紫外線監測及影響因素分析

朱華精 劉昆 趙靜 張羽 王峰

摘 要：環境保護和健康一直是熱點話題。建立有效的監測系統對應對環境和健康問題，是必要的。紫外線輻射對我們的生活有利也有弊。紫外線作為一種光輻射，一方面對人體維生素D產生有至關重要的作用；另一方面過量的紫外線會對人的皮膚造成傷害，破壞人體的免疫系統。因此設計一個紫外線監測系統，將采用LCD12864顯示屏來描繪出紫外線指數的變化進行紫外線強度監測，進而對影響紫外線強度的因素展開分析。

關鍵詞：紫外線監測；LCD12864；紫外線強度；

中圖分類號：P422.62 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）02-0030-04

Abstract：Environmental protection and health has always been a hot topic. It is necessary to establish effective monitoring system to cope with environmental and health problems. Ultraviolet radiation has its advantages and disadvantages for our live. Ultraviolet light as a kind of light radiation，on the one hand，has a vital role in the production of vitamin D in human body；on the other hand，excessive ultraviolet rays can cause harm to human skin and damage the body's immune system. Therefore，an ultraviolet monitoring system will be designed，which will use the LCD12864 display to describe the change in UV index for UV intensity monitoring，and then analyze the UV influencing factors.

Keywords：UV（ultraviole） monitoring；LCD12864；UV（ultraviole） intensity；

0 引 言

紫外線自從1802年被德國物理學家Rittle發現以來，人們從未停止過對其的探索。隨著信息時代的到來，紫外線的監測和應用有了新的發展。紫外線主要應用在醫學器械消毒滅菌、餐飲業的餐具消毒、飲用水消毒上，且不會產生副產物，具有廣闊的前景。還有在化學領域可以應用于涂料固化、顏料固化、光刻等[1]。對人體的健康而言，中波紫外線可以促進維生素D的產生，有助于預防佝僂病。然而，過度紫外線照射有害健康，容易引起皮膚老化、色素沉積等。目前的紫外線監測裝置存在監測方法復雜、不易攜帶、結構復雜等缺點，較難廣泛推廣使用。本文設計并制作了一種紫外線監測裝置，其具有制作簡單、使用方便快捷等優點[2]。

本文的紫外傳感器采用帶信號放大的GYML-8511紫外傳感器，這種傳感器的有效范圍均在280nm到370nm之間，因此監測范圍主要是近紫外UVA和遠紫外UVB。

1 監測模型設計

本文設計了一款紫外線實時監測系統的實物，具有能實時監測紫外線指數并畫出曲線的功能。紫外線監測系統分為52單片機、紫外線傳感器、ADC0832模數轉換芯片、LCD液晶顯示部分。選用的紫外線傳感器是帶運算放大的GYML-8511紫外監測模塊，在LCD顯示方面就選用描繪曲線的LCD12864。下面介紹系統的整體設計思路。

基于LCD12864的紫外監測系統，通過GYML-8511模塊采集紫外線指數并轉化為模擬電壓信號，經過AD0832進行模數轉換，傳輸到LCD12864中。在LCD12864顯示中，先讀出寫入LCD12864中的數據，經過單片機的處理將數值轉化為曲線中的點，點的高度表示紫外線的指數。整個系統的流程如圖1所示。

2 紫外線檢測原理

紫外檢測模塊選用帶運放的GYML-8511紫外傳感器。該傳感器內部自帶嵌入式運算放大器，輸出電流為模擬電流，工作電流僅為0.3mA，此傳感器工作溫度在-25℃到75℃之間，在不同溫度下工作輸出的電壓不同，GYML-8511紫外傳感器光譜響應特性如圖2所示。

3 紫外線指數影響因素分析

影響紫外線指數的因素有很多，受測試儀器的限制，本文僅分析大氣中臭氧濃度和二氧化硫濃度以及光強對紫外線的影響。測量時間共六天，前四天為多云以及陰雨天氣，第五天和第六天為晴天，利用搜集到的空氣中的臭氧、二氧化硫、光強等數據和測得的紫外指數，分析后得到各因素對紫外線指數的影響。

