基于SUV－C的紫外線強度監(jiān)測系統(tǒng)

曹 禹，時維鐸

(南京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，江蘇南京210037)

目前，人們越來越關(guān)注紫外線強度的檢測，對紫外線的危害和利用價值都有了更深刻的認識，所以，對紫外線強度進行精確測量非常必要。然而，市場上的一些紫外線強度檢測儀不僅價格昂貴，在工業(yè)自動控制領(lǐng)域也無法靈活應(yīng)用，本文設(shè)計的一種基于SUV－C的紫外線強度監(jiān)測系統(tǒng)具有設(shè)計簡單、成本低、功耗低等優(yōu)點，方便嵌入式和工業(yè)自動控制場合應(yīng)用，在現(xiàn)階段具有現(xiàn)實意義。

紫外線位于X射線和可見光之間，其殺菌的有效波長范圍可分為4個波段:UVA(400～315 nm)，UVB(315～280 nm)，UVC(280 ～200 nm)和 VUV(200 ～100 nm)［1］。對于醫(yī)療和化工領(lǐng)域，就殺菌速度而言，UVC正好處于微生物吸收范圍之內(nèi)。紫外線消毒實際上就是指UVC消毒。紫外線用于工業(yè)污水的消毒，是物理消毒方式的一種，具有殺菌效率高、不產(chǎn)生二次污染、運行安全可靠等優(yōu)點，因此，近年來受到眾多污水處理廠的青睞，而且紫外線技術(shù)在21世紀(jì)仍將是人們所關(guān)注的消毒技術(shù)之一。目前，電極式紫外消毒系統(tǒng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是，在處理污水的過程中，UVC輸出會隨著時間的推移而衰減，使紫外線消毒在應(yīng)用于污水處理上受到限制［2］。

本文設(shè)計了一種紫外線強度監(jiān)測系統(tǒng)，采用SUV－C紫外線傳感器模塊對紫外線光源進行強度檢測，將采集到的信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換調(diào)理電路后，傳送至人機交互界面進行顯示，使工作人員實時掌握紫外線強度的大小，使其殺菌能力始終保持最高，從而提高了紫外線殺菌的效果和效率［3］。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)設(shè)計由紫外線傳感器采集模塊、ARM核心控制電路、人機交互等部分組成。根據(jù)紫外線傳感器對紫外光的光電效應(yīng)原理，該系統(tǒng)以LPC2131作為微處理器，通過紫外線傳感器SUV－C將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，輸出的電流信號?jīng)放大電路后得到電壓信號，通過 A/D轉(zhuǎn)換器送往LPC2131進行處理，最后在液晶屏上顯示出紫外線強度并適時給出報警信號(利用按鍵可以消除報警)。系統(tǒng)硬件的總體框圖如圖1所示。

圖1 硬件總體框圖

1.1 微處理器LPC2131

LPC2131是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16位微控制器，并帶有32kB的嵌入高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使代碼能夠在最大時鐘速率下運行。芯片高度的運行速度、廣泛的適用性和很低的功耗使得其可以良好地完成該系統(tǒng)中現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、分析計算以及控制顯示等要求。同時，片內(nèi)帶有防鎖死的看門狗，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行［4］。

1.2 紫外線傳感器模塊SUV－C

SUV－C紫外線傳感器選用納米材料，采用先進的加工工藝，具有響應(yīng)快、穩(wěn)定性高和良好的可見光截止特性。它對可見光不敏感，其檢測UV波長范圍在200～280 nm之間，適用于UVC波段紫外光的監(jiān)測，多應(yīng)用于空氣處理系統(tǒng)紫外光源監(jiān)測、臭氧濃度監(jiān)測以及污水處理紫外殺菌光源監(jiān)測等方面。在工業(yè)污水處理中，殺菌燈的紫外線強度很高，一般要求表面紫外線強度最低為30 mW/cm2。在不同光譜范圍內(nèi)，SUV－C有不同的響應(yīng)速度，當(dāng)光譜達到257 nm時，SUV－C達到峰值響應(yīng)，其響應(yīng)曲線如圖2所示。

