紫外線定時控制及光強測量系統*

高來超,阮錦洋,盧　超

(陜西理工學院物理與電信工程學院,陜西 漢中 723000)

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紫外線定時控制及光強測量系統*

高來超,阮錦洋,盧超*

(陜西理工學院物理與電信工程學院,陜西 漢中 723000)

摘要:基于單片機設計了一套紫外線波長選擇、定時控制和光強測量系統,用于研究紫外線照射下維生素D含量提升的試驗。系統包括控制裝置和測量裝置,控制裝置采用STC12C5A60S2單片機驅動液晶觸摸屏完成人機交互操作,以繼電器控制不同波長的紫外線燈管工作,實現控制波長和照射時間。測量裝置采用UVM-30A紫外線傳感器模塊,利用STC12C5A60S2單片機采集傳感器輸出信號,將測量結果以紫外線光強指數顯示在LCD1602液晶屏上,實現紫外線光照強度測量功能。系統有效地解決了紫外線照射蘑菇試驗中對紫外線波長、光強測量以及照射時間控制的問題。實驗測試表明該系統具有良好的穩定性和實用性,可廣泛推廣。

關鍵詞:測量;單片機;紫外線;波長;光強;傳感器

大量研究表明紫外線對生物體中維生素D的合成具有很大的促進作用,用特定波長特定光強的紫外線對蘑菇進行一定時間的照射后可使得蘑菇中的維生素D含量成倍增長,有望使蘑菇成為人類獲取維生素D的新途徑。通過試驗來研究不同波長不同光強的紫外線對蘑菇進行不同長度時間的照射后,蘑菇中維生素D含量的變化。目前這類試驗大多采用對照試驗,即設置多項對照組,用不同的波長,不同的光強,不同的照射時間對蘑菇進行培養,觀測維生素D含量的變化,采用這種傳統試驗方式,依靠人工控制,試驗工作量相當繁重,而且存在許多弊端。因此迫切需要一種試驗裝置,能夠準確控制紫外線波長、照射時間,自動測量紫外線光照強度[1-4]。

1　系統設計

系統包括一個主控制部分和一個紫外線光強測量部分,系統框圖如圖1和圖2所示。主控制部分主要是通過人機交互操作進行紫外線波長選擇,光強設定以及照射時間的設定。根據生物效應的不同,從紫外線按照波長劃分的4個波段中選擇3個典型波長來做試驗,UVA波段取365 nm,UVB波段取311 nm,UVC波段取254 nm。220 V交流市電同時給紫外燈管和5 V電源系統供電,5 V電源供主控制電路工作,通過液晶觸摸屏實現人機交互,完成定時時間設置、波長選擇以及光照強度控制,最后啟動定時,單片機控制繼電器打開6路相應波長的紫外線燈管使其工作,這6路中1通道和2通道波長為365 nm,3通道和4通道波長為311 nm,5通道和6通道波長為254 nm。對于同種波長的紫外線,可以只控制一個燈管工作,也可以讓2個燈管同時工作,這樣就可以控制光照強度,打開燈管同時系統開始計時,當到達設定時間后,立即控制繼電器關閉紫外線燈管。為了使測量靈活方便,將紫外線光強測量部分獨立出來,實現小型化、便攜,主要功能是測量紫外線光照強度,以紫外線指數直接顯示于1602液晶屏上,如圖2所示,5 V直流電源為整個系統供電,利用STC12C5A60S2單片機自帶的ADC功能,將紫外線傳感器轉換的電信號進行采樣量化,轉換后得到的數據經過計算處理后直接顯示在顯示屏上[5-7]。

