基于太陽(yáng)能電池的便攜式紫外線檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

馬永華

摘 要：文章通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)紫外線檢測(cè)儀來(lái)提醒人們進(jìn)行必要的防護(hù)，方便人們的生活。文章給出了兩套設(shè)計(jì)方案，其中一套實(shí)施成功，另一套方案通過(guò)紫外線傳感器模塊和相應(yīng)的處理電路，配合太陽(yáng)能電池板實(shí)現(xiàn)紫外線的采集。文章對(duì)于不同的情況提出不同解決方法。

關(guān)鍵字：紫外線檢測(cè)；太陽(yáng)能電池；低功耗；單片機(jī)

1 課題的研究背景

紫外線是一種電磁波，波長(zhǎng)從10～400 nm，不能被人眼所見。紫外線可以用來(lái)滅菌，但是過(guò)多的紫外線進(jìn)入體內(nèi)會(huì)對(duì)人體造成傷害，例如曬傷、皮膚癌等等。

紫外線根據(jù)波長(zhǎng)分為：長(zhǎng)波紫外線（UVA），中波紫外線（UVB）和短波紫外線（UVC）。不同的紫外線對(duì)人體皮膚的滲透程度是不同的。

UVA約占10%～20%，它可穿透真皮層，使皮膚曬黑，并導(dǎo)致脂質(zhì)和膠原蛋白受損，引起皮膚的光老化甚至皮膚癌。UVB約占80%～90%，它可到達(dá)真皮層，使皮膚被曬傷，引起皮膚脫皮、紅斑等現(xiàn)象。UVC因?yàn)樗谕ㄟ^(guò)臭氧層時(shí)已被吸收，不能到達(dá)地面。防止紫外線照射給人體造成的皮膚傷害，主要是防止紫外線UVA和UVB。

本課題希望設(shè)計(jì)一個(gè)便攜式的紫外線傳感器，實(shí)時(shí)方便地指導(dǎo)人們應(yīng)該采取的防護(hù)措施。

2 設(shè)計(jì)方案與實(shí)施

經(jīng)過(guò)調(diào)研分析先后設(shè)計(jì)了兩套方案。

方案一：選用UVM-30紫外線傳感器接收紫外線信號(hào)，并且搭建模擬電路，使二極管經(jīng)過(guò)模擬電路后點(diǎn)亮二極管，二極管點(diǎn)亮個(gè)數(shù)越多，則表示紫外線等級(jí)越強(qiáng)。

UVM-30紫外線傳感器接收范圍光線波長(zhǎng)在100～300 uf，輸出電壓在0～1 200 mv。將輸出電壓經(jīng)過(guò)324芯片的放大器放大5倍后輸入到控制器之中。

UVM-30A紫外線傳感器參數(shù)：尺寸9 mm×9 mm×10 mm。

該電路的特點(diǎn)如下：

（1）工作電壓： DC 3～5 V；（2）輸出電壓： DC 0～1 V（線性度好）；（3）測(cè)試精度：±1UV INDE×；（4）工作電流：典型值0.06 mA，最大值0.1 mA；（5）響應(yīng)波長(zhǎng)：200～370 nm；（6）工作溫度：-20℃～-85℃；（7）工作穩(wěn)定性：年漂移率<5%。

電路中采用2塊6 V太陽(yáng)能電池板并聯(lián)為整個(gè)系統(tǒng)供電。經(jīng)過(guò)7805三線穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后，使得輸出電壓為5 V，為模擬電路與紫外線傳感器供電。

太陽(yáng)能電池板的參數(shù)如下：

（1）最大工作電流：120 mA；（2）最大工作電壓：6 V；（3）最大功率：0.7 W；（4）功率允許偏差范圍：±3%；（5）外形尺寸：60×80×2 mm3（±0.3 mm）。

紫外線傳感器UVM-30接收紫外線信號(hào)，紫外線強(qiáng)度越強(qiáng)，傳感器向外輸送的電壓越強(qiáng)，紫外線越弱，傳感器向外輸送電壓越弱。此設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

紫外線傳感器線外輸送的電壓經(jīng)過(guò)放大后輸送到324芯片的比較器中，輸送的電壓信號(hào)與比較器的設(shè)定電壓值相互比較，如果輸送的電壓信號(hào)值大于比較器中的設(shè)定電壓值，則比較器向外輸出電壓；如果輸送的電壓信號(hào)值小于比較器中的設(shè)定電壓值，則比較器不能向外輸出電壓。

比較器向外輸送3.7V電壓，經(jīng)過(guò)1K的電阻分壓，向二極管兩端施加2V電壓，點(diǎn)亮二極管。將傳感器的輸出電壓接到6個(gè)比較器的同向輸入端，通過(guò)調(diào)節(jié)比較器反向輸入端的電位器設(shè)定不同的閾值電壓，每個(gè)比較器的設(shè)定電壓不同，所以導(dǎo)致紫外線輸送的信號(hào)電壓達(dá)到不同值時(shí)相應(yīng)的比較器向外輸送電壓，點(diǎn)亮相應(yīng)的二極管，以此來(lái)表示不同的紫外線等級(jí)。

目前將模擬量輸出用二極管來(lái)顯示紫外線強(qiáng)度等級(jí)已經(jīng)做出實(shí)驗(yàn)板，并實(shí)驗(yàn)操作成功。

目前所研制的紫外線檢測(cè)儀只是用模擬電路搭建的，其優(yōu)點(diǎn)是體積小，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是模擬量的輸出信號(hào)不利于數(shù)字化應(yīng)用，不能與其他控制系統(tǒng)連接，應(yīng)用性能不大。因此，本文設(shè)計(jì)了第二套方案。

