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Messung des UVA UVB

Wir alle lieben die Sonne und wissen natürlich um die Gefahren ultravioletter Strahlung für die menschliche Haut. Natürlich kann man sich nicht lange am Strand sonnen. Aber es ist überhaupt nicht offensichtlich, ist es möglich, im T-Shirt unter der Sonne zu laufen und zu schwimmen, in den Bergen zu laufen? Nach einem weiteren „Brennen“ der Sonne in den Bergen in Krasnaya Polyana stellte sich die Frage, wie man den sofortigen Index der ultravioletten Strahlung misst und weiß, wann es Zeit ist, sich im Schatten zu verstecken. Als Ergebnis wurde dieses kleine Gerät geboren - ein UV-Strahlungssensor mit einer Reihe zusätzlicher Funktionen.



Was soll das Gerät können


Die Hauptfunktion besteht darin, den UV-Strahlungsindex zu messen. Außerdem wollte ich die Lufttemperatur und die Wassertemperatur mit einer Genauigkeit von mindestens 0,5 Grad messen (insbesondere, als ich mit Eiswasser in den Pool eintauchte und ein chinesisches Thermometer betrachtete, das dort schwamm - 28 Grad und nicht in der Nähe). Und natürlich Batteriestrom.

Hauptkomponenten: VEML6075 + MCP3421 + STM8


Es gibt nicht viele Sensoren zur Messung des UV-Index. Eine häufig verwendete UV-Sonde ist ein Fototransistor. Es stellte sich jedoch als ziemlich schwierig heraus, zu kalibrieren. Die Wahl fiel auf den digitalen Sensor - VEML6075. Er erwies sich als sehr gut. Der einzige Nachteil ist, dass es schwierig zu kaufen ist. Die Lieferung musste über offizielle Kanäle etwa einen Monat warten - "The Fifth Element" (China hat dies nicht berücksichtigt - es ist unangenehm, die Qualität eines einmaligen Geräts zu erraten). Sensor Vorteile:

  • einfache Kalibrierung zu Hause
  • Kosinusantwort der Sensoroberfläche - Berücksichtigung des Einfalls von Strahlen
  • genaue Indexwerte in zwei Bereichen - UVA UVB
  • geringer Konsum
  • I2C-Kommunikation - volldigitaler Sensor


Anfangs war die Sensorgröße unheimlich 2x2 mm, es gab keine Heißluftpistole, ich dachte, es wäre schwierig, eine solche Kleinigkeit mit einem gewöhnlichen Lötkolben zu löten - aber es stellte sich als gut heraus.


Die zweite Frage - die Messung der Wassertemperatur, entschieden mit einem Thermoelement. Verwenden Sie zum genauen Lesen der Daten von diesem Sensor einen sehr genauen ADC mit integrierter Referenzspannungsquelle - MCP3421. 18-Bit-Auflösung + 8-fache Signalverstärkung für ein K-Thermoelement ergeben eine Temperaturauflösung von 0,01 Grad - mehr als genug. Angesichts der Notwendigkeit, die Temperatur der Verbindung zu messen, lag die Genauigkeit im Bereich von 0,2 Grad. Überprüfung durch Messen von kochendem Wasser und Eis.

Als Mikrocontroller - die einfachste und billigste Option - STM8S003F3. Alles ist an Bord - Timer, I2C - für den Sensor usw. erforderlich.

Da das Gerät in der Sonne arbeiten sollte, wird ein LCD-Bildschirm als Anzeige verwendet. Ich wollte Kompaktheit - ich entschied mich für diese:


Mit dem Management musste gequält werden. Das Multiplexen der LCD-Pins auf einem herkömmlichen Mikrocontroller ist immer noch diese Aufgabe, aber im Allgemeinen ist alles gut gelaufen.

Der Fall wählte ein kleines, kompaktes Modell der Firma Sanhe "20-31". Außengröße - 35x45x18 mm. Alles passt - das Board, die Anzeige und die Batterie.

Ich werde die Schaltung und die Platine nicht geben, alles ist auf Github

UV-Sensorkalibrierung


Nachdem sie Messwerte vom Sensor erhalten hatten, waren sie nicht sehr zufrieden, sie waren den Messwerten des "Hydro-Centers" nicht ähnlich. Ich musste lernen, wie man den Sensor richtig kalibriert.

Um den UV-Strahlungsindex anhand der Sensorwerte korrekt zu berechnen, müssen mehrere Konstanten verwendet werden. Wie berechnet man sie ohne spezielle Ausrüstung? Hier ist die vollständige Formel zur Berechnung des Index: Die

Konstanten k1 und k2 können ohne Ausrüstung nicht berechnet werden. Sie sind jedoch für die genaueste Berechnung erforderlich, damit sie als Einheit betrachtet werden können. Die Empfindlichkeitskonstanten des Sensors können der Tabelle entnommen werden:

Wir brauchen die Konstanten aus der ersten Zeile, da der Sensor nicht von Teflon abgedeckt wird (wir konnten kein optisches Teflon kaufen, daher ist der Sensor endlich geöffnet). UVAresp und UVBresp. Aber die Konstanten a, b, c, d müssen berechnet werden. Ich habe das mit einem Debugger gemacht. Es ist notwendig, die Daten uva, uvb, uvcomp1, uvcomp2 abzurufen und die Konstanten in Excel zu berechnen. Es ist unpraktisch, sie auf dem Display anzuzeigen - es gibt zu wenige Ziffern. Hier wird der Debugger benötigt. Setzen Sie nach dem Empfang der Daten einen Haltepunkt und sehen Sie sich die berechneten Werte an. Sie können auch die Möglichkeit nutzen, ST-Link während des Debuggens und der umgekehrten Verbindung von STM8 zu trennen. In diesem Fall wird die Debugging-Sitzung nicht unterbrochen! Eine weitere Option ist die Verwendung von STM8 STUDIO. Mit diesem speziellen Programm können Sie jederzeit Variablen abrufen.

