設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的透射式能見度測(cè)量裝置，需要考慮以下關(guān)鍵部分：光源、接收器、信號(hào)處理電路、主控單元、顯示及通訊模塊等。本文將從原理、各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)及主控芯片的選擇等方面展開詳細(xì)描述。

一、透射式能見度測(cè)量裝置的工作原理

透射式能見度測(cè)量基于光的衰減原理。在光源和接收器之間安裝光電探測(cè)裝置，通過(guò)測(cè)量光在空氣中傳播時(shí)的衰減程度，來(lái)計(jì)算能見度值?？諝庵械念w粒物（如煙霧、霧氣、塵埃）會(huì)對(duì)光產(chǎn)生散射和吸收效應(yīng)，導(dǎo)致到達(dá)接收器的光強(qiáng)減弱。通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)衰減的比例，可以反推出空氣的透明度和能見度。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案包括光源、光電接收器、信號(hào)放大與處理、主控單元、顯示和數(shù)據(jù)傳輸模塊。各模塊的具體實(shí)現(xiàn)如下：

1. 光源設(shè)計(jì)

光源選擇波長(zhǎng)范圍在500-700nm之間的可見光LED，方便檢測(cè)并適合環(huán)境光譜。常用型號(hào)有以下幾種：

• LTST-C191KRKT-BT：這是常見的紅色貼片LED，體積小、亮度高，適合緊湊型設(shè)計(jì)。

• LXML-PD01-0040：此LED提供較寬的光角和較高的光強(qiáng)，適合需要廣泛覆蓋光接收區(qū)域的應(yīng)用。

光源需要保持恒定的亮度，因此可以設(shè)計(jì)一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)電路，確保LED的輸出功率穩(wěn)定。

2. 光電接收器設(shè)計(jì)

光電接收器用于檢測(cè)LED發(fā)出的光強(qiáng)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。常用的光電二極管型號(hào)有：

• TSL2561：一個(gè)具有寬動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字光傳感器，內(nèi)置ADC可以直接輸出數(shù)字信號(hào)，方便與MCU連接。

• BPW34：靈敏度高的光電二極管，響應(yīng)速度快，適合模擬信號(hào)輸出，便于后續(xù)放大與處理。

TSL2561可用于低功耗設(shè)計(jì)，避免增加ADC模塊，也可以用BPW34配合信號(hào)處理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大。

3. 信號(hào)放大與處理電路

對(duì)于光電二極管輸出的微弱電流信號(hào)，設(shè)計(jì)一個(gè)高增益的放大電路尤為重要。常用的運(yùn)算放大器包括：

• OPA333：具有超低噪聲和高精度，適合用于微小信號(hào)的精密放大。

• LM358：雙運(yùn)放芯片，成本低廉，適合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)?？梢酝ㄟ^(guò)電阻設(shè)定增益，達(dá)到理想的信號(hào)放大效果。

OPA333可以確保信號(hào)傳輸過(guò)程中不受干擾，而LM358可以在較低的預(yù)算下完成基本放大任務(wù)?？梢酝ㄟ^(guò)比較放大后信號(hào)的幅度變化，來(lái)確定能見度。

4. 主控單元

主控單元負(fù)責(zé)處理放大后的信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算處理，并將結(jié)果輸出到顯示模塊。這里推薦以下幾種主控芯片型號(hào)：

• STM32F103RCT6：基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，具備高速ADC，適合高精度測(cè)量任務(wù)。集成豐富的外設(shè)接口，適合多種通訊需求。

• GD32E230C8T6：是一款基于ARM Cortex-M23內(nèi)核的32位低功耗MCU，性價(jià)比高，適合需要較低功耗的設(shè)計(jì)場(chǎng)景。

• ATmega328P：8位微控制器，內(nèi)置10位ADC，可用于入門級(jí)設(shè)計(jì)。Arduino平臺(tái)上也常使用該芯片，開發(fā)資源豐富，便于原型驗(yàn)證。

STM32F103RCT6適合追求高精度和穩(wěn)定性的應(yīng)用，GD32E230C8T6則在功耗控制方面具有優(yōu)勢(shì)，而ATmega328P適合低成本的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)。

5. 顯示與數(shù)據(jù)傳輸模塊

顯示模塊可以選擇LCD或OLED顯示屏，以實(shí)時(shí)顯示能見度值。數(shù)據(jù)傳輸方面可以考慮使用UART、I2C或藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