3.1 臭氧對紫外線指數影響

首先分析臭氧對紫外線的影響，根據測得的數據繪制出臭氧濃度與紫外指數的對比圖，如圖3所示。

從圖3中很難判斷臭氧濃度和紫外指數之間的關系，因而需要對數據進行篩選。需要控制天氣、二氧化硫等因素，使其盡量保持一致，通過控制變量法來研究兩者之間的關系。從數據中篩選出四組數據如表1所示。

將表中第一行和第二行數據，第三行和第四行數據進行比較，可以看出在光強、二氧化硫濃度的影響可以忽略不計的情況下，臭氧濃度越大，紫外線指數越低。

3.2 二氧化硫對紫外線指數影響

接下來分析二氧化硫對紫外線指數的影響，如圖4展示的二氧化硫濃度折線圖，二氧化硫對紫外線也有一定的吸收作用。SO2在陰天或者雨天的濃度都比較低，晴天的濃度略高于陰天和雨天。研究SO2的影響同樣需要挑出符合條件的點進行控制變量并分析。

挑選三組數據見表2，第一行與第二行為一組數據，第三行和第四行為一組數據，第五行和第六行為一組數據，從前兩組數據中看到當二氧化硫的濃度升高時，紫外線的濃度會降低。符合SO2濃度越高，紫外線越小的規律。第三組數據二氧化硫的濃度急劇升高的同時紫外線指數也上升了。可以注意到此組中第一個數據的臭氧濃度高于第二個數據中的臭氧濃度，臭氧對于紫外線的影響呈現負相關，因此紫外線的數值才會下降。這說明臭氧濃度對于紫外線的影響要大于SO2濃度對紫外線的影響。

綜合以上的分析，SO2濃度對紫外線指數的影響是負相關的，二氧化硫的濃度越高紫外線指數越小，但是需要注意SO2濃度對紫外線的影響遠不如臭氧對紫外線的影響。

3.3 光強對紫外線指數的影響

光強在表中的數據是通過光照度計采集的，采集地點和測紫外線系統的時間、地點同步，數據的可信度較高。光強度的單位是lux，光強與紫外指數曲線如圖5所示。

分析圖5，可以知道晴天的光強峰值遠大于陰天，光強和紫外線指數呈現正相關，趨勢十分明顯。

此外，還有一些其他因素對紫外線指數也產生了影響，如海拔越高，紫外線指數越高；溫度越高，紫外線指數越高。

4 結 論

本文對紫外線監測系統做了詳細闡述，首先，闡述了紫外線監測系統的總體設計方案與原理，此款基于LCD12864的紫外線實時監測系統主要針對UVA、UVB波段進行采樣、數據處理、液晶顯示，實現了實時測得紫外線指數的基本功能。其次，分析紫外線指數的影響因素。通過分析得到大氣中的成分對紫外線指數的影響，臭氧與二氧化硫與紫外線指數呈負相關，且臭氧對紫外線指數的影響大于二氧化硫；光強與紫外線指數呈正相關。然而，還存在一些不足，地理位置和溫度對紫外指數的影響有待分析。

參考文獻：

[1] 張金良，仁青諾布.基于S-G濾波的紫外線無線傳輸監測系統 [J].信息安全與技術，2015，6（9）：79-81.

[2] 杜英龍，馮林平，符運良.太陽光紫外線照度計的設計 [J].科技信息，2012（9）：123-124.

[3] 曲曉黎，張彥恒，趙娜，等.石家莊市紫外線監測分析及預報方法 [J].氣象科技，2011，39（6）：731-735.

[4] 高建民，翁惠輝，陳永軍，等.基于AVR單片機的高精度紫外線檢測儀的設計 [J].自動化與儀表，2012，27（1）：28-30+34.

作者簡介：朱華精（1996-），男，漢族，江蘇淮安人，本科，研究方向：光電信息科學與工程。