便攜式紫外線探測儀

創新者：卓嘉璇 吳蘭芳 李劭彥

便攜式紫外線探測儀

創新者：卓嘉璇 吳蘭芳 李劭彥

太陽光紫外線輻射對人體健康有很大影響，因此，及時方便的監測紫外線強度指數對保護人們身體健康有重要意義。本文設計了一種基于單片機應用的紫外線強度檢測與紫外光驗偽裝置。裝置由單片機STC12C5A60S2作為主要控制部分，通過紫外線強度傳感器對紫外線采集和轉換，單片機控制和藍牙2.0透傳，手機APP軟件接收數據，實時檢測身邊環境的紫外線輻射強度指數，同時通過傳感器采集的信息進行后臺數據分析，在軟件顯示提示信息。附加功能是，通過365nm波長的紫外光檢驗常用物品的真偽與熒光劑含量，從而達到合理防曬、避免采購有害物品的目的。本裝置能廣泛應用于所有家庭，具有較好的研發意義和社會價值及經濟效益。

研究背景

紫外線輻射危害程度大

近年來，環境的破壞使平流層臭氧破壞程度加劇了，導致到達地面的紫外線輻射量增多，人們對紫外線的防護意識也開始增強。調查研究表明，過多或過強的紫外線輻射會引起多種皮膚損害，包括日曬傷、皮膚黑化、皮膚光老化甚至是皮膚癌等。同時，紫外線輻射也會對人們的免疫系統、視覺系統造成影響。更嚴重的是，長期接受強紫外線輻射，會引起DNA損傷，成為細胞癌變的導火線。

據世界衛生組織報告，全球每年多達6萬人死于過度暴露于紫外線輻射之中。紫外線引起的皮膚癌發生率逐年增加，澳大利亞達到0.8%，美國達到0.25%，亞洲的情況稍好些。但專家警告人們，未來亞洲很有可能出現歐美和澳大利亞皮膚癌發生率高的危險情況。因此，紫外線輻射的防護是必須給予重視的一件大事。而合理健康防曬的重點工作就是提供準確可靠的紫外線輻射指數，從而能根據實時情況做好相應的防護措施。

熒光劑及熒光標識難以判斷

當代社會，熒光劑添加成為人們擔心重要的衛生健康問題。許多不法商家為使商品美觀，在生產過程添加了熒光劑，起到商品增白效果。科學實驗說明，熒光劑被人體吸收后難以被分解，會在人體內部形成積累，與人體蛋白結合，對肝臟造成嚴重影響，甚至使細胞變異，成為潛在的致癌因素。

熒光劑肉眼難以判斷，但由于熒光反應，它可以接收紫外線，將其轉化為波長較長的可見光。在365nm紫外光照射，添加熒光劑的白紙會變藍，藍色越深，代表熒光劑含量越多，反之越少。因此，365nm波長的紫外光可以判定物品是否添加熒光劑及劑量，達到減少采購有害物品、健康生活的目的。

此外，利用365nm長的紫外光還可可達到防偽的目的，檢驗出人們在重要的票據上用無色熒光油墨添加的防偽標識，如人民幣上的標識。

研究意義

紫外線強度監測：實時監測紫外線強度指數，反映到手機客戶端，讓外出的人士隨時接收所在地點紫外線情況，做好防護措施，減少紫外線輻射對人體的傷害，達到安全生活的目的。

紫外線燈防偽：利用紫外光的熒光反應，檢測人民幣或重要票據的真偽，以及檢測生活用品熒光增白劑的含量，以便外出采購的人士減少受騙事件的發生，達到安全生活的目的。

市場上同類產品存在問題

現在市場上有關紫外線檢測產品不多，而且大多是用于工業上的精密紫外線輻射檢測（對比專利號為CN100460839 C的產品），檢測類型與日常太陽紫外線不適，并非用于日常生活的太陽光紫外線檢測。再者，工業上使用的紫外線測試儀大多體型巨大，內部裝置復雜，更不便于攜帶。難以改變工藝轉化為日常生活太陽紫外線檢測，因此，在太陽光紫外線檢測方面的研究還存在一定的市場空白。

經過查找，市場也存在極少部分用于日常太陽光紫外線強度測試的儀器（對比專利號CN200420000636.8的產品），但此類產品實現功能簡單，檢測效果不精確，僅僅停留于一定紫外線強度進行報警，沒有精確顯示每個等級及其影響程度，也沒有實現與手機客戶端數據處理，發展限制性強，缺乏精密性和智能化，不能滿足用戶的使用需求，不利于太陽光紫外線儀器的發展和開發。

