基于太阳能电池的便携式紫外线检测仪的设计

    马永华

    

    

    摘 要：文章通过设计一个紫外线检测仪来提醒人们进行必要的防护，方便人们的生活。文章给出了两套设计方案，其中一套实施成功，另一套方案通过紫外线传感器模块和相应的处理电路，配合太阳能电池板实现紫外线的采集。文章对于不同的情况提出不同解决方法。

    关键字：紫外线检测；太阳能电池；低功耗；单片机

    1 课题的研究背景

    紫外线是一种电磁波，波长从10～400 nm，不能被人眼所见。紫外线可以用来灭菌，但是过多的紫外线进入体内会对人体造成伤害，例如晒伤、皮肤癌等等。

    紫外线根据波长分为：长波紫外线（UVA），中波紫外线（UVB）和短波紫外线（UVC）。不同的紫外线对人体皮肤的渗透程度是不同的。

    UVA约占10%～20%，它可穿透真皮层，使皮肤晒黑，并导致脂质和胶原蛋白受损，引起皮肤的光老化甚至皮肤癌。UVB约占80%～90%，它可到达真皮层，使皮肤被晒伤，引起皮肤脱皮、红斑等现象。UVC因为它在通过臭氧层时已被吸收，不能到达地面。防止紫外线照射给人体造成的皮肤伤害，主要是防止紫外线UVA和UVB。

    本课题希望设计一个便携式的紫外线传感器，实时方便地指导人们应该采取的防护措施。

    2 设计方案与实施

    经过调研分析先后设计了两套方案。

    方案一：选用UVM-30紫外线传感器接收紫外线信号，并且搭建模拟电路，使二极管经过模拟电路后点亮二极管，二极管点亮个数越多，则表示紫外线等级越强。

    UVM-30紫外线传感器接收范围光线波长在100～300 uf，输出电压在0～1 200 mv。将输出电压经过324芯片的放大器放大5倍后输入到控制器之中。

    UVM-30A紫外线传感器参数：尺寸9 mm×9 mm×10 mm。

    该电路的特点如下：

    （1）工作电压： DC 3～5 V；（2）输出电压： DC 0～1 V（线性度好）；（3）测试精度：±1UV INDE×；（4）工作电流：典型值0.06 mA，最大值0.1 mA；（5）响应波长：200～370 nm；（6）工作温度：-20℃～-85℃；（7）工作稳定性：年漂移率<5%。

    电路中采用2块6 V太阳能电池板并联为整个系统供电。经过7805三线稳压芯片稳压后，使得输出电压为5 V，为模拟电路与紫外线传感器供电。

    太阳能电池板的参数如下：

    （1）最大工作电流：120 mA；（2）最大工作电压：6 V；（3）最大功率：0.7 W；（4）功率允许偏差范围：±3%；（5）外形尺寸：60×80×2 mm3（±0.3 mm）。

    紫外线传感器UVM-30接收紫外线信号，紫外线强度越强，传感器向外输送的电压越强，紫外线越弱，传感器向外输送电压越弱。此设计电路如图3所示。

    紫外线传感器线外输送的电压经过放大后输送到324芯片的比较器中，输送的电压信号与比较器的设定电压值相互比较，如果输送的电压信号值大于比较器中的设定电压值，则比较器向外输出电压；如果输送的电压信号值小于比较器中的设定电压值，则比较器不能向外输出电压。

    比较器向外输送3.7V电压，经过1K的电阻分压，向二极管两端施加2V电压，点亮二极管。将传感器的输出电压接到6个比较器的同向输入端，通过调节比较器反向输入端的电位器设定不同的阈值电压，每个比较器的设定电压不同，所以导致紫外线输送的信号电压达到不同值时相应的比较器向外输送电压，点亮相应的二极管，以此来表示不同的紫外线等级。

    目前将模拟量输出用二极管来显示紫外线强度等级已经做出实验板，并实验操作成功。

    目前所研制的紫外线检测仪只是用模拟电路搭建的，其优点是体积小，性能稳定，结构简单。但是模拟量的输出信号不利于数字化应用，不能与其他控制系统连接，应用性能不大。因此，本文设计了第二套方案。

    方案二：（1）太阳能电池采用单晶硅太阳电池，它坚固耐用，使用寿命一般可达20年，光电转换效率为15%。

    买来6 V的太阳能电池板先进行参数测量实验，时间是2017年5月的一天，午后1点，测得开路电压为2 V。具体测试条件和参数如表1所示。

    所以太阳能电池板要作为电源还有很多方面不满足。根据太阳能电池板的特点，提出4种设计方案。

    方案一：纽扣电池和太阳能电池板切换，实验多次也未成功，经常烧电路，在切换中处于动态，这个过程很复杂，如切换的冲击电流等，需设置多个保护电路来使系统稳定，如：用1N4001或其他二极管只能防止电池间出现短路电流，不能达到并联电池存在压差时的均流效果，应该用均流电阻。但最終也没有成功。

    方案二：通过升压BOOST电路，但电压升高，电流减小，再扣除转换过程中的损耗，不能满足电流的需求。

    方案三：通过一块太阳能电池板和稳压管给一种可充电电池充电，因为阴天时充电电流小，需要一直背在外面，太阳光强时，充电电流大，又要考虑限制充电电流，还有过充的问题，这样电路复杂，体积变大，不满足便携式的要求。

    方案四：纽扣电池和太阳并联，为防止两个电源间出现环流，在其间串联两个反并联二极管，由这个组合电源和后续的电路供电，当太阳光强时，由太阳能电池板供电，太阳光弱时用纽扣电池供电。

    3 紫外线检测部分单片机电路实现

    这部分主要希望体现低功耗，所以在选择单片机时，选择了C8051F系列中的低功耗单片机芯片C8051F330。这部分内容包括电源电路、单片机及其外围电路、紫外线采集模块和液晶显示模块4个部分。图4为电源部分。

    图中单相220 V交流电压通过适配器接入电路板，为了得到较理想的直流电压，经过整流桥和电容的滤波得到5 V电压，给后续的液晶显示模块和紫外线采集模块中的324放大器供电。这个5 V电压再经AS1117变换成3.3 V的电压给C8051f330单片机提供电压。图5为紫外线采集模块。

    Vout输入到单片机的P0.1作为模拟输入，因为这个模块输出范围为0～1.17 V，C8051f330单片机内部电压基准电路包含一个1.2 V的带隙电压基准发生器，正好可以实现紫外线模块整个输出范围的采集。图6为单片机模块部分。

    C8051F330单片机使用Silicon Labs的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51指令集完全兼容，是集成的混合信号片上系统，内部集成有A/D，D/A、定时器、电压基准、时钟振荡器和FLASH存储器。C8051f330单片机共20个引脚，P0.1采集紫外线输出模块的电压，经过AD转换之后，输出相应的级别。P0.2和P0.3之间接外部晶振，这个也可以不接，使用单片机内部的晶振。调试程序用的JTAG口连接到P2.0和P1.4上。单片机含有两个200 ksps的 10 位逐次逼近寄存器型 ADC，可以分时采集16通道，我们使用ADC0的第一个通道，使其工作在单端输入方式。

    如果液晶模块直接连接到单片机上需要占用11个单片机的I/O接口，对于只有16个I/O接口的C8051f330单片机来说占用的太多了，所以选用一个芯片NLS595，这样只需占用P1.2和P1.7两个I/O口。图7为液晶显示部分。

    4 结语

    该项目通过两种方式设计了紫外线的采集，模拟电路搭建完成，实现紫外线采集和显示；太阳能电池作为电源的设计完成，但实现效果不尽如人意。