基于太陽能電池的便攜式紫外線檢測儀的設計

馬永華

摘 要：文章通過設計一個紫外線檢測儀來提醒人們進行必要的防護，方便人們的生活。文章給出了兩套設計方案，其中一套實施成功，另一套方案通過紫外線傳感器模塊和相應的處理電路，配合太陽能電池板實現紫外線的采集。文章對于不同的情況提出不同解決方法。

關鍵字：紫外線檢測；太陽能電池；低功耗；單片機

1 課題的研究背景

紫外線是一種電磁波，波長從10～400 nm，不能被人眼所見。紫外線可以用來滅菌，但是過多的紫外線進入體內會對人體造成傷害，例如曬傷、皮膚癌等等。

紫外線根據波長分為：長波紫外線（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，并導致脂質和膠原蛋白受損，引起皮膚的光老化甚至皮膚癌。UVB約占80%～90%，它可到達真皮層，使皮膚被曬傷，引起皮膚脫皮、紅斑等現象。UVC因為它在通過臭氧層時已被吸收，不能到達地面。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。

本課題希望設計一個便攜式的紫外線傳感器，實時方便地指導人們應該采取的防護措施。

2 設計方案與實施

經過調研分析先后設計了兩套方案。

方案一：選用UVM-30紫外線傳感器接收紫外線信號，并且搭建模擬電路，使二極管經過模擬電路后點亮二極管，二極管點亮個數越多，則表示紫外線等級越強。

UVM-30紫外線傳感器接收范圍光線波長在100～300 uf，輸出電壓在0～1 200 mv。將輸出電壓經過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：尺寸9 mm×9 mm×10 mm。

該電路的特點如下：

（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）響應波長：200～370 nm；（6）工作溫度：-20℃～-85℃；（7）工作穩定性：年漂移率<5%。

電路中采用2塊6 V太陽能電池板并聯為整個系統供電。經過7805三線穩壓芯片穩壓后，使得輸出電壓為5 V，為模擬電路與紫外線傳感器供電。

太陽能電池板的參數如下：

（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，紫外線強度越強，傳感器向外輸送的電壓越強，紫外線越弱，傳感器向外輸送電壓越弱。此設計電路如圖3所示。

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

比較器向外輸送3.7V電壓，經過1K的電阻分壓，向二極管兩端施加2V電壓，點亮二極管。將傳感器的輸出電壓接到6個比較器的同向輸入端，通過調節比較器反向輸入端的電位器設定不同的閾值電壓，每個比較器的設定電壓不同，所以導致紫外線輸送的信號電壓達到不同值時相應的比較器向外輸送電壓，點亮相應的二極管，以此來表示不同的紫外線等級。

目前將模擬量輸出用二極管來顯示紫外線強度等級已經做出實驗板，并實驗操作成功。

目前所研制的紫外線檢測儀只是用模擬電路搭建的，其優點是體積小，性能穩定，結構簡單。但是模擬量的輸出信號不利于數字化應用，不能與其他控制系統連接，應用性能不大。因此，本文設計了第二套方案。

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

買來6 V的太陽能電池板先進行參數測量實驗，時間是2017年5月的一天，午后1點，測得開路電壓為2 V。具體測試條件和參數如表1所示。

所以太陽能電池板要作為電源還有很多方面不滿足。根據太陽能電池板的特點，提出4種設計方案。

方案一：紐扣電池和太陽能電池板切換，實驗多次也未成功，經常燒電路，在切換中處于動態，這個過程很復雜，如切換的沖擊電流等，需設置多個保護電路來使系統穩定，如：用1N4001或其他二極管只能防止電池間出現短路電流，不能達到并聯電池存在壓差時的均流效果，應該用均流電阻。但最終也沒有成功。

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

方案三：通過一塊太陽能電池板和穩壓管給一種可充電電池充電，因為陰天時充電電流小，需要一直背在外面，太陽光強時，充電電流大，又要考慮限制充電電流，還有過充的問題，這樣電路復雜，體積變大，不滿足便攜式的要求。

方案四：紐扣電池和太陽并聯，為防止兩個電源間出現環流，在其間串聯兩個反并聯二極管，由這個組合電源和后續的電路供電，當太陽光強時，由太陽能電池板供電，太陽光弱時用紐扣電池供電。

3 紫外線檢測部分單片機電路實現

這部分主要希望體現低功耗，所以在選擇單片機時，選擇了C8051F系列中的低功耗單片機芯片C8051F330。這部分內容包括電源電路、單片機及其外圍電路、紫外線采集模塊和液晶顯示模塊4個部分。圖4為電源部分。

圖中單相220 V交流電壓通過適配器接入電路板，為了得到較理想的直流電壓，經過整流橋和電容的濾波得到5 V電壓，給后續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5 V電壓再經AS1117變換成3.3 V的電壓給C8051f330單片機提供電壓。圖5為紫外線采集模塊。

Vout輸入到單片機的P0.1作為模擬輸入，因為這個模塊輸出范圍為0～1.17 V，C8051f330單片機內部電壓基準電路包含一個1.2 V的帶隙電壓基準發生器，正好可以實現紫外線模塊整個輸出范圍的采集。圖6為單片機模塊部分。

C8051F330單片機使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內核。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，是集成的混合信號片上系統，內部集成有A/D，D/A、定時器、電壓基準、時鐘振蕩器和FLASH存儲器。C8051f330單片機共20個引腳，P0.1采集紫外線輸出模塊的電壓，經過AD轉換之后，輸出相應的級別。P0.2和P0.3之間接外部晶振，這個也可以不接，使用單片機內部的晶振。調試程序用的JTAG口連接到P2.0和P1.4上。單片機含有兩個200 ksps的 10 位逐次逼近寄存器型 ADC，可以分時采集16通道，我們使用ADC0的第一個通道，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上需要占用11個單片機的I/O接口，對于只有16個I/O接口的C8051f330單片機來說占用的太多了，所以選用一個芯片NLS595，這樣只需占用P1.2和P1.7兩個I/O口。圖7為液晶顯示部分。

4 結語

該項目通過兩種方式設計了紫外線的采集，模擬電路搭建完成，實現紫外線采集和顯示；太陽能電池作為電源的設計完成，但實現效果不盡如人意。