祿刂铺幚韱卧?，用于對采樣到的數據進行分析和處理。顯示電路包括能見度分級顯示電路、CO2 濃度顯示和報警電路，實時輸出結果，直觀反映當前環(huán)境的能見度和CO2 濃度。系統(tǒng)主要功能電路圖如圖3所示。

　　2.1.1 信號采集電路

　　激光發(fā)射端采用發(fā)射峰值波長為650.0 nm 紅光的激光發(fā)射管，微調儀用于對準接收端，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)射來的激光通過采樣空間由硅光電色敏二極管接收轉換成電信號，通過NE5532可調放大電路放大至0~3.5 V范圍，送入單片機處理?？烧{放大電路使信號電壓放大約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測試CO2 的濃度范圍在0~10 000 ppm，可探測各種環(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。本設計配置11.059 2 MHz 的晶振為主系統(tǒng)的工作時鐘實現對能見度和CO2 數據的采集分析及對顯示部分的控制。

　　2.1.3 顯示電路

　　顯示電路包括了能見度顯示、CO2 濃度顯示及報警電路。其中能見度采集裝置采樣來的信號經控制電路控制LED 燈顯示結果。為了更直觀表示能見度大小，該裝置將能見度由小到大設置為6 級顯示結構，紅黃綠LED 燈各兩個，紅燈表示能見度很低，黃燈表示能見度低，綠燈表示能見度良好。

　　CO2 濃度顯示電路用LCD1602 液晶顯示屏實現。LCD1602字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，單片機控制該模塊顯示CO2 濃度。當能見度低于預先設定的某一值時，蜂鳴器報警。

　　2.2 軟件設計

　　圖5是系統(tǒng)流程圖。首先對LCD、A/D 轉換和串口進行初始化操作，然后通過A/D轉換將傳感器采集到的能見度和CO2 濃度數據轉換成單片機可識別的數字信號，通過LED 顯示能見度，通過LCD 顯示CO2 濃度，通過蜂鳴器反映CO2 是否高于預設值。

　　3 實驗結果與分析

　　為了更有效測試該裝置的測量范圍和靈敏度，選用干冰作為實驗輔助材料。干冰在空氣中升華，短時間內產生大量氣態(tài)CO2，用以模擬未知環(huán)境下不同CO2濃度，同時產生白煙以改變能見度。經實驗得出的結果如圖6，圖7所示。

　　對比兩圖采樣點變化先后，可以看出在CO2 濃度高的時段，能見度降到了最低，這與實際情況是非常吻合的。同時可知該裝置的能見度識別靈敏，同時結果也表明，該裝置在高濃度CO2 條件下有很好的適應能力。

　　4 結語

　　本文提出了一種易于操作且參數可變的透射式能見度測量裝置的設計方案，實現了對大氣能見度的分級檢測。在外界其他條件不變的情況下，能見度越低，感應出的直流電壓越小。與此同時裝置加入了CO2 探測器，在測量大氣中能見度的同時能夠檢測環(huán)境中CO2 的含量。該裝置物理原理清晰，結構簡單，易于操作且參數可調，同時具有很強的擴展性，加入其他不同的有害氣體傳感器，可以對大氣中的各種有害物質進行實時檢測。