圖1　檢測紫外線指數流程

圖2　紫外發光二極管功能

系統設計

功能與指標

功能

系統功能主要由紫外光強度檢測與驗偽兩部分組成。紫外線強度檢測主要是通過手機帶有的藍牙，搜尋本裝置藍牙，彼此建立通信，紫外線傳感器模塊會將光信號轉化為電信號，單片機STC12C5A60S2中自帶的AD轉化電信號為數字信號，再通過單片機串口通信發給藍牙，藍牙透傳將數據發送給手機APP中的藍牙，進行數據處理后再在手機軟件上顯示紫外線指數等級。如圖1為太陽光中紫外輻射強度檢測流程。

如圖2為紫外發光二極管照射出的365nm波長紫外光功能。

指標

紫外線傳感器實現紫外線指數等級低于1 UV Index。

總體方案

處理器選擇及資源分配

在充分考慮系統的資源需求及程序大小的前提下，本項目選擇用單片機STC12C5A60S2作為處理器，它運行速度比傳統的8051快7～12倍，擁有60K的flash，2K的SRAM， 自帶8個通道的10位高數ADC，采樣速度可達到25萬次/s，能夠滿足紫外線傳感器將模擬信號轉化為數字信號的要求，而且它價格低廉，功耗低，高速可靠，抗干擾性強。

MCU的各項資源分配如表1。

表1　MCU的各項資源分配表

如圖3所示，STC12C5A60S2自帶的A/D轉換口在P1口（P1.0 - P1.7），本系統用P1.0口來轉換紫外線傳感器接受紫外光照射后的輸出電壓。

當ADRJ=0時，10位A/ D轉換結果的高8位存放在ADC_RES中，低2位存放在ADC_RESL的低2位中，為求高精度數據，取10位A/D轉換結果，公式如下：

圖3　為A/D轉換結構

圖4　為UVM-30A傳感器

紫外線傳感器模塊

紫外線傳感器是利用光敏元件將紫外線信號轉換為電信號的傳感器。基于紫外線波長寬度為185～400nm，可分為185nm～270nm的UVC波段，270nm～315nm的UVB波段，315nm～400nm的UVA波段。通常太陽光中的UVC會被臭氧層吸收掉，UVB會對表皮產生強烈的光損傷，UVA會穿過表皮進入真皮，導致表皮老化和變黑。因此，如圖4所示，選擇型號為UVM～30A的紫外線傳感器，其反應靈敏，檢測UV波長為200～370nm，輸出為線性電壓輸出，符合測量要求。

由于UVM-30A紫外線傳感器對非紫外波段與紫外波段的響應僅相差3個數量級，因此非紫外波段影響小到可以忽略。世界衛生組織及世界氣象組織給出標準計算紫外線指數方法，直至400nm不同波長的太陽紫外線強度，以不同波長的太陽紫外線強度乘以“紅斑作用光譜曲線”內對應的加權數值，可以用來反映人類皮膚對紫外線的反應。以上相乘的結果加起來，得出受紅斑光譜加權后的總紫外線強度，單位是mw/ m2。再將紅斑光譜加權后的總紫外線強度乘以0.04可以得出紫外線指數（每單位紫外線指數為25mw/ m2）。例如上午某段時間平均紫外射線到達地面的輻射量為100mw/ m2，則換為紫外線指數為4。

紫外線指數為0—15，指數0表示沒有紫外線輻射，指數15表示紫外線強度最高。一般，夜晚或者黑暗中紫外線指數為0，極少部分的熱帶高原的暴曬區域紫外線指數可達15。紫外線指數與其輻射強度呈正相關關系，也與模塊輸出的測試電壓呈正相關關系。根據UVM-30A紫外線傳感器的模塊資料，我們可以通過計算將其輸出的測量結果，即電壓，轉化為實際的紫外線指數。傳感器產生光電壓與紫外線指數的線性關系，如圖5所示。

紫外線指數常用0—15來表示，數值越高，紫外線強度就越大，反正越小。根據不同指數的紫外線帶來的影響不同，我們把它按影響程度分為5個等級。第一等級（指數0—2）的紫外線輻射量很小，對人體幾乎沒有影響；第二等級（指數3—4）的紫外線輻射相對較低，影響小；第三等級（指數5—6）的紫外線輻射則會對人體有一定強度的傷害；第四等級（指數7—9）的紫外線輻射需要有相應的防護措施，否則對人體傷害較大；第五等級（指數≥10）是強度很大的紫外線輻射，必須采取防護措施或盡量避開。具體的強度及措施如下表。

