一種紫外線檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

摘" 要：紫外線檢測(cè)可廣泛應(yīng)用于紫外線手表、戶外運(yùn)動(dòng)設(shè)備、移動(dòng)電話、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。文章設(shè)計(jì)的紫外線檢測(cè)系統(tǒng)基于Arduino UNO主控板，通過(guò)紫外線傳感器采集數(shù)據(jù)，并利用Arduino IDE編寫(xiě)程序，顯示紫外線傳感器采集到的紫外線強(qiáng)度及其對(duì)應(yīng)的紫外線指數(shù)等級(jí)。該系統(tǒng)通俗易懂，能讓使用者清晰了解當(dāng)前紫外線強(qiáng)度的等級(jí)劃分，可作為出行、防曬、戶外運(yùn)動(dòng)等場(chǎng)景的防護(hù)參考，適用于需要測(cè)量紫外線強(qiáng)度和紫外線指數(shù)的場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：Arduino UNO；紫外線傳感器；紫外線指數(shù)

中圖分類號(hào)：TP212；TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2025）04-0022-04

Design of a UV Detection Device

YIN Xiaotian

（Luzhou Vocational and Technical College， Luzhou" 646000， China）

Abstract： UV detection can be widely applied in UV watches， outdoor sports equipment， mobile phones， medical devices， and other devices. The UV detection system designed in this paper is based on the Arduino UNO main control board. It collects data through a UV sensor， uses the Arduino IDE to write programs， and displays the UV intensity and the corresponding UV index level collected by the UV sensor. The system is easy to understand and allows users to have a clear concept of the current UV intensity level. It can serve as a reference for protection in scenarios such as travel， sun protection， and outdoor sports， and it is suitable for occasions where UV intensity and UV index need to be measured.

Keywords： Arduino UNO; UV sensor; UV index

0" 引" 言

紫外線又稱紫外光（UV），波長(zhǎng)范圍在100～400 nm（納米）之間，分為UVA（波長(zhǎng)315～400 nm）、UVB（波長(zhǎng)280～315 nm）、UVC（波長(zhǎng)200～280 nm）及真空紫外線（波長(zhǎng)100～200 nm）[1]。能透過(guò)臭氧層和云層到達(dá)地球表面的紫外線是UVA和UVB部分，而UVB會(huì)使人類的皮膚變紅，短期內(nèi)降低維生素D的生成，長(zhǎng)期可能導(dǎo)致皮膚癌、白內(nèi)障及抑制免疫系統(tǒng)功，環(huán)境科學(xué)家提醒，應(yīng)該注意紫外線輻射對(duì)人體的危害并采取必要的預(yù)防措施。紫外線的檢測(cè)，對(duì)于人們生活質(zhì)量的提高和身體健康有著重要的輔助意義。

1" 設(shè)計(jì)框架

本文設(shè)計(jì)的紫外線檢測(cè)裝置基于Arduino UNO主控板，主要檢測(cè)UVB的強(qiáng)度，并通過(guò)液晶屏顯示紫外線強(qiáng)度及其對(duì)應(yīng)的紫外線指數(shù)等級(jí)。該裝置能夠讓使用者對(duì)當(dāng)前紫外線強(qiáng)度有一個(gè)量化的認(rèn)知，通俗易懂，可為出行、防曬、戶外運(yùn)動(dòng)等提供防護(hù)參考，適用于需要測(cè)量紫外線強(qiáng)度和紫外線指數(shù)的場(chǎng)合，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)和林業(yè)、醫(yī)療診斷、安全防護(hù)、殺菌消毒等領(lǐng)域。Arduino UNO主控板的核心是一個(gè)微控制器，可通過(guò)一系列引腳連接各種傳感器、執(zhí)行器和顯示器等外部設(shè)備。其官方開(kāi)發(fā)環(huán)境為Arduino IDE，也可使用其他圖形化編程軟件進(jìn)行編程。該主控板具有開(kāi)放源碼、易用、成本低、功能多樣、易于創(chuàng)新等優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)串口、Wi-Fi模塊或物聯(lián)網(wǎng)模塊連接計(jì)算機(jī)上位機(jī)或手機(jī)APP進(jìn)行顯示[2]。

