空氣能見度和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)一種簡易透射式能見度和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)。

關(guān)鍵詞： 透射式； 能見度； CO2濃度； STC12C5A60S2

中圖分類號(hào)： TN710?34； P412.17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）23?0107?03

Design and research on air visibility and CO2 concentration measuring device

ZHANG Min1， LIN Hui?ming1， YANG Hong2， HUANG Wen?qi2

（1. School of Information and Communication Engineering， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100101， China；

2. College of Science， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： A simple transmission?model device for testing air visibility and CO2 concentration is explored and achieved. The basic principle of the device is introduced， and the hardware circuit and software flow chart are detailed. At the same time， the measurement performance of testing visibility and CO2 concentration is verified by experiment. The device is not only convenient， but also economical， practical and portable.

Keywords： transmission?mode； visibility； CO2 concentration； STC12C5A60S2

0 引 言

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[1]。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)量儀器的研究還未成熟[2]。本文提出一種簡單的透射法[3] 測(cè)量能見度的方法，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

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

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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[4]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)。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。

圖2 系統(tǒng)主要功能圖

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。可調(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MG811 CO2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。

圖4 CO2傳感電路和引腳圖

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。

圖5 軟件流程圖

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。

圖6 能見度變化圖

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。

圖7 CO2濃度變化

4 結(jié) 語

研究并實(shí)現(xiàn)了一種易于操作且參數(shù)可變的透射式能見度測(cè)量裝置，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)。

參考文獻(xiàn)

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