無線低功耗紫外線強(qiáng)度傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 弛

（鄭州楓華實(shí)業(yè)有限公司，河南 鄭州 450000）

1. 紫外線強(qiáng)度相關(guān)知識(shí)

紫外線是電磁波譜中波長從10nm到400nm輻射的總稱，不能引起人們的視覺。它根據(jù)波長分為：UVA(315-400)，UVB(280-315)和UVC(100-280)。紫外線在涂料固化，顏料固化，光刻，殺菌，殺蟲，促進(jìn)植物生長方面有廣泛而而深入的應(yīng)用。

紫外線的強(qiáng)度使用功率單位，一般以w/m2表示。

本設(shè)計(jì)就采用了硅紫外光電二極管，測量UVA波段的紫外線強(qiáng)度。

2. zigBee無線技術(shù)

IEEE 協(xié)會(huì)為了解決無線通信中的功耗過大，通信協(xié)議復(fù)雜，專門成立了802.15.4 小組。他們開發(fā)出的802.15.4 的協(xié)議，最后形成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在這個(gè)基礎(chǔ)上各個(gè)廠商開發(fā)出了各自的ZIGBEE設(shè)備。它工作在2.4G頻段，提供16個(gè)頻道。

DIGI公司開發(fā)出的XBEE_PRO模塊完全兼容IEEE802.15.4協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化。它的組網(wǎng)使用非常方便。ZIGBEE 的網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器，路由，終端三個(gè)部分組成。DIGI 的XBEEPRO 模塊采用通用平臺(tái)設(shè)計(jì)，只要使用DIGI 官方的固件燒錄工具燒錄不同職能的固件就能形成不同的職能。

3. Digi XbeePRO無線射頻模塊方案

Digi 公司的Xbee_PRO 無線射頻模塊無需配置外在的射頻通信，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn),點(diǎn)對(duì)多點(diǎn),對(duì)等的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它的功耗低，3.3v電壓下發(fā)射電流:295mA，接收電流:45mA關(guān)機(jī)電流:＜1μA。它片上資源豐富，可以使用AT或API命令模式配置射頻模塊參數(shù)。

4. 紫外線光電二極管

S1337 系列的硅光電二極管受到光照時(shí)PN 結(jié)產(chǎn)生電流，頻譜范圍響應(yīng)廣，可以進(jìn)行高速，高靈敏度，低噪聲的線性頻譜響應(yīng)。它由陶瓷外殼封裝，體積小，壽命長，線性響應(yīng)范圍廣。它的頻譜響應(yīng)范圍是從190nm-1100nm，暗電流10pa，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到100%。

4.1 光電傳感器內(nèi)部構(gòu)造

光從各個(gè)角度從余弦補(bǔ)償鏡進(jìn)入后受到修正和垂直入射的光強(qiáng)度相同。包含了各個(gè)頻譜的光再經(jīng)過紫外線濾鏡后，只留下紫外線要測量的那部分光部分。紫外線的光照射光電二極管后產(chǎn)生電流，經(jīng)過放大電路轉(zhuǎn)換為電壓值供單片機(jī)采樣測量。

4.2 電路上，兩個(gè)運(yùn)放芯片組成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電壓跟隨電路。芯片IC1主要進(jìn)行電流電壓的放大轉(zhuǎn)換。紫外線傳感器內(nèi)的光電二極管受到紫外線照射后產(chǎn)生反向電流通過相應(yīng)的反饋電阻Rf轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯蟮碾妷海由蠟V波電容Cf過濾掉高頻脈沖干擾。通過芯片IC2形成電壓跟隨，使得VO輸出相應(yīng)幅度的電壓值。紫外線光電二極管可放在設(shè)計(jì)好的鋁合金外殼中通過電纜延長放在傳感器外部。

4.3 本設(shè)計(jì)采用的運(yùn)放芯片OP07 就具有超低偏移：150μV最大；低輸入偏置電流：1.8nA；低失調(diào)電壓漂移：0.5μV/℃；高電源電壓范圍：±3V至±22V。

5. 硬件連接結(jié)構(gòu)