在不同的紫外線強度環(huán)境下，SUV－C的輸出電流與紫外線強度呈線性變化，分辨率可達10 μW/cm2，其輸出電流響應(yīng)曲線如圖3所示［5］。

圖2 波長－響應(yīng)率曲線

圖3 SUV－C輸出電流響應(yīng)曲線

1.3 人機交互部分

人機交互由兩部分組成:液晶顯示部分和鍵盤控制部分。其中，鍵盤控制部分主要由3個獨立按鍵組成，分別為復(fù)位鍵、翻頁鍵和消除報警鍵。復(fù)位鍵用于初始化系統(tǒng);翻頁鍵便于工作人員查詢記錄，進行數(shù)據(jù)比較;按下消除報警鍵可以在紫外光源運行時間超時報警和紫外線強度衰弱過低報警時消除報警。工作人員可以通過輸入不同的按鍵信號完成對液晶顯示的控制。液晶顯示部分選用專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊LCD1602，它由若干個5X7或5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符;內(nèi)含復(fù)位電路;可以提供各種控制命令，如:清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能。采用LCD1602可以直觀看到紫外線強度的大小、報警狀態(tài)以及當(dāng)?shù)貢r間，便于工作人員對紫外線強度的大小進行實時控制［6］。

1.4 數(shù)據(jù)采集模塊

紫外光源通過紫外線傳感器SUV－C，將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)放大電路得到電壓信號，通過A/D轉(zhuǎn)換器把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，送給微處理器 LPC2131采集。本文采用MAX4218作為運放，它是單電源3.3 V供電，單電源工作與低壓工作相同，將電源由±15 V或±5 V變?yōu)閱? V或3 V，縮小了可用信號的范圍。為了將轉(zhuǎn)化的電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，必須采用合適的A/D轉(zhuǎn)換電路。該系統(tǒng)沒有利用微控制器自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，是因為原有模塊的精度達不到系統(tǒng)的要求。ADS8325芯片是TI公司生產(chǎn)的16位低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器，電源電壓2.7 V～5.5 V，具有線性特性好、低噪聲及低失真等優(yōu)點，取樣頻率高達100 kSPS，可以通過SPI串行接口和CPU進行方便的數(shù)據(jù)傳輸。

2 軟件設(shè)計

為提高程序的運行速度和效率，本文中的軟件設(shè)計部分全部采用C語言編程，并采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，各個功能子模塊獨立，調(diào)試方便，便于控制功能的進一步擴展。

本文的軟件設(shè)計主要包括LPC2131的初始化、各模塊芯片的初始化、按鍵檢測和報警狀態(tài)檢測以及液晶顯示。程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 程序設(shè)計流程圖

3 系統(tǒng)的標(biāo)定

該監(jiān)測系統(tǒng)的測量值需要和標(biāo)準(zhǔn)測量儀器測量出的值進行比對，即對紫外線強度的標(biāo)定。在進行實驗時，需要注意以下幾點:

(1)入射的紫外光線與SUV－C接收面法線的夾角要盡量保證在±90%之間，以便減小入射光線的方向性誤差;

(2)紫外光源的波譜要選擇使SUV－C達到峰值響應(yīng)的波長譜段;

(3)紫外光源選取波長為257 nm附近，入射時要通過漫反射照射到SUV－C上，以克服光線的不均勻性對測量線性度的影響。

在相同的紫外線強度下，經(jīng)反復(fù)實驗，測量結(jié)果如表1所示:

表1 測量結(jié)果

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)實現(xiàn)了通過對轉(zhuǎn)化的電壓進行采樣、計算、分析及標(biāo)定，及時給工作人員提供直觀可視的結(jié)果，實現(xiàn)了人機界面的對話，體現(xiàn)了污水處理的智能化和科技化。該系統(tǒng)測量精度高、響應(yīng)速度快，具有報警提示功能和性能穩(wěn)定等優(yōu)點，并可以進行二次開發(fā)，是保障污水處理設(shè)備可靠運行和提高污水處理自動化水平的有效手段，在污水處理方面具有較大的實用價值。

［1］胡浩，陳炳若，張慶兵.便攜式日光紫外線指數(shù)檢測儀設(shè)計［J］.測控技術(shù)，2007，26(2):9－11.

［2］王文忠.用紫外線對污水消毒［J］.節(jié)能與環(huán)保(水科學(xué)與環(huán)境)，2003(5):44－45.

［3］王項南，王晶，李超.紫外線測量技術(shù)［J］.海洋技術(shù)，2007(2):11－13.

［4］周立功，張華.深入淺出 ARM7－LPC213x/214x［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［5］劉清，袁素珍.紫外線技術(shù)處理城市污水［J］.江西化工，2009(4):191－194.

［6］汪劍，王健，許傳森，等.基于ARM的紫外線檢測儀測控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.儀表技術(shù)，2009(3):42－46.