圖3　觸摸屏與單片機連接電路

圖1　控制部分系統框圖

2　主要硬件電路設計

2.1液晶觸摸屏電路

系統控制部分采用了2.6寸彩色液晶觸摸屏作為人機交互操作接口,分辨率為240像素×320像素,16 bit彩色,支持RGB接口,帶有相同尺寸的觸摸屏以及觸摸控制IC,其功耗低,驅動簡單,顯示靈活,硬件電路如圖3所示。該觸摸屏共有29個管腳,CS為使能端,WR為讀寫控制端,RS為寄存器選擇信號線,REST為復位信號線,DB0～DB15為16 bit數據線,以T開頭的為觸摸IC信號線,T_Dout為數據輸出端,T_Din為數據輸入端,T_CLK為時鐘信號端,T_CS為觸摸IC使能端。整個系統的主控制芯片采用STC12C5A60S2單片機,液晶屏的顯示數據達到了240×320×2=153 600 byte,若采用8 bit數據驅動,那么刷屏顯示會很慢,影響操作,進而影響系統整體性能,故采用16 bit數據驅動,但是這種方案中單是觸摸屏就要占用IO口24個,使得單片機IO資源不夠分配,為了解決這一問題,電路中引入一片74LS373鎖存器擴展觸摸屏的數據IO口。如圖CE為鎖存器的使能端接GND使其一直工作;O0～O7為數據輸入端,分別接P0.0～P0.7;D0～D7為數據輸出端,分別接DB8～DB15;LE為控制端接P2.2口;液晶屏的DB0～DB7則直接與P0.0～P0.7;CS、WR、RS、REST、LE分別與P2.7、P2.6、P2.5、P2.4、P2.3連接;觸摸控制IC的Dout、Din、CLK、CS分別與P2.1、P2.0、P3.6、P3.7相連。

2.2繼電器控制電路

紫外線燈管是以交流220 V市電供電,控制系統是直流+5 V供電,系統采用6路繼電器來控制紫外線燈管,1路繼電器控制電路如圖4所示,繼電器驅動通過+5 V電源工作,K1為繼電器,R1、D1為指示燈,D2起保護作用,Q1、Q2為繼電器的驅動三極管,三極管基極接單片機IO口以控制繼電器的切斷與吸合,從而控制紫外線燈管的工作。當單片機控制IO被置高電平時,三極管Q1、Q2導通,繼電器吸合,同時發光二極管D1亮,D2處于反向截止狀態,當單片機IO被置低電平時,三極管Q1、Q2截止,繼電器沒有電流流過就會切斷,發光二極管同時熄滅,繼電器線圈產生的感應電動勢使得D2導通,從而保護電路不被感應電流燒毀。6路繼電器控制電路相同,分別連接單片機的6個IO口線。

圖4　繼電器控制電路

2.3LCD1602顯示電路

圖5　LCD1602硬件電路圖

紫外線光強測量系統采用LCD1602顯示數據,采用8 bit數據口并行傳輸,硬件電路如圖5所示。單片機的P2口與1602的數據口連接,P0.6口與1602片選端相連,P0.6口與RW連接,P0.6口與RS連接。10k電位器連接至VO端控制LCD的顯示對比度[3,7]。

2.4紫外線光強傳感器電路

紫外線光強測量部分采用GUVA-S12SD型傳感器,以此傳感器為核心的UVM-30紫外線傳感器模塊具有精度高、檢測波長范圍寬、響應快、互換性強、小尺寸等諸多優點,并且對照世界衛生組織紫外線指數分級標準分級,數據處理簡單快捷[8-10],硬件電路如圖6所示,UVM為紫外線光強傳感器,輸出的信號經運算放大器兩級放大后送入單片機,然后利用STC12C5A60S2單片機自帶的10 bit精度的A/DC功能進行數據轉換,再經單片機計算處理后將紫外線強度指數顯示在1602液晶屏上,信號的放大倍數可通過調節R1和R4控制,電路如圖6所示。

圖6　傳感器信號放大電路

3　軟件設計

系統軟件設計包括控制部分和光照強度測量部分,光照強度測量部分軟件主要完成對傳感器輸出的光照強度模擬電壓信號進行AD采集,并轉換為紫外線光照指數顯示在液晶顯示器上;控制部分軟件設計主要完成以下功能:

驅動觸摸液晶屏顯示系統功能菜單、定時時間以及波長選擇結果;

驅動觸摸液晶屏采集觸摸點坐標完成人機交互操作;

