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Medindo o UVA UVB

Todos nós amamos o sol e, é claro, sabemos sobre os perigos da radiação ultravioleta para a pele humana. Obviamente, você não pode tomar sol na praia por um longo tempo. Mas não é nada óbvio, é possível andar de camiseta sob o sol e nadar, andar nas montanhas? Após outra “queimação” do sol nas montanhas em Krasnaya Polyana, surgiu a questão - como medir o índice instantâneo de radiação ultravioleta e saber quando é hora de se esconder na sombra. Como resultado, este pequeno dispositivo nasceu - um sensor de radiação UV com várias funções adicionais.



O que o dispositivo deve poder


A principal função é medir o índice de radiação UV. Além disso, eu queria medir a temperatura do ar e a temperatura da água, com uma precisão de pelo menos 0,5 graus (especialmente quando dei um mergulho na piscina com água gelada e observei um termômetro chinês que estava nadando lá - 28 graus e não estava por perto). E, claro, energia da bateria.

Componentes principais: VEML6075 + MCP3421 + STM8


Não existem muitos sensores para medir o índice UV. Uma sonda UV comumente usada é um fototransistor. Mas acabou sendo bastante difícil de calibrar. A escolha recaiu sobre o sensor digital - VEML6075. Ele acabou sendo muito bom. O único aspecto negativo é que é difícil comprar, a entrega teve que esperar cerca de um mês pelos canais oficiais - "O Quinto Elemento" (a China não considerou isso - é desagradável adivinhar a qualidade em um dispositivo único). Vantagens do sensor:

  • calibração fácil em casa
  • resposta cosseno da superfície do sensor - responsável pela incidência de raios
  • leituras precisas de índice em duas faixas - UVA UVB
  • baixo consumo
  • Comunicação I2C - sensor totalmente digital


Inicialmente, o tamanho do sensor era assustador 2x2 mm, não havia pistola de ar quente, pensei que seria difícil soldar uma ninharia com um ferro de soldar comum - mas acabou bem.


A segunda pergunta - a medição da temperatura da água, decidida com um termopar. Para uma leitura precisa dos dados desse sensor, use um ADC muito preciso, com uma fonte de tensão de referência integrada - MCP3421. A resolução de 18 bits + a amplificação de sinal 8x para um termopar do tipo K fornece resolução de temperatura de 0,01 graus - mais do que suficiente. Dada a necessidade de medir a temperatura do composto, a precisão foi de cerca de 0,2 graus. Verificado medindo água fervente e gelo.

Como o microcontrolador - a opção mais simples e barata - STM8S003F3. Tudo está a bordo - temporizadores, I2C - necessários para o sensor, etc.

Como o dispositivo deve funcionar ao sol, uma tela LCD é usada como indicador. Eu queria compacidade - escolhi esta:


Com a gestão teve que atormentar. Multiplexar os pinos do LCD em um microcontrolador convencional ainda é essa tarefa, mas em geral tudo deu certo.

O caso escolheu um pequeno e compacto da empresa Sanhe modelo "20-31". Tamanho externo - 35x45x18 mm. Tudo se encaixa - placa, indicador e bateria.

Não vou dar o circuito e a placa, está tudo no github

Calibração do sensor UV


Depois de receber leituras do sensor - elas não ficaram muito satisfeitas, não eram semelhantes às leituras do "hidro-centro". Eu tive que aprender como calibrar corretamente o sensor.

Para calcular corretamente o índice de radiação UV de acordo com as leituras do sensor, é necessário o uso de várias constantes. Como calculá-los sem equipamento especial? Aqui está a fórmula completa para calcular o índice: As

constantes k1 e k2 não podem ser calculadas sem o equipamento. Mas eles são necessários para o cálculo mais preciso, para que possam ser tomados como uma unidade. As constantes de sensibilidade do sensor podem ser obtidas da tabela:

Precisamos das constantes da primeira linha, pois o sensor não é coberto pelo Teflon (não foi possível comprar o Teflon óptico, portanto o sensor está finalmente aberto). UVAresp e UVBresp. Mas as constantes a, b, c, d devem ser calculadas. Eu fiz isso com um depurador. É necessário obter os dados uva, uvb, uvcomp1, uvcomp2 e calcular as constantes no Excel. É inconveniente exibi-los no visor - há poucos dígitos. É aqui que o depurador é necessário. Defina um ponto de interrupção após receber os dados e veja os valores calculados. Você também pode usar a capacidade de desconectar o ST-link do STM8 durante a depuração e a conexão reversa. Nesse caso, a sessão de depuração não é interrompida! Outra opção é usar o STM8 STUDIO. Este programa especial permite obter variáveis ​​a qualquer momento.