方案二：（1）太陽(yáng)能電池采用單晶硅太陽(yáng)電池，它堅(jiān)固耐用，使用壽命一般可達(dá)20年，光電轉(zhuǎn)換效率為15%。

買來(lái)6 V的太陽(yáng)能電池板先進(jìn)行參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，時(shí)間是2017年5月的一天，午后1點(diǎn)，測(cè)得開路電壓為2 V。具體測(cè)試條件和參數(shù)如表1所示。

所以太陽(yáng)能電池板要作為電源還有很多方面不滿足。根據(jù)太陽(yáng)能電池板的特點(diǎn)，提出4種設(shè)計(jì)方案。

方案一：紐扣電池和太陽(yáng)能電池板切換，實(shí)驗(yàn)多次也未成功，經(jīng)常燒電路，在切換中處于動(dòng)態(tài)，這個(gè)過(guò)程很復(fù)雜，如切換的沖擊電流等，需設(shè)置多個(gè)保護(hù)電路來(lái)使系統(tǒng)穩(wěn)定，如：用1N4001或其他二極管只能防止電池間出現(xiàn)短路電流，不能達(dá)到并聯(lián)電池存在壓差時(shí)的均流效果，應(yīng)該用均流電阻。但最終也沒(méi)有成功。

方案二：通過(guò)升壓BOOST電路，但電壓升高，電流減小，再扣除轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損耗，不能滿足電流的需求。

方案三：通過(guò)一塊太陽(yáng)能電池板和穩(wěn)壓管給一種可充電電池充電，因?yàn)殛幪鞎r(shí)充電電流小，需要一直背在外面，太陽(yáng)光強(qiáng)時(shí)，充電電流大，又要考慮限制充電電流，還有過(guò)充的問(wèn)題，這樣電路復(fù)雜，體積變大，不滿足便攜式的要求。

方案四：紐扣電池和太陽(yáng)并聯(lián)，為防止兩個(gè)電源間出現(xiàn)環(huán)流，在其間串聯(lián)兩個(gè)反并聯(lián)二極管，由這個(gè)組合電源和后續(xù)的電路供電，當(dāng)太陽(yáng)光強(qiáng)時(shí)，由太陽(yáng)能電池板供電，太陽(yáng)光弱時(shí)用紐扣電池供電。

3 紫外線檢測(cè)部分單片機(jī)電路實(shí)現(xiàn)

這部分主要希望體現(xiàn)低功耗，所以在選擇單片機(jī)時(shí)，選擇了C8051F系列中的低功耗單片機(jī)芯片C8051F330。這部分內(nèi)容包括電源電路、單片機(jī)及其外圍電路、紫外線采集模塊和液晶顯示模塊4個(gè)部分。圖4為電源部分。

圖中單相220 V交流電壓通過(guò)適配器接入電路板，為了得到較理想的直流電壓，經(jīng)過(guò)整流橋和電容的濾波得到5 V電壓，給后續(xù)的液晶顯示模塊和紫外線采集模塊中的324放大器供電。這個(gè)5 V電壓再經(jīng)AS1117變換成3.3 V的電壓給C8051f330單片機(jī)提供電壓。圖5為紫外線采集模塊。

Vout輸入到單片機(jī)的P0.1作為模擬輸入，因?yàn)檫@個(gè)模塊輸出范圍為0～1.17 V，C8051f330單片機(jī)內(nèi)部電壓基準(zhǔn)電路包含一個(gè)1.2 V的帶隙電壓基準(zhǔn)發(fā)生器，正好可以實(shí)現(xiàn)紫外線模塊整個(gè)輸出范圍的采集。圖6為單片機(jī)模塊部分。

C8051F330單片機(jī)使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，是集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)，內(nèi)部集成有A/D，D/A、定時(shí)器、電壓基準(zhǔn)、時(shí)鐘振蕩器和FLASH存儲(chǔ)器。C8051f330單片機(jī)共20個(gè)引腳，P0.1采集紫外線輸出模塊的電壓，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換之后，輸出相應(yīng)的級(jí)別。P0.2和P0.3之間接外部晶振，這個(gè)也可以不接，使用單片機(jī)內(nèi)部的晶振。調(diào)試程序用的JTAG口連接到P2.0和P1.4上。單片機(jī)含有兩個(gè)200 ksps的 10 位逐次逼近寄存器型 ADC，可以分時(shí)采集16通道，我們使用ADC0的第一個(gè)通道，使其工作在單端輸入方式。

如果液晶模塊直接連接到單片機(jī)上需要占用11個(gè)單片機(jī)的I/O接口，對(duì)于只有16個(gè)I/O接口的C8051f330單片機(jī)來(lái)說(shuō)占用的太多了，所以選用一個(gè)芯片NLS595，這樣只需占用P1.2和P1.7兩個(gè)I/O口。圖7為液晶顯示部分。

4 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目通過(guò)兩種方式設(shè)計(jì)了紫外線的采集，模擬電路搭建完成，實(shí)現(xiàn)紫外線采集和顯示；太陽(yáng)能電池作為電源的設(shè)計(jì)完成，但實(shí)現(xiàn)效果不盡如人意。