圖5　紫外線指數線性關系圖

表2　紫外線強度及對應措施表

藍牙2.0傳輸模塊

藍牙是一種支持設備短距離通信的無線電技術，它使設備不需要電纜連接就能實現近距離范圍內相互通信與操作。正常發射功率下（1mW），藍牙間的通信距離可達10米，傳輸速度1M/s達到最大帶寬。在藍牙設備的工作頻段（2400～2500MHz）內不必經過申請就選擇適當的藍牙無線電收發器頻段。其頻道采用23個或79個，頻道間隔均為1MHz，蔡永紅電路交換和分組交換技術，支持時分雙工。藍牙物理層采用歸一化帶寬BT= 0.5的GFSK調制技術，調制指數為0.28～ 0.35。藍牙攜帶硬件和軟件兩部分協議，通過主機控制器接口協議進行通信的。

圖6　LM7805穩壓電路

藍牙2.0的作用是與手機帶有的藍牙進行配對。設計思路為：通過手機帶有的藍牙，搜尋本裝置藍牙2.0，彼此建立通信后，單片機通過串口通信發數據給藍牙2.0，藍牙2.0通過透傳將數據發送給手機APP中的藍牙，APP軟件再進行數據處理。

電源穩壓模塊

因單片機需5V供電，單個鋰電池電壓不足，兩個鋰電池電壓過大，因此采用LM7805芯片集成穩壓器將8V電壓穩壓到5V。LM7805的電路如6示，7805 系列為3 端正穩壓電路， C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容。

波長365nm紫外燈模塊

本模塊主要365nm波長的紫外發光二極管和電阻構成。選取波長365nm的紫外發光二極管是因為365nm紫外光的驗偽效果最好，用此波長光照射人民幣，紫外熒光油墨發射出的熒光效果最清晰。此外，與一些常用物品和琥珀玉石鑒定的熒光反應也最為明顯。如玉石，用365nm波長的紫外光照射，若局部發光則玉石可能為內含物，后期充填物所致。因此采用365nm波長的紫外發光二極管，同時電路中選用280Ω電阻用來保護電路。

實現原理

主系統采用單片機為控制終端，通過與紫外線傳感模塊、藍牙2.0、手機APP軟件等之間的連接實現各模塊的控制和功能的實現。用戶在手機APP中按下開始按鍵后，手機客戶端收到數據并進行相應的判斷，用戶即可看到紫外線指數等級與溫馨提醒。用戶還可通過按下裝置中的按鈕2開啟紫外光實現驗偽等功能。

硬件框圖

硬件框圖如圖7所示。

軟件流程

裝置軟件流程圖如下：

打開安卓客戶端，連接相應的藍牙設備sun shine，然后點擊開始接受紫外線。安卓客戶端接收到硬件藍牙傳過來的信號后，將紫外線指數進行數據處理后，顯示在安卓界面上，實現顯示和提示功能，點擊停止接收，安卓客戶端停止對數據的接收，回復原始狀態。

軟件流程如圖8所示。

圖7　硬件框圖

圖8　軟件流程圖

圖9　裝置實物圖

圖10　軟件界面圖

外觀設計

本裝置外觀為圓柱形，正面朝上的微型探測器是紫外線傳感器，用于探測紫外線強度。正側面是紫外線燈，旁邊是兩個控制開關，分別控制紫外線燈和紫外線指數探測功能。開關上面有供電口，可插入USB充電器對電池進行充電。整體可作為掛飾的形式。

如圖9、圖10為紫外線儀實物圖和對應軟件界面。

由于電路沒有實現集成，手工焊制器件未能達到精細的效果。若是進行設計集成，批量生產可以精細到約2～3cm寬度的掛裝或手環裝置，攜帶更方便美觀。

系統測試

系統測試方案

制板時用萬用表測試每部分元器件電路是否導通或被短接，焊接點是否正確，從而發現硬件電路存在的問題，保證電路板的可用性。

電源模塊測試：電源模塊由鋰電池和變壓器共同組成，用萬用表測試電源模塊的輸出，顯示5V則模塊正常。

紫外線傳感模塊測試：紫外線傳感模塊的探頭對準室外陽光照射的地方，接收到紫外線，傳感模塊將光信號轉化為電信號，用萬用表測試紫外線傳感模塊的輸出電壓，即為轉化的電信號。

