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Medición de los rayos UVA UVB

Todos amamos el sol y, por supuesto, sabemos sobre los peligros de la radiación ultravioleta para la piel humana. Obviamente, no puedes tomar el sol en la playa durante mucho tiempo. Pero no es nada obvio, ¿es posible caminar bajo la camiseta bajo el sol y nadar, caminar en las montañas? Después de otra "quema" del sol en las montañas en Krasnaya Polyana, surgió la pregunta: cómo medir el índice instantáneo de radiación ultravioleta y saber cuándo es el momento de esconderse a la sombra. Como resultado, nació este pequeño dispositivo: un sensor de radiación UV con una serie de funciones adicionales.



¿Qué debe poder hacer el dispositivo?


La función principal es medir el índice de radiación UV. Además, quería medir la temperatura del aire y la temperatura del agua, con una precisión de al menos 0.5 grados (especialmente cuando me bañé en la piscina con agua helada y miré un termómetro chino que estaba nadando allí, 28 grados, y no estaba cerca). Y, por supuesto, la batería.

Componentes principales: VEML6075 + MCP3421 + STM8


No hay muchos sensores para medir el índice UV. Una sonda UV comúnmente utilizada es un fototransistor. Pero resultó ser bastante difícil de calibrar. La elección recayó en el sensor digital: VEML6075. Resultó ser muy bueno. Lo único negativo es que es difícil de comprar, la entrega tuvo que esperar aproximadamente un mes a través de los canales oficiales: "El quinto elemento" (China no lo consideró, es desagradable adivinar la calidad en un dispositivo de una sola vez). Ventajas del sensor:

  • Calibración fácil en casa
  • Respuesta cosenoidal de la superficie del sensor: cuenta de la incidencia de rayos
  • lecturas de índice precisas en dos rangos - UVA UVB
  • bajo consumo
  • Comunicación I2C: sensor totalmente digital


Inicialmente, el tamaño del sensor daba miedo 2x2 mm, no había pistola de calor, pensé que sería difícil soldar un poco con un soldador normal, pero resultó bien.


La segunda pregunta: la medición de la temperatura del agua, decidida con un termopar. Para una lectura precisa de los datos de este sensor, use un ADC muy preciso, con una fuente de voltaje de referencia integrada: MCP3421. La resolución de 18 bits + 8x de amplificación de señal para un termopar tipo K proporciona una resolución de temperatura de 0.01 grados, más que suficiente. Dada la necesidad de medir la temperatura del compuesto, la precisión estaba en la región de 0.2 grados. Comprobado midiendo agua hirviendo y hielo.

Como microcontrolador, la opción más simple y económica, STM8S003F3. Todo está a bordo (temporizadores, I2C) necesarios para el sensor, etc.

Como el dispositivo debería funcionar al sol, se utiliza una pantalla LCD como indicador. Quería compacidad, elegí esta:


Con la gestión tuvo que atormentar. Multiplexar los pines LCD en un microcontrolador convencional sigue siendo esa tarea, pero en general todo salió bien.

El caso eligió un modelo pequeño y compacto de la compañía Sanhe "20-31". Tamaño externo - 35x45x18 mm. Todo encaja: el tablero, el indicador y la batería.

No daré el circuito y la placa, todo está en github

Calibración del sensor UV


Después de recibir las lecturas del sensor, no estaban muy contentos, no eran similares a las lecturas del "centro hidroeléctrico". Tuve que aprender a calibrar correctamente el sensor.

Para calcular correctamente el índice de radiación UV de acuerdo con las lecturas del sensor, es necesario usar varias constantes. ¿Cómo calcularlos sin equipo especial? Aquí está la fórmula completa para calcular el índice: las

constantes k1 y k2 no se pueden calcular sin equipo. Pero son necesarios para el cálculo más preciso, de modo que puedan tomarse como una unidad. Las constantes de sensibilidad del sensor se pueden tomar de la tabla:

Necesitamos las constantes de la primera línea, ya que el sensor no está cubierto por teflón (no pudimos comprar teflón óptico, por lo que el sensor finalmente está abierto). UVAresp y UVBresp. Pero las constantes a, b, c, d deben calcularse. Hice esto con un depurador. Es necesario obtener los datos uva, uvb, uvcomp1, uvcomp2 y calcular las constantes en Excel. No es conveniente mostrarlos en la pantalla: hay muy pocos dígitos. Aquí es donde se necesita el depurador. Establezca un punto de interrupción después de recibir los datos y vea los valores calculados. También puede usar la capacidad de desconectar ST-link de STM8 durante la depuración y la conexión inversa. ¡En este caso, la sesión de depuración no se interrumpe! Otra opción es usar STM8 STUDIO. Este programa especial le permite obtener variables en cualquier momento.