Para calcular as constantes sem equipamento especial, vamos usar isso (isso é descrito na nota de aplicação do sensor). A luz solar em seu espectro possui radiação UV, radiação infravermelha e radiação visível. Para calcular a intensidade da radiação UV, é necessário subtrair o excesso de dados sobre radiação IR e radiação visível. Para fazer isso, use os dados uvcomp1 (responsável pela radiação visível) e uvcomp2 (responsável pela radiação IR).

Para calcular as constantes na fórmula usada, são necessárias duas fontes de luz artificiais:
• uma lâmpada incandescente comum - emite no espectro IR e radiação visível, não há radiação UV
• lâmpada LED - emite apenas na radiação visível, não há radiação UV e IR
Começamos com a lâmpada LED. Como não há radiação UV, o índice correspondente será zero.

A lâmpada LED não possui radiação infravermelha, portanto, UVcomp2 será 0. E, nesse caso, você pode encontrar os coeficientes

Com esses coeficientes, não é difícil encontrar os coeficientes bec ao usar uma lâmpada convencional, quando UVcomp2 não é igual a zero.


Usando este método simples, você pode obter as constantes necessárias. Essa calibração deve ser realizada à noite quando não houver luz solar e outras fontes de luz.
Um sensor calibrado corretamente é muito fácil de verificar. Em um dia ensolarado, ao meio-dia, quando não há nuvens no céu, você precisa medir a intensidade apontando o sensor exatamente para o sol. As leituras devem corresponder aos dados transmitidos nos sites meteorológicos.

Ao curtir, para medir com precisão a radiação, o sensor deve ser mantido paralelo à superfície do corpo. Para obter o índice máximo de corrente, o sensor deve ser direcionado ao sol.

O sensor começou a mostrar os melhores resultados com o tempo médio de dados máximo (o sensor tem a capacidade de definir esse parâmetro - o tempo durante o qual ele calcula a média dos indicadores) - 800ms.

Para tornar as leituras absolutamente perfeitas, também tivemos que seguir as recomendações do desenvolvedor - pintar a placa de preto para que não refletisse e envolvesse o sensor com um funil preto.

Use experiência


Diremos imediatamente sobre o consumo - é extremamente pequeno, são cerca de 2 mA quando todos os sensores e o microcontrolador estão funcionando. Com uso pouco frequente, a bateria dura cerca de 3 meses com uma única carga.

Considero a precisão das leituras muito alta. Eu verifiquei em várias regiões (Moscou, Sochi, Crimeia) - as leituras coincidem ao meio-dia com os locais meteorológicos. Portanto, acredito que em tempo nublado, ele também pode ser confiável.

Na fabricação do sensor, tive que estudar o que é a radiação UV e como ela ainda é prejudicial. Que tipos disso são. Como isso afeta a pele. Como é a posição do sol no horizonte e se a radiação UV é prejudicial aos olhos.

Pessoalmente, verifiquei todos os artigos sobre "queima" em mim mesmo. O sensor provou ser excelente. Agora, tendo visto o índice 13 no sensor nas montanhas, vesti uma camisa justa e cobri todas as partes do corpo. E à noite, quando o índice 5 - eu ando com calma e tomo banho sob os raios quentes do sol.

Aprendi que em um dia ensolarado, você pode obter uma boa queimadura de sol em Moscou - o índice chega às 9 ao meio-dia. E também, que ao nadar, o tempo gasto ao sol dobra.
Para mim, esse dispositivo foi muito útil, eu ainda o uso, toda a família confia no testemunho.

No momento, ele adicionou um sensor de umidade muito preciso - HTS221. Também funciona em I2C, então fiz apenas uma miniplaca e colei dentro dela. Soldado com um fio envernizado de 0,15 mm. Agora, também mostra umidade, com muito mais precisão do que os medidores chineses vendidos no mercado.

Escreverei um pouco sobre o excesso de gordura - de acordo com as recomendações do desenvolvedor, é melhor fechar o sensor com Teflon óptico para isolar o sensor de poeira e sujeira. Não funcionou para encontrar esse teflon no trilho, então o sensor fica empoeirado e às vezes eu o limpo com um cotonete.

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