藍牙模塊測試：將藍牙串口RXD、TXD分別接上單片機串口中的RXD和TXD，用藍牙串口助手軟件調試，接收數據正常。單片機通過串口將數據發送給藍牙，藍牙將數據透傳給配對的手機藍牙，手機接收數據成功，藍牙發送數據正常。

紫外燈發光模塊測試：打開紫外線燈的開關，紫外線燈發出燈光，光線穩定，再按一下，紫外線燈熄滅。

手機安卓平臺測試：鏈接好硬件設備，打開藍牙，用手機安卓軟件接收藍牙，進行數據接收和檢驗，看是否符合要求。

測試設備

便攜紫外線儀一臺、安卓手機一部、筆記本電腦一臺等。

測試結果

選取2014年9月9日為測試日期，選取廣州**大學實驗樓南海樓樓頂為測試地點，進行便攜式紫外線儀的測試，選取廣州市氣象局發布的廣州天氣（http：//www. tqyb.com.cn/）氣象指標為標準，測試結果如表3所示。

表3　便攜式紫外線儀測試結果

圖11　紫外線實況圖

廣州市氣象局發布的廣州天氣（http：//www.tqyb. com.cn/）氣象指標如圖11。

結果分析

從測量結果和廣州市氣象局發布的信息進行對比，測量結果和官方報道基本吻合，滿足測量要求，實現實時探測紫外線強度的目的。該裝置為戶外活動的人們提供實時的紫外線強度信息并給予防護提醒，便攜易帶，對人們健康和智能生活具有重要的意義。

實現功能

本制作的主功能是通過紫外線傳感器接收紫外線，轉化為電信號，然后單片機處理為數字信號，通過藍牙透傳，將信號傳遞給手機客戶端，手機客戶端處理數據并顯示提示信息。

在此基礎上，本裝置附加一個紫外發光二極管，可以實現驗鈔防偽、檢測常用物品中熒光劑含量，降低了人們錯收重要票據和購買熒光劑含量高的危害性物品的可能。

項目特色

對象廣泛

本設備面向的使用對象廣泛，適用于外出出行人員，提供外出實際地點紫外線強度，比其它天氣軟件得到的當天平均數據更具有參考價值；適用于戶外工作人員，及時獲取工作地當時的紫外線強度，避免出現高輻射作業的狀況；適用于孕婦、幼兒等敏感人群，方便家人看護。

實時檢測

本設備能及時接受當地當時的紫外線，短時間內完成數據處理和數據的手機客戶端顯示，體現了設備的實時性，有利于設備用戶對于紫外線信息的及時接收，并采取相應的防護措施，將紫外線損害降到最小。

數據準確

本設備是手機客戶端接收來自藍牙的數據，進行相應的數據轉換和等級劃分，按照獲取的標準電壓值將紫外線指數劃分為12個指示標準，再根據國際氣象局劃分標準，將紫外線劃分為5個等級，數據處理精確（數據精確到小數點后15位），劃分標準合理，得到的指數等級都相對精準。

成本低廉

本設備所使用的元件簡單，容易購買，僅需一塊包含AD轉換的單片機芯片、紫外線傳感器、藍牙2.0、紫外發光二極管和電池即可滿足，單獨成本約為60元，若經過大批生產和集成后，更可降低成本，有利于廠家生產和消費者購買。

附件功能

附加的一個簡單的紫外發光二極管便可實現貨幣真偽的檢測以及面膜、寶寶紙尿布等貼身物品的熒光劑含量檢測，方便實用，更加貼近安全生活的主題。

完善方向

實現硬件模塊的集成：減小硬件模塊的體積以滿足“穿戴式”的要求，更加美觀，便于攜帶，增強其便利性、適用性。

后臺服務器的搭建：手機端通過外網與后臺數據庫相連，利用后臺服務端對多個客戶端數據進行統一管理。主要功能包括客戶端之間數據的共享、生成折線圖等。

服務功能的擴展：改善裝置，添加累加機制，人體接收到的紫外線累加到一定程度后自動報警；完善手機客戶端，可實時查詢某地某時紫外線分布以及數據后臺存儲，隨時調用和查詢記錄功能。

設備改進和推廣：改進設備，除了用于日常生活的紫外線檢測，還可以推廣運用到農業生產，監控紫外線變化，探究紫外線強度與農產品生長的關系，以便因地制宜，提高生產。

卓嘉璇 吳蘭芳 李劭彥

暨南大學信息科學技術學院

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.022