一種簡(jiǎn)易的透射式能見度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)方案
0 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/367208.htm能見度即目標(biāo)物的能見距離,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,由于種種原因,世界各地大氣能見度越來越低,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和能見度測(cè)量迫在眉睫。
目前國際上已經(jīng)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(cè)量?jī)x器的研究還未成熟。
本文提出一種簡(jiǎn)易的透射式能見度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)方案,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,本方案基本滿足日常生活所需。
1 測(cè)量裝置原理及構(gòu)成框圖
該裝置包含了能見度測(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度的變化,本裝置通過單片機(jī)控制多個(gè)LED燈,直觀反映被測(cè)環(huán)境能見度的大小。在CO2 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)??刂齐娐窞樾盘?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)射來的激光通過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度顯示、CO2 濃度顯示及報(bào)警電路。其中能見度采集裝置采樣來的信號(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度大小,該裝置將能見度由小到大設(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(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A/D轉(zhuǎn)換將傳感器采集到的能見度和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(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
本文提出了一種易于操作且參數(shù)可變的透射式能見度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣能見度的分級(jí)檢測(cè)。在外界其他條件不變的情況下,能見度越低,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)。
評(píng)論