設計一個簡易的透射式能見度測量裝置，需要考慮以下關鍵部分：光源、接收器、信號處理電路、主控單元、顯示及通訊模塊等。本文將從原理、各個模塊的設計及主控芯片的選擇等方面展開詳細描述。

一、透射式能見度測量裝置的工作原理

透射式能見度測量基于光的衰減原理。在光源和接收器之間安裝光電探測裝置，通過測量光在空氣中傳播時的衰減程度，來計算能見度值。空氣中的顆粒物（如煙霧、霧氣、塵埃）會對光產生散射和吸收效應，導致到達接收器的光強減弱。通過測量光強衰減的比例，可以反推出空氣的透明度和能見度。

二、系統設計方案

設計方案包括光源、光電接收器、信號放大與處理、主控單元、顯示和數據傳輸模塊。各模塊的具體實現如下：

1. 光源設計

光源選擇波長范圍在500-700nm之間的可見光LED，方便檢測并適合環境光譜。常用型號有以下幾種：

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

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

光源需要保持恒定的亮度，因此可以設計一個恒流驅動電路，確保LED的輸出功率穩定。

2. 光電接收器設計

光電接收器用于檢測LED發出的光強，并將光信號轉換為電信號。常用的光電二極管型號有：

• TSL2561：一個具有寬動態范圍的數字光傳感器，內置ADC可以直接輸出數字信號，方便與MCU連接。

• BPW34：靈敏度高的光電二極管，響應速度快，適合模擬信號輸出，便于后續放大與處理。

TSL2561可用于低功耗設計，避免增加ADC模塊，也可以用BPW34配合信號處理電路來實現信號放大。

3. 信號放大與處理電路

對于光電二極管輸出的微弱電流信號，設計一個高增益的放大電路尤為重要。常用的運算放大器包括：

• OPA333：具有超低噪聲和高精度，適合用于微小信號的精密放大。

• LM358：雙運放芯片，成本低廉，適合基礎設計。可以通過電阻設定增益，達到理想的信號放大效果。

OPA333可以確保信號傳輸過程中不受干擾，而LM358可以在較低的預算下完成基本放大任務。可以通過比較放大后信號的幅度變化，來確定能見度。

4. 主控單元

主控單元負責處理放大后的信號，進行計算處理，并將結果輸出到顯示模塊。這里推薦以下幾種主控芯片型號：

• STM32F103RCT6：基于ARM Cortex-M3內核，具備高速ADC，適合高精度測量任務。集成豐富的外設接口，適合多種通訊需求。

• GD32E230C8T6：是一款基于ARM Cortex-M23內核的32位低功耗MCU，性價比高，適合需要較低功耗的設計場景。

• ATmega328P：8位微控制器，內置10位ADC，可用于入門級設計。Arduino平臺上也常使用該芯片，開發資源豐富，便于原型驗證。

STM32F103RCT6適合追求高精度和穩定性的應用，GD32E230C8T6則在功耗控制方面具有優勢，而ATmega328P適合低成本的簡易設計。

5. 顯示與數據傳輸模塊

顯示模塊可以選擇LCD或OLED顯示屏，以實時顯示能見度值。數據傳輸方面可以考慮使用UART、I2C或藍牙模塊，實現數據遠程傳輸。

• OLED模塊SSD1306：自發光、對比度高，支持I2C接口，適合小尺寸顯示。

• HC-05藍牙模塊：用于實現藍牙通信，便于與移動設備連接，遠程監控數據。

6. 電源管理

電源管理涉及到穩定的電壓提供，特別是在LED驅動和信號處理部分，需要使用穩壓電路。推薦使用以下電源管理芯片：

• LM317T：可調穩壓器，適合精細控制LED的驅動電壓。

• SY8120B1ABC：一款DC-DC電源芯片，轉換效率高，適合便攜式設備設計。

三、系統功能實現與流程設計

1. 光源發射光束：光源LED發射恒定光強，經過空氣到達光接收器。

2. 信號檢測與放大：光電二極管將接收到的光信號轉換為電信號，經由放大器處理，得到與光強度成正比的電壓信號。

3. 主控單元處理：主控MCU通過ADC采樣該電壓信號，將信號數值與預先設置的標準值進行比較，計算空氣中的顆粒濃度，從而計算能見度。

4. 數據顯示與傳輸：計算結果通過顯示屏顯示，用戶可以直觀看到當前環境的能見度情況；若需要遠程監控，則通過藍牙或其他通訊模塊傳輸數據。

四、主控芯片的選擇和作用

1. STM32F103RCT6

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

• 在設計中的作用：高精度ADC確保數據采樣精確，保證測量結果的準確性。STM32的豐富接口資源使得顯示、傳輸功能的擴展性更強。

2. GD32E230C8T6

• 型號特點：采用Cortex-M23架構，主頻48 MHz，低功耗設計。

• 在設計中的作用：GD32E230C8T6可以在低功耗條件下穩定工作，適合長時間連續采樣的設計場景。該芯片的性價比高，非常適合大規模應用。

3. ATmega328P

• 型號特點：AVR 8位MCU，工作頻率20 MHz，帶10位ADC。

• 在設計中的作用：ATmega328P是簡易方案的理想選擇，開發資源豐富，適合快速構建原型系統。雖然精度較低，但對于一般環境的測量需求已足夠。

五、系統優化與設計建議

1. 提高光源穩定性：通過采用LM317T穩壓電路，使LED光源穩定工作，避免環境溫度、供電波動等因素影響光強。

2. 增加防塵設計：在光電接收器和LED光源處加裝防塵罩，以減少顆粒沉積對測量的影響。

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

4. 優化電源管理：使用SY8120B1ABC等高效DC-DC轉換芯片，可以減少電源損耗，延長設備的續航時間。

六、結論

通過合理設計各個模塊、選擇合適的主控芯片和電源管理芯片，能夠實現一個穩定、低功耗的透射式能見度測量裝置。系統主要由光源、光電接收器、信號放大處理、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。每個模塊的設計都關系到系統的整體性能，因此在具體實現時需要對各環節進行詳細測試和優化。