定時以及驅動繼電器控制紫外線燈管工作。

3.1控制部分軟件設計

控制部分軟件決定整個系統的核心功能,為了使界面簡潔、操作方便人性化,選擇以菜單的方式完成人機交互,將整個系統劃分為幾個功能模塊:主菜單部分、設置定時時間部分、紫外線波長選擇部分以及啟動部分,模塊設計軟件效率更高,模塊間耦合率低,即使某部分軟件出錯,不會影響到其他模塊的功能,同時也便于很快查找錯誤。控制部分軟件總流程圖如圖7所示。為了實現菜單式交互,定義了一些全局變量,hour用來記錄設定的定時時間的小時,mint則記錄設定的定時時間的分鐘,chflg記錄波長選擇結果,menuflg用以記錄當前系統的功能狀態,menuflg為0時表示主菜單模式,為1時表示進入功能1設置定時時間模式,為2表示進入功能2波長選擇模式,為3則表示進入啟動模式。系統上電后立即對系統進行初始化,包括初始化定時器、初始化液晶觸摸屏和初始化所有的系統全局變量,然后輸出功能選擇菜單顯示在屏上,同時循環檢測觸摸屏的觸摸坐標,根據觸摸坐標選擇相應的功能既將menuflg置為相對應的數字,主菜單功能選擇流程圖如圖8所示,當下一次主循環時,系統會檢測menuflg的值以確定當前系統的狀態,以便執行相應的操作。當設置好定時時間以及選擇波長后,進入啟動模式時,系統會自動檢測是否未選擇任何波長以及判斷定時時間是否為空,既判斷是否hour、mint和chflg 3個變量是否為0,若兩者有任何一個不滿足那么則認為未完成設置,系統將無法啟動定時功能,會退回到主菜單模式繼續完成設置,若正確的完成了設置,則進入啟動模式,觸摸屏顯示定時倒計時和已選擇的紫外線波長列表。

圖7　控制部分主流程圖

圖8　主菜單功能選擇流程圖

3.1.1定時時間設定模塊軟件設計

當在主菜單中選擇“設置定時時間”后,程序將menuflg置為1,在下一個主循環執行時自動跳入設置定時時間模塊,定時設置模塊流程圖如圖9所示。主循環程序檢測到進入時間設置模式后立即調用Show_menu1()函數輸出設置定時時間界面,然后循環檢測觸摸操作,直到點擊“完成返回”,程序將menuflg重新置為0,系統退回到主菜單模式下。

3.1.2波長選擇模塊程序設計

當在主菜單中選擇“波長選擇”后,程序將menuflg置為2,在下一個主循環執行時就進入波長選擇模式,波長選擇模塊流程圖如圖10所示。調用Show_menu2()函數輸出波長選擇操作界面后程序一直監測觸摸動作,chflg用于標志每個通道的設置結果,chflg初始化為全0,既不選中任何波長,屏幕上顯示每個通道前面的方框空白未涂黑,當點擊任意通道波長后,程序將chflg中標志該通道選擇結果的位取反,選中后該通道標志位變為1,對應屏幕顯示的該通道前面方框被涂黑,再次點擊,則取消選擇。當完成選擇后點擊“完成返回”程序將標志變量ok置位,之后清除屏幕并將menuflg變量恢復為0,系統將在下一個循環進入主菜單模式。

圖9　定時設置模塊流程圖

圖10　波長選擇模塊流程圖

3.1.3啟動模塊程序設計

當定時時間波波長選擇設置完成后,在主菜單中就可以選擇“啟動”,啟動模塊流程圖如圖11所示。進入該模式后,程序會首先檢測是否對定時時間以及波長選擇進行了正確的設置,如果定時時間為0 h 0 min或者沒有選擇任何波長,將被視為未完成設置,程序調用Show_warning()函數,使顯示屏上輸出提示信息要求繼續重新設置,并將menuflg置為0,退回到主菜單模式。若判斷為正確完成設置,就將Start變量置位,之后程序檢測到Star為1后就會啟動定時器并依據chflg變量所標記的波長選擇結果打開所選擇的波長,輸出倒計時以及波長選擇結果界面,之后程序一直判斷是否定時時間到,一旦定時時間結束即hour和mint變量減為0時,則立刻關閉所有紫外燈管。

3.2紫外線光強測量部分軟件設計

測量部分主要完成將傳感器送入的模擬信號進行A/D轉換,然后對數據進行計算處理后,將紫外線光照指數顯示在LCD顯示屏上,主流程圖如圖12所示,系統上電后立即對1602顯示屏進行初始化,以及初始化A/DC功能模塊,最后初始化系統的一些變量,然后進入數據采集處理的循環中。為了使采集回的數據穩定可靠,在采集AD轉換數據時,一次循環采集20組數據,計算平均值后作為本次采集的結果,然后計算光照指數并顯示在1602顯示器上,如此循環實現實時紫外線光照測量功能。