MCU 芯片采用了ATMELXMEGA256A3 芯片，它具有RISC的實(shí)時(shí)指令架構(gòu)，每秒可以處理百萬條指令。FLASH容量大，可達(dá)到256KB，內(nèi)部SRAM 達(dá)到16K，完全可以滿足工業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)應(yīng)用處理。還有多種低功耗模式，通過一條指令就可以立即切換，最低功耗最小可達(dá)到0.6ua。內(nèi)部還有可擦寫4KB 的EEPROM供掉電數(shù)據(jù)保存。芯片的各個(gè)器件都是模塊化可以單獨(dú)開啟斷開，從而最大限度控制功耗。外部端口都擁有中斷，可供激活。它有兩個(gè)精度達(dá)到12BIT 的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并可調(diào)節(jié)增益，可以使用內(nèi)部參考電壓，也可用外部的電壓。

時(shí)鐘芯片連接到單片機(jī)的中斷激活端口，通過定時(shí)計(jì)數(shù)發(fā)出脈沖激活休眠模式中的單片機(jī)，由低功耗模式切入正常工作模式。DIGI的XBEE_PRO射頻模塊集成了天線，連接到單片機(jī)的串口模塊，平時(shí)它的休眠引腳被單片機(jī)控制，整個(gè)模塊處于休眠狀態(tài)。單片機(jī)工作的時(shí)候激活它，使能它加入網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送數(shù)據(jù)。紫外線光電二極管產(chǎn)生的反向電流微小，常是微安級(jí)別的，所以需要經(jīng)過放大電路轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的ADC模塊容易檢測的電壓值。放大電路上電通過單片機(jī)引腳控制。光電二極管的探頭通過需要長度的導(dǎo)線和運(yùn)放電路的接口端相連接。電池轉(zhuǎn)壓模塊負(fù)責(zé)將電池電壓轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所需要的工作電壓，同時(shí)也負(fù)責(zé)對(duì)放大電路進(jìn)行供電。

6. 軟件流程

上電復(fù)位后，單片機(jī)先正常工作，進(jìn)行各個(gè)模塊，外設(shè)器件的初始化參數(shù)配置。然后單片機(jī)控制放大電路部分控制上電。單片機(jī)啟動(dòng)自帶的ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊對(duì)放大電路放大的電壓進(jìn)行多次采樣，并對(duì)采樣的多次數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理得出一個(gè)準(zhǔn)確真實(shí)的測量值，主要是排除采樣過程中的干擾脈沖，靜電干擾。采集的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存儲(chǔ)后，單片機(jī)激活射頻無線模塊，讓它自動(dòng)搜索信道，建立連接。然后它讀取射頻無線模塊內(nèi)部的RSSI值，這是個(gè)隨機(jī)值，計(jì)算好下一個(gè)休眠周期長度。確立無線連接后，單片機(jī)發(fā)送符合通信協(xié)議的數(shù)據(jù)包。把這個(gè)值傳送給RTC外部設(shè)備，并啟動(dòng)單片機(jī)的內(nèi)部中斷。最后，休眠無線射頻模塊，關(guān)閉單片機(jī)各個(gè)模塊，啟動(dòng)外部RTC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片計(jì)時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入休眠模式。如果休眠周期到了，RTC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片就發(fā)出脈沖，單片機(jī)的中斷程序收到后就會(huì)激活，轉(zhuǎn)入正常工作模式，完成一次采集發(fā)數(shù)。

7. 結(jié)語

本文主要介紹了一種無線低功耗紫外線傳感器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。它在無線通信上采用了成熟的DIGI 廠商的XBEE_PRO模塊，能夠降低無線設(shè)計(jì)的難度，減小整個(gè)設(shè)計(jì)的尺寸。本設(shè)計(jì)考慮了大量傳感器布置時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖突的問題，利用XBEEPRO射頻模塊的信號(hào)強(qiáng)度隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，加入范圍選擇使得每個(gè)傳感器都產(chǎn)生不同的差異周期，減少了沖突。同時(shí)，傳感器采用了低功耗，可休眠的芯片，從程序上進(jìn)行了優(yōu)化控制，達(dá)到了低功耗的性能。

【1】.ZigBee Specification 2007[OL].http://www.zigbee.org

【2】.IEEE Std 802.15.4.2003[OL]http://www.zigbee.org

【3】.徐永軍主編。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教程..機(jī)械工業(yè)出版社2011.4