Para calcular las constantes sin equipo especial, usemos esto (esto se describe en la nota de aplicación al sensor). La luz solar en su espectro tiene radiación UV, radiación IR y radiación visible. Para calcular la intensidad de la radiación UV, es necesario restar el exceso de datos sobre la radiación IR y la radiación visible. Para hacer esto, use los datos uvcomp1 (responsable de la radiación visible) y uvcomp2 (responsable de la radiación IR).

Para calcular las constantes en la fórmula utilizada, se necesitan dos fuentes de luz artificial:
• una lámpara incandescente ordinaria: emite en el espectro IR y radiación visible, no hay radiación UV
• Lámpara LED: emite solo en radiación visible, no hay radiación UV e IR
Comenzamos con la lámpara LED. Como no hay radiación UV, el índice correspondiente será cero.

La lámpara LED no tiene radiación IR, por lo que UVcomp2 será 0. Y en este caso, puede encontrar los coeficientes

Teniendo estos coeficientes, no es difícil encontrar los coeficientes byd cuando se usa una lámpara convencional, cuando UVcomp2 no es igual a cero.


Usando este método simple puede obtener las constantes necesarias. Dicha calibración debe realizarse por la tarde cuando no hay luz solar y otras fuentes de luz.
Un sensor correctamente calibrado es muy fácil de verificar. En un día soleado, al mediodía, cuando no hay nubes en el cielo, debe medir la intensidad apuntando el sensor exactamente al sol. Las lecturas deben coincidir con los datos transmitidos en los sitios meteorológicos.

Al broncearse, para medir con precisión la radiación, el sensor debe mantenerse paralelo a la superficie del cuerpo. Para obtener el índice de corriente máximo, el sensor debe dirigirse al sol.

El sensor comenzó a mostrar los mejores resultados con el tiempo promedio de datos máximo (el sensor tiene la capacidad de establecer este parámetro, el tiempo durante el cual promedia los indicadores): 800 ms.

Para que las lecturas fueran absolutamente perfectas, también tuvimos que seguir las recomendaciones del desarrollador: pintar el tablero de negro para que no se refleje y rodee el sensor con un embudo negro.

Usar experiencia


Diré de inmediato sobre el consumo: es extremadamente pequeño, es de aproximadamente 2 mA cuando todos los sensores y el microcontrolador están funcionando. Con un uso poco frecuente, la batería dura aproximadamente 3 meses con una sola carga.

Considero que la precisión de las lecturas es muy alta. Revisé en varias regiones (Moscú, Sochi, Crimea): las lecturas coinciden al mediodía con los sitios meteorológicos. Por lo tanto, creo que en tiempo nublado también se puede confiar.

En la fabricación del sensor, tuve que estudiar qué es la radiación UV y cómo sigue siendo dañina. Qué tipos de eso son. ¿Cómo afecta a la piel? ¿Cómo afecta la posición del sol en el horizonte y si la radiación UV es perjudicial para los ojos?

Personalmente, revisé todos los artículos sobre "quemar" en mí mismo. El sensor demostró ser excelente. Ahora, después de haber visto el índice 13 en el sensor en las montañas, me puse una camisa ajustada y cubrí todas las partes del cuerpo. Y en la noche, cuando el índice 5 - camino tranquilamente y me relajo bajo los cálidos rayos del sol.

Aprendí que en un día soleado, puedes tener una buena quemadura de sol en Moscú: el índice llega a las 9 del mediodía. Y también, que al nadar, el tiempo que pasa bajo el sol se duplica.
Para mí, este dispositivo fue muy útil, todavía lo uso, toda la familia confía en el testimonio.

Por el momento, agregó un sensor de humedad muy preciso: HTS221. También funciona en I2C, así que acabo de hacer una mini placa y pegarla dentro. Soldado con un alambre barnizado de 0,15 mm. Entonces, ahora también muestra humedad, con mucha más precisión que los medidores chinos vendidos en el mercado.

Escribiré un poco sobre el gran signo de menos grasa: de acuerdo con las recomendaciones del desarrollador, es mejor cerrar el sensor con teflón óptico para aislar el sensor del polvo y la suciedad. No funcionó encontrar tal teflón en el riel, por lo que el sensor se vuelve polvoriento y, a veces, lo limpio con un bastoncillo de algodón.

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