空氣能見度和CO2濃度測量裝置的設計與研究

 摘要：探索并實現(xiàn)一種簡易透射式能見度和CO2濃度測量裝置。介紹了所設計裝置的基本測量原理、硬件電路圖和軟件流程圖。同時，實驗驗證了其測量能見度和CO2濃度的性能。裝置不僅測量方便，而且具有經(jīng)濟、實用和便攜等優(yōu)勢。

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(chǎn)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(jīng)研制出的能見度儀器有透射式和散射式兩大類，而我國能見度測量儀器的研究還未成熟。本文提出一種簡單的透射法測量能見度的方法，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(jié)果一目了然。體積小易攜帶，數(shù)據(jù)實時性好，靈活度大。實驗驗證，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(nèi)水平空氣柱的光透過率，光信號轉(zhuǎn)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CO，測量系統(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差(EMF)該電勢差經(jīng)過放大和溫度補償輸入單片機，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。控制電路為信號放大電路和數(shù)據(jù)控制處理單元，用于對采樣到的數(shù)據(jù)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(jié)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(diào)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(zhuǎn)換成電信號，通過NE5532可調(diào)放大電路放大至0～3.5 V范圍，送入單片機處理。可調(diào)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(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。本設計配置11.059 2 MHz的晶振為主系統(tǒng)的工作時鐘實現(xiàn)對能見度和CO2數(shù)據(jù)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(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置為6級顯示結(jié)構(gòu)，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(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(zhuǎn)換和串口進行初始化操作，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)換成單片機可識別的數(shù)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(jié)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(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，同時產(chǎn)生白煙以改變能見度。經(jīng)實驗得出的結(jié)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(jié)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(jié)語

研究并實現(xiàn)了一種易于操作且參數(shù)可變的透射式能見度測量裝置，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單，易于操作且參數(shù)可調(diào)，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(zhì)進行實時檢測。