圖12　光照強度測量部分主流程圖

4　系統測試

系統測試分為2個部分,分別是控制功能測試和光強測量功能測試。控制功能測試主要測試是否能夠實現通過觸摸屏完成人機交互、是否能夠對波長進行選擇、是否能夠在定時時間內打開選擇的波長且定時時間到點后自動關閉,最后還要測試定時的準確性;光強測量功能主要測試系統能否穩定工作并正確測量、顯示紫外線光照指數。

4.1控制功能測試

首先測試能否通過觸摸屏完成定時時間設置:上電后主菜單顯示“1設置定時時間”、“2選擇波長”、“3啟動”,點擊“1設置定時時間”,再點擊“+”或者“-”,會看到小時或者分鐘變化,設置定時時間1 min,點擊“完成返回”退回到主菜單,點擊“2波長選擇”,屏幕顯示6個通道每個通道所控制的波長,點擊某個通道,則通道前的方框被涂黑,表示該通道被選中,再次點擊取消選中,選中所有通道完成后點擊“完成返回”退回到主菜單,點擊“3啟動”,此時可看到顯示屏上顯示所有被選中的通道以及定時倒計時,同時六路紫外線燈管被點亮,1 min后所有紫外線燈管熄滅,達到了控制的目的。

4.2紫外線光照強度測量測試

測量系統打開電源開關,可看到1602第1行顯示:“V:0.0000v0”,第2行顯示:“UVM index:0”,第1行V:0.0000v顯示的是傳感器輸出的信號電壓值,0是傳感器信號電壓經A/D量化后的值,第2行顯示的是對應的紫外線光照指數。打開一盞紫外燈,將傳感器探頭放在紫外線照射區域內,可看到傳感器輸出信號電壓值在變化,當傳感器離燈管越近電壓值越大,對應的紫外線光照指數越強[11],輸出電壓和紫外線光照指數響應曲線如圖13所示,測試表明該測量系統能夠很好的測量紫外線光照強度。

圖13　響應曲線

5　結束語

設計的控制和測量系統能夠實現對紫外線光照波長選擇、光強控制、光照時間控制和光照強度測量的功能,在紫外線應用研究領域很好的解放了試驗繁瑣的人工手動操作工作,提高了紫外線應用研究試驗的準確性與可靠性,在實際應用中有一定的應用價值。

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高來超(19-),男,陜西省漢中人,陜西理工學院電子信息科學與技術專業,936097027@qq.com;

阮錦洋(1991-),男,陜西省漢中人,陜西理工學院電子信息科學與技術專業,936097027@qq.com;

盧超(1979-),男,陜西省漢中人,碩士,陜西理工學院講師,從事電子技術,測控技術方面的研究,27304487@qq.com。

TimingControlandLightIntensityMeasurementSystemofUltraviolet*

GAOLaichao,RUANJinyang,LUChao*

(Department of Physics and Electrical Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong Shaanxi 723000,China)

Abstract:An UV wavelength selection,timing control and light intensity measurement system is designed based on MCU.The system is mainly used for improving the vitamin D content of test under UV irradiation.The system comprises a control device and a measuring device.In the control device,using STC12C5A60S2 MCU the system realizes the human-computer interaction adopts LCD touch screen.Different wavelengths of ultraviolet lamp are controlled by relay.In the measuring device,the system mainly uses the UVM-30A ultraviolet sensor module.The system uses STC12C5A60S2 collection sensor output signal,and the measured results in UV intensity index displayed on the LCD1602 screen.The design solves the selection of wavelength,intensity measurements and exposure time control problems in UV irradiated mushrooms test.Experimental results show that the system has good stability and practicality,and can be widely popularized.

Key words:measurement;MCU;ultraviolet;wavelength;light intensity;sensor

doi:EEACC:853010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.023

中圖分類號:TN911.23;Q565

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0684-06

收稿日期:2013-07-30修改日期:2013-08-24

項目來源:陜西省大學生創新創業訓練計劃項目(1718)