• OLED模塊SSD1306：自發(fā)光、對(duì)比度高，支持I2C接口，適合小尺寸顯示。

• HC-05藍(lán)牙模塊：用于實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信，便于與移動(dòng)設(shè)備連接，遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

6. 電源管理

電源管理涉及到穩(wěn)定的電壓提供，特別是在LED驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理部分，需要使用穩(wěn)壓電路。推薦使用以下電源管理芯片：

• LM317T：可調(diào)穩(wěn)壓器，適合精細(xì)控制LED的驅(qū)動(dòng)電壓。

• SY8120B1ABC：一款DC-DC電源芯片，轉(zhuǎn)換效率高，適合便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)。

三、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與流程設(shè)計(jì)

1. 光源發(fā)射光束：光源LED發(fā)射恒定光強(qiáng)，經(jīng)過(guò)空氣到達(dá)光接收器。

2. 信號(hào)檢測(cè)與放大：光電二極管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)由放大器處理，得到與光強(qiáng)度成正比的電壓信號(hào)。

3. 主控單元處理：主控MCU通過(guò)ADC采樣該電壓信號(hào)，將信號(hào)數(shù)值與預(yù)先設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，計(jì)算空氣中的顆粒濃度，從而計(jì)算能見度。

4. 數(shù)據(jù)顯示與傳輸：計(jì)算結(jié)果通過(guò)顯示屏顯示，用戶可以直觀看到當(dāng)前環(huán)境的能見度情況；若需要遠(yuǎn)程監(jiān)控，則通過(guò)藍(lán)牙或其他通訊模塊傳輸數(shù)據(jù)。

四、主控芯片的選擇和作用

1. STM32F103RCT6

• 型號(hào)特點(diǎn)：基于ARM Cortex-M3，具有多達(dá)12位分辨率的ADC通道，工作頻率為72 MHz，支持豐富的外設(shè)接口。

• 在設(shè)計(jì)中的作用：高精度ADC確保數(shù)據(jù)采樣精確，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。STM32的豐富接口資源使得顯示、傳輸功能的擴(kuò)展性更強(qiáng)。

2. GD32E230C8T6

• 型號(hào)特點(diǎn)：采用Cortex-M23架構(gòu)，主頻48 MHz，低功耗設(shè)計(jì)。

• 在設(shè)計(jì)中的作用：GD32E230C8T6可以在低功耗條件下穩(wěn)定工作，適合長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采樣的設(shè)計(jì)場(chǎng)景。該芯片的性價(jià)比高，非常適合大規(guī)模應(yīng)用。

3. ATmega328P

• 型號(hào)特點(diǎn)：AVR 8位MCU，工作頻率20 MHz，帶10位ADC。

• 在設(shè)計(jì)中的作用：ATmega328P是簡(jiǎn)易方案的理想選擇，開發(fā)資源豐富，適合快速構(gòu)建原型系統(tǒng)。雖然精度較低，但對(duì)于一般環(huán)境的測(cè)量需求已足夠。

五、系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計(jì)建議

1. 提高光源穩(wěn)定性：通過(guò)采用LM317T穩(wěn)壓電路，使LED光源穩(wěn)定工作，避免環(huán)境溫度、供電波動(dòng)等因素影響光強(qiáng)。

2. 增加防塵設(shè)計(jì)：在光電接收器和LED光源處加裝防塵罩，以減少顆粒沉積對(duì)測(cè)量的影響。

3. 提升信號(hào)處理的抗干擾性：在信號(hào)放大電路上增加低通濾波電路，去除噪聲干擾，確保信號(hào)純凈。

4. 優(yōu)化電源管理：使用SY8120B1ABC等高效DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，可以減少電源損耗，延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

六、結(jié)論

通過(guò)合理設(shè)計(jì)各個(gè)模塊、選擇合適的主控芯片和電源管理芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定、低功耗的透射式能見度測(cè)量裝置。系統(tǒng)主要由光源、光電接收器、信號(hào)放大處理、主控單元、顯示和通訊模塊組成。主控芯片推薦使用STM32F103RCT6、GD32E230C8T6或ATmega328P。每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)都關(guān)系到系統(tǒng)的整體性能，因此在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)需要對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試和優(yōu)化。