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的紫外線檢測(cè)裝置的系統(tǒng)框圖主要包括Arduino UNO主控板、紫外線光照傳感器和顯示模塊[3]。紫外線光照傳感器采集環(huán)境中的紫外線強(qiáng)度，并將信號(hào)傳輸至主控板。通過(guò)在Arduino IDE中編寫(xiě)程序，將采集到的紫外線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為紫外線指數(shù)等級(jí)，并通過(guò)專用下載器將程序燒錄到主控板。主控板對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理后，通過(guò)液晶屏顯示紫外線強(qiáng)度和指數(shù)等級(jí)，并可通過(guò)串口模擬監(jiān)視環(huán)境的紫外線情況[4]。在此基礎(chǔ)上，如果接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和賬號(hào)，可通過(guò)Wi-Fi或物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)置通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)計(jì)算機(jī)或手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視[5]。

2" 電路的硬件

2.1" 紫外線傳感器

紫外線傳感器是一種基于光電子發(fā)射效應(yīng)的光電傳感器，能夠通過(guò)特定的光敏元件將紫外線信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)。它具有高靈敏度、高輸出、高響應(yīng)速度等特點(diǎn)，能夠檢測(cè)人類感官無(wú)法直接感知的紫外線輻射，并在各種復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定可靠地工作。

通過(guò)查閱元件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，S12SD是一種高靈敏度的UV紫外線傳感器，采用氮化鎵基材料的肖特基光電二極管，具有高響應(yīng)度和低暗電流。它可以測(cè)量太陽(yáng)光紫外線強(qiáng)度的總量，響應(yīng)速度快，且具有全互換性。S12SD能夠檢測(cè)波長(zhǎng)范圍為200～370 nm的紫外線，即UVB紫外線，符合設(shè)計(jì)需求。其電流輸出與紫外線指數(shù)呈線性關(guān)系，特性穩(wěn)定且易于操作。

如表1所示，紫外線指數(shù)是指當(dāng)太陽(yáng)在天空中的位置最高時(shí)，到達(dá)地球表面的太陽(yáng)光線中紫外線輻射對(duì)人體皮膚的潛在損傷程度。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的紫外線指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，紫外線指數(shù)用0～11+的數(shù)字表示（通常0～2為低風(fēng)險(xiǎn)，3～5為中等風(fēng)險(xiǎn)，6～7為高風(fēng)險(xiǎn)，8～10為極高風(fēng)險(xiǎn)，11+為極端風(fēng)險(xiǎn)）。夜間的紫外線指數(shù)為0，而在熱帶、高原地區(qū)或晴天時(shí)，紫外線指數(shù)可能達(dá)到11+。紫外線指數(shù)越高，表示紫外線輻射對(duì)人體皮膚的紅斑損傷程度越強(qiáng)，且在更短時(shí)間內(nèi)對(duì)皮膚的傷害越大[6]。

2.2" 顯示電路

顯示方式有多種，如數(shù)碼管、液晶屏，或者通過(guò)串口、Wi-Fi模塊或物聯(lián)網(wǎng)模塊連接電腦的上位機(jī)或手機(jī)APP。具體如下：

1）下位機(jī)通常采用數(shù)碼管或液晶屏顯示。例如，1602LCD液晶屏是一種專門(mén)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，能夠同時(shí)顯示16×2（兩行字符），即32個(gè)字符[7]。

2）通過(guò)串口連接到計(jì)算機(jī)，然后使用串口監(jiān)視軟件或設(shè)計(jì)組態(tài)軟件顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果。

3）通過(guò)Wi-Fi模塊或物聯(lián)網(wǎng)模塊，在計(jì)算機(jī)或手機(jī)上設(shè)置網(wǎng)絡(luò)并添加設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無(wú)線顯示。然而，Wi-Fi模塊占用較多I/O口，同時(shí)需要物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)配合。通過(guò)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信，而如果采用手機(jī)應(yīng)用程序顯示，則難度更大。

本設(shè)計(jì)采用1602LCD液晶屏，并通過(guò)串口監(jiān)視返回的紫外線數(shù)據(jù)采集情況，以此驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性。