Verwenden Sie dies, um die Konstanten ohne spezielle Ausrüstung zu berechnen (dies wird im Anwendungshinweis zum Sensor beschrieben). Sonnenlicht in seinem Spektrum hat UV-Strahlung, IR-Strahlung und sichtbare Strahlung. Um die Intensität der UV-Strahlung zu berechnen, müssen die überschüssigen Daten über IR-Strahlung und sichtbare Strahlung subtrahiert werden. Verwenden Sie dazu die Daten uvcomp1 (verantwortlich für sichtbare Strahlung) und uvcomp2 (verantwortlich für IR-Strahlung).

Zur Berechnung der Konstanten in der verwendeten Formel werden zwei künstliche Lichtquellen benötigt:
• eine gewöhnliche Glühlampe - sie emittiert im IR-Spektrum und sichtbare Strahlung, es gibt keine UV-Strahlung
• LED-Lampe - sie emittiert nur in sichtbarer Strahlung, es gibt keine UV- und IR-Strahlung
Wir beginnen mit der LED-Lampe. Da keine UV-Strahlung vorhanden ist, ist der entsprechende Index Null.

Die LED-Lampe hat keine IR-Strahlung, daher ist UVcomp2 0. In diesem Fall können Sie die Koeffizienten finden.

Mit diesen Koeffizienten ist es nicht schwierig, die Koeffizienten b und d zu finden, wenn eine herkömmliche Lampe verwendet wird, wenn UVcomp2 nicht gleich Null ist.


Mit dieser einfachen Methode können Sie die erforderlichen Konstanten erhalten. Eine solche Kalibrierung sollte abends durchgeführt werden, wenn kein Sonnenlicht und keine anderen Lichtquellen vorhanden sind.
Ein korrekt kalibrierter Sensor ist sehr einfach zu überprüfen. An einem sonnigen Tag, mittags, wenn keine Wolken am Himmel sind, müssen Sie die Intensität messen, indem Sie den Sensor genau auf die Sonne richten. Die Messwerte müssen mit den auf den Wetterstandorten übertragenen Daten übereinstimmen.

Um die Strahlung genau zu messen, muss der Sensor beim Bräunen parallel zur Körperoberfläche gehalten werden. Um den maximalen Stromindex zu erhalten, muss der Sensor auf die Sonne gerichtet sein.

Der Sensor zeigte die besten Ergebnisse mit der maximalen Datenmittelungszeit (der Sensor kann diesen Parameter einstellen - die Zeit, in der er selbst die Indikatoren mittelt) - 800 ms.

Um die Messwerte absolut perfekt zu machen, mussten wir auch den Empfehlungen des Entwicklers folgen - die Platine schwarz zu streichen, damit sie den Sensor nicht reflektiert und mit einem schwarzen Trichter umgibt.

Erfahrung nutzen


Ich sage gleich zum Verbrauch - er ist extrem klein, etwa 2 mA, wenn alle Sensoren und der Mikrocontroller funktionieren. Bei seltener Verwendung hält der Akku mit einer einzigen Ladung etwa 3 Monate lang.

Ich halte die Genauigkeit der Messwerte für sehr hoch. Ich habe in mehreren Regionen (Moskau, Sotschi, Krim) eingecheckt - die Messwerte stimmen mittags mit den Wetterstandorten überein. Daher glaube ich, dass man ihm bei bewölktem Wetter auch vertrauen kann.

Bei der Herstellung des Sensors musste ich untersuchen, was UV-Strahlung ist und wie sie immer noch schädlich ist. Was für Arten davon sind. Wie wirkt es sich auf die Haut aus? Wie ist der Sonnenstand am Horizont und ob UV-Strahlung schädlich für die Augen ist?

Persönlich habe ich alle Artikel über das „Brennen“ an mir selbst überprüft. Der Sensor erwies sich als ausgezeichnet. Nachdem ich nun Index 13 auf dem Sensor in den Bergen gesehen habe, ziehe ich ein enges Hemd an und bedecke alle Körperteile. Und abends, wenn Index 5 - gehe ich ruhig und sonne mich unter den warmen Sonnenstrahlen.

Ich habe gelernt, dass man an einem sonnigen Tag in Moskau einen guten Sonnenbrand bekommen kann - der Index erreicht mittags 9. Und auch, dass sich beim Schwimmen die Zeit in der Sonne verdoppelt.
Für mich war dieses Gerät sehr nützlich, ich benutze es immer noch, die ganze Familie vertraut dem Zeugnis.

Im Moment fügte er einen sehr genauen Feuchtigkeitssensor hinzu - HTS221. Es funktioniert auch auf I2C, also habe ich einfach ein Mini-Board erstellt und es eingefügt. Gelötet mit einem lackierten Draht 0,15 mm. Jetzt zeigt es auch die Luftfeuchtigkeit an, viel genauer als die auf dem Markt verkauften chinesischen Messgeräte.

Ich werde ein wenig über das große Fett-Minus schreiben - gemäß den Empfehlungen des Entwicklers ist es besser, den Sensor mit optischem Teflon zu schließen, um den Sensor vor Staub und Schmutz zu schützen. Es hat nicht funktioniert, ein solches Teflon in der Schiene zu finden, daher wird der Sensor staubig und manchmal wische ich ihn mit einem Wattestäbchen ab.

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