基于SUV－C的紫外线强度监测系统

曹 禹，时维铎

(南京林业大学信息学院，江苏南京210037)

目前，人们越来越关注紫外线强度的检测，对紫外线的危害和利用价值都有了更深刻的认识，所以，对紫外线强度进行精确测量非常必要。然而，市场上的一些紫外线强度检测仪不仅价格昂贵，在工业自动控制领域也无法灵活应用，本文设计的一种基于SUV－C的紫外线强度监测系统具有设计简单、成本低、功耗低等优点，方便嵌入式和工业自动控制场合应用，在现阶段具有现实意义。

紫外线位于X射线和可见光之间，其杀菌的有效波长范围可分为4个波段:UVA(400～315 nm)，UVB(315～280 nm)，UVC(280 ～200 nm)和 VUV(200 ～100 nm)［1］。对于医疗和化工领域，就杀菌速度而言，UVC正好处于微生物吸收范围之内。紫外线消毒实际上就是指UVC消毒。紫外线用于工业污水的消毒，是物理消毒方式的一种，具有杀菌效率高、不产生二次污染、运行安全可靠等优点，因此，近年来受到众多污水处理厂的青睐，而且紫外线技术在21世纪仍将是人们所关注的消毒技术之一。目前，电极式紫外消毒系统得到了非常广泛的应用。但是，在处理污水的过程中，UVC输出会随着时间的推移而衰减，使紫外线消毒在应用于污水处理上受到限制［2］。

本文设计了一种紫外线强度监测系统，采用SUV－C紫外线传感器模块对紫外线光源进行强度检测，将采集到的信号经过转换调理电路后，传送至人机交互界面进行显示，使工作人员实时掌握紫外线强度的大小，使其杀菌能力始终保持最高，从而提高了紫外线杀菌的效果和效率［3］。

1 系统的硬件设计

整个系统设计由紫外线传感器采集模块、ARM核心控制电路、人机交互等部分组成。根据紫外线传感器对紫外光的光电效应原理，该系统以LPC2131作为微处理器，通过紫外线传感器SUV－C将光信号转变为电信号，输出的电流信号经放大电路后得到电压信号，通过 A/D转换器送往LPC2131进行处理，最后在液晶屏上显示出紫外线强度并适时给出报警信号(利用按键可以消除报警)。系统硬件的总体框图如图1所示。

图1 硬件总体框图

1.1 微处理器LPC2131

LPC2131是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16位微控制器，并带有32kB的嵌入高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使代码能够在最大时钟速率下运行。芯片高度的运行速度、广泛的适用性和很低的功耗使得其可以良好地完成该系统中现场数据的采集、分析计算以及控制显示等要求。同时，片内带有防锁死的看门狗，以确保系统的稳定运行［4］。

1.2 紫外线传感器模块SUV－C

SUV－C紫外线传感器选用纳米材料，采用先进的加工工艺，具有响应快、稳定性高和良好的可见光截止特性。它对可见光不敏感，其检测UV波长范围在200～280 nm之间，适用于UVC波段紫外光的监测，多应用于空气处理系统紫外光源监测、臭氧浓度监测以及污水处理紫外杀菌光源监测等方面。在工业污水处理中，杀菌灯的紫外线强度很高，一般要求表面紫外线强度最低为30 mW/cm2。在不同光谱范围内，SUV－C有不同的响应速度，当光谱达到257 nm时，SUV－C达到峰值响应，其响应曲线如图2所示。

在不同的紫外线强度环境下，SUV－C的输出电流与紫外线强度呈线性变化，分辨率可达10 μW/cm2，其输出电流响应曲线如图3所示［5］。

图2 波长－响应率曲线

图3 SUV－C输出电流响应曲线

1.3 人机交互部分

人机交互由两部分组成:液晶显示部分和键盘控制部分。其中，键盘控制部分主要由3个独立按键组成，分别为复位键、翻页键和消除报警键。复位键用于初始化系统;翻页键便于工作人员查询记录，进行数据比较;按下消除报警键可以在紫外光源运行时间超时报警和紫外线强度衰弱过低报警时消除报警。工作人员可以通过输入不同的按键信号完成对液晶显示的控制。液晶显示部分选用专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块LCD1602，它由若干个5X7或5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符;内含复位电路;可以提供各种控制命令，如:清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。采用LCD1602可以直观看到紫外线强度的大小、报警状态以及当地时间，便于工作人员对紫外线强度的大小进行实时控制［6］。

1.4 数据采集模块

紫外光源通过紫外线传感器SUV－C，将光信号转换为电流信号，经放大电路得到电压信号，通过A/D转换器把数据转换后，送给微处理器 LPC2131采集。本文采用MAX4218作为运放，它是单电源3.3 V供电，单电源工作与低压工作相同，将电源由±15 V或±5 V变为单5 V或3 V，缩小了可用信号的范围。为了将转化的电压量转换为数字量，必须采用合适的A/D转换电路。该系统没有利用微控制器自带的模数转换模块，是因为原有模块的精度达不到系统的要求。ADS8325芯片是TI公司生产的16位低功耗模数转换器，电源电压2.7 V～5.5 V，具有线性特性好、低噪声及低失真等优点，取样频率高达100 kSPS，可以通过SPI串行接口和CPU进行方便的数据传输。

2 软件设计

为提高程序的运行速度和效率，本文中的软件设计部分全部采用C语言编程，并采用模块化的程序结构，各个功能子模块独立，调试方便，便于控制功能的进一步扩展。

本文的软件设计主要包括LPC2131的初始化、各模块芯片的初始化、按键检测和报警状态检测以及液晶显示。程序设计流程图如图4所示。

图4 程序设计流程图

3 系统的标定

该监测系统的测量值需要和标准测量仪器测量出的值进行比对，即对紫外线强度的标定。在进行实验时，需要注意以下几点:

(1)入射的紫外光线与SUV－C接收面法线的夹角要尽量保证在±90%之间，以便减小入射光线的方向性误差;

(2)紫外光源的波谱要选择使SUV－C达到峰值响应的波长谱段;

(3)紫外光源选取波长为257 nm附近，入射时要通过漫反射照射到SUV－C上，以克服光线的不均匀性对测量线性度的影响。

在相同的紫外线强度下，经反复实验，测量结果如表1所示:

表1 测量结果

4 结束语

该系统实现了通过对转化的电压进行采样、计算、分析及标定，及时给工作人员提供直观可视的结果，实现了人机界面的对话，体现了污水处理的智能化和科技化。该系统测量精度高、响应速度快，具有报警提示功能和性能稳定等优点，并可以进行二次开发，是保障污水处理设备可靠运行和提高污水处理自动化水平的有效手段，在污水处理方面具有较大的实用价值。

［1］胡浩，陈炳若，张庆兵.便携式日光紫外线指数检测仪设计［J］.测控技术，2007，26(2):9－11.

［2］王文忠.用紫外线对污水消毒［J］.节能与环保(水科学与环境)，2003(5):44－45.

［3］王项南，王晶，李超.紫外线测量技术［J］.海洋技术，2007(2):11－13.

［4］周立功，张华.深入浅出 ARM7－LPC213x/214x［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005.

［5］刘清，袁素珍.紫外线技术处理城市污水［J］.江西化工，2009(4):191－194.

［6］汪剑，王健，许传森，等.基于ARM的紫外线检测仪测控系统的设计［J］.仪表技术，2009(3):42－46.