I2C轉(zhuǎn)接板模塊電路如圖3所示。本設(shè)計(jì)選用帶I2C轉(zhuǎn)接板的1602液晶屏，以分屏方式顯示紫外線強(qiáng)度和紫外線指數(shù)。LCD1602液晶屏通過(guò)I2C（集成電路總線）驅(qū)動(dòng)，可極大簡(jiǎn)化接線和驅(qū)動(dòng)程序。I2C是一種串行通信總線，應(yīng)用于板載低速設(shè)備間的通信，簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，減少設(shè)備間的連線。I2C串行總線有兩根信號(hào)線：一根是雙向數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。每個(gè)I2C設(shè)備都有自己的地址，多個(gè)設(shè)備通過(guò)設(shè)備地址進(jìn)行區(qū)分。I2C轉(zhuǎn)接板直接焊接于LCD1602，通過(guò)模塊背面的跳線帽設(shè)置是否開(kāi)啟背光，通過(guò)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)顯示對(duì)比度。設(shè)備默認(rèn)地址為0x27[8]，不支持漢字顯示。

2.3" 搭建電路

準(zhǔn)備Arduino UNO主控板、S12SD紫外線傳感器、1602LCD液晶屏等，并將各個(gè)電路連接起來(lái)。

除了連接電源和地線外，紫外線傳感器的SIG腳連接到主控板的A0腳，1602液晶屏通過(guò)I2C驅(qū)動(dòng)連接，其SDA腳連接到主控板的A4腳，SCL腳連接到主控板的A5腳。計(jì)算機(jī)通過(guò)串口公頭連接主控板的串口母座。

3" 軟件設(shè)計(jì)

3.1" 紫外線模塊程序

紫外線傳感器模塊的主要功能是讀取紫外線強(qiáng)度并轉(zhuǎn)換為紫外線指數(shù)。部分程序源代碼如下：

void setup（） {

Serial.begin（9600）;}

void loop（） {

sensorValue = 0;

sum = 0;

Serial.print（vout）;

if" "（vout lt; 50）" "{ uv = 0; }

else if （vout lt; 227） { uv = 1; }

else if （vout lt; 318） { uv = 2; }

else if （vout lt; 408） { uv = 3; }

else if （vout lt; 503） { uv = 4; }

else if （vout lt; 606） { uv = 5; }

else if （vout lt; 696） { uv = 6; }

else if （vout lt; 795） { uv = 7; }

else if （vout lt; 881） { uv = 8; }

else if （vout lt; 976） { uv = 9; }

else if （vout lt; 1079） { uv = 10; }

else" " " " " " "{ uv = 11; }

delay（20）;

Serial.print（out）;

Serial.println（uv）;}

3.2" 1602液晶屏程序

帶I2C轉(zhuǎn)接板的1602液晶屏用于顯示紫外線強(qiáng)度和紫外線指數(shù)。部分程序源代碼如下：

LiquidCrystal_I2C lcd（0x27，16，2）;

void setup（）{

lcd.init（）;

lcd.backlight（）;}

void loop（）{

lcd.setCursor（6，1）;

lcd.print（vout）;

lcd.setCursor（11，1）;

lcd.print（uv）;}

打開(kāi)Arduino IDE，點(diǎn)擊“文件”，加載庫(kù)，打開(kāi)本設(shè)計(jì)的工程文件.ino，選擇相應(yīng)的開(kāi)發(fā)板型號(hào)和COM口，編譯程序并下載到主控板上[9-10]?；蛘咄ㄟ^(guò)圖形化編程軟件進(jìn)行編程，并將程序下載到主控板上。液晶屏顯示情況如圖4所示。打開(kāi)串口監(jiān)視器，使用紫外筆或紫外燈照射傳感器，將監(jiān)測(cè)到的紫外線強(qiáng)度和UV值顯示在串口監(jiān)視器上，串口返回情況如圖5所示。

4" 結(jié)" 論

本文設(shè)計(jì)了一種紫外線檢測(cè)電路，通過(guò)Arduino UNO主控板、S12SD紫外線傳感器模塊和1602LCD液晶屏，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紫外線的檢測(cè)和顯示。該設(shè)計(jì)可為日常防護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)和林業(yè)、醫(yī)療診斷、安全防護(hù)等領(lǐng)域提供量化的參考。同時(shí)，未來(lái)的紫外線傳感器將不僅僅局限于單一的紫外線檢測(cè)功能，而是會(huì)具備更多附加功能。例如，它們可以與溫度傳感器、濕度傳感器等其他類型的傳感器集成，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的同時(shí)監(jiān)測(cè)和測(cè)量，從而提高系統(tǒng)的綜合性能和實(shí)用性。

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作者簡(jiǎn)介：尹小田（1984—），女，漢族，湖南永州人，講師，本科，研究方向：電子信息技術(shù)。

收稿日期：2024-09-09