紫外线监测及影响因素分析

朱华精 刘昆 赵静 张羽 王峰

摘 要：环境保护和健康一直是热点话题。建立有效的监测系统对应对环境和健康问题，是必要的。紫外线辐射对我们的生活有利也有弊。紫外线作为一种光辐射，一方面对人体维生素D产生有至关重要的作用；另一方面过量的紫外线会对人的皮肤造成伤害，破坏人体的免疫系统。因此设计一个紫外线监测系统，将采用LCD12864显示屏来描绘出紫外线指数的变化进行紫外线强度监测，进而对影响紫外线强度的因素展开分析。

关键词：紫外线监测；LCD12864；紫外线强度；

中图分类号：P422.62 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）02-0030-04

Abstract：Environmental protection and health has always been a hot topic. It is necessary to establish effective monitoring system to cope with environmental and health problems. Ultraviolet radiation has its advantages and disadvantages for our live. Ultraviolet light as a kind of light radiation，on the one hand，has a vital role in the production of vitamin D in human body；on the other hand，excessive ultraviolet rays can cause harm to human skin and damage the body's immune system. Therefore，an ultraviolet monitoring system will be designed，which will use the LCD12864 display to describe the change in UV index for UV intensity monitoring，and then analyze the UV influencing factors.

Keywords：UV（ultraviole） monitoring；LCD12864；UV（ultraviole） intensity；

0 引 言

紫外线自从1802年被德国物理学家Rittle发现以来，人们从未停止过对其的探索。随着信息时代的到来，紫外线的监测和应用有了新的发展。紫外线主要应用在医学器械消毒灭菌、餐饮业的餐具消毒、饮用水消毒上，且不会产生副产物，具有广阔的前景。还有在化学领域可以应用于涂料固化、颜料固化、光刻等[1]。对人体的健康而言，中波紫外线可以促进维生素D的产生，有助于预防佝偻病。然而，过度紫外线照射有害健康，容易引起皮肤老化、色素沉积等。目前的紫外线监测装置存在监测方法复杂、不易携带、结构复杂等缺点，较难广泛推广使用。本文设计并制作了一种紫外线监测装置，其具有制作简单、使用方便快捷等优点[2]。

本文的紫外传感器采用带信号放大的GYML-8511紫外传感器，这种传感器的有效范围均在280nm到370nm之间，因此监测范围主要是近紫外UVA和远紫外UVB。

1 监测模型设计

本文设计了一款紫外线实时监测系统的实物，具有能实时监测紫外线指数并画出曲线的功能。紫外线监测系统分为52单片机、紫外线传感器、ADC0832模数转换芯片、LCD液晶显示部分。选用的紫外线传感器是带运算放大的GYML-8511紫外监测模块，在LCD显示方面就选用描绘曲线的LCD12864。下面介绍系统的整体设计思路。

基于LCD12864的紫外监测系统，通过GYML-8511模块采集紫外线指数并转化为模拟电压信号，经过AD0832进行模数转换，传输到LCD12864中。在LCD12864显示中，先读出写入LCD12864中的数据，经过单片机的处理将数值转化为曲线中的点，点的高度表示紫外线的指数。整个系统的流程如图1所示。

2 紫外线检测原理

紫外检测模块选用带运放的GYML-8511紫外传感器。該传感器内部自带嵌入式运算放大器，输出电流为模拟电流，工作电流仅为0.3mA，此传感器工作温度在-25℃到75℃之间，在不同温度下工作输出的电压不同，GYML-8511紫外传感器光谱响应特性如图2所示。

3 紫外线指数影响因素分析

影响紫外线指数的因素有很多，受测试仪器的限制，本文仅分析大气中臭氧浓度和二氧化硫浓度以及光强对紫外线的影响。测量时间共六天，前四天为多云以及阴雨天气，第五天和第六天为晴天，利用搜集到的空气中的臭氧、二氧化硫、光强等数据和测得的紫外指数，分析后得到各因素对紫外线指数的影响。

3.1 臭氧对紫外线指数影响

首先分析臭氧对紫外线的影响，根据测得的数据绘制出臭氧浓度与紫外指数的对比图，如图3所示。

从图3中很难判断臭氧浓度和紫外指数之间的关系，因而需要对数据进行筛选。需要控制天气、二氧化硫等因素，使其尽量保持一致，通过控制变量法来研究两者之间的关系。从数据中筛选出四组数据如表1所示。

将表中第一行和第二行数据，第三行和第四行数据进行比较，可以看出在光强、二氧化硫浓度的影响可以忽略不计的情况下，臭氧浓度越大，紫外线指数越低。

3.2 二氧化硫对紫外线指数影响

接下来分析二氧化硫对紫外线指数的影响，如图4展示的二氧化硫浓度折线图，二氧化硫对紫外线也有一定的吸收作用。SO2在阴天或者雨天的浓度都比较低，晴天的浓度略高于阴天和雨天。研究SO2的影响同样需要挑出符合条件的点进行控制变量并分析。

挑选三组数据见表2，第一行与第二行为一组数据，第三行和第四行为一组数据，第五行和第六行为一组数据，从前两组数据中看到当二氧化硫的浓度升高时，紫外线的浓度会降低。符合SO2浓度越高，紫外线越小的规律。第三组数据二氧化硫的浓度急剧升高的同时紫外线指数也上升了。可以注意到此组中第一个数据的臭氧浓度高于第二个数据中的臭氧浓度，臭氧对于紫外线的影响呈现负相关，因此紫外线的数值才会下降。这说明臭氧浓度对于紫外线的影响要大于SO2浓度对紫外线的影响。

综合以上的分析，SO2浓度对紫外线指数的影响是负相关的，二氧化硫的浓度越高紫外线指数越小，但是需要注意SO2浓度对紫外线的影响远不如臭氧对紫外线的影响。

3.3 光强对紫外线指数的影响

光强在表中的数据是通过光照度计采集的，采集地点和测紫外线系统的时间、地点同步，数据的可信度较高。光强度的单位是lux，光强与紫外指数曲线如图5所示。

分析图5，可以知道晴天的光强峰值远大于阴天，光强和紫外线指数呈现正相关，趋势十分明显。

此外，还有一些其他因素对紫外线指数也产生了影响，如海拔越高，紫外线指数越高；温度越高，紫外线指数越高。

4 结 论

本文对紫外线监测系统做了详细阐述，首先，阐述了紫外线监测系统的总体设计方案与原理，此款基于LCD12864的紫外线实时监测系统主要针对UVA、UVB波段进行采样、数据处理、液晶显示，实现了实时测得紫外线指数的基本功能。其次，分析紫外线指数的影响因素。通过分析得到大气中的成分对紫外线指数的影响，臭氧与二氧化硫与紫外线指数呈负相关，且臭氧对紫外线指数的影响大于二氧化硫；光强与紫外线指数呈正相关。然而，还存在一些不足，地理位置和温度对紫外指数的影响有待分析。

参考文献：

[1] 张金良，仁青诺布.基于S-G滤波的紫外线无线传输监测系統 [J].信息安全与技术，2015，6（9）：79-81.

[2] 杜英龙，冯林平，符运良.太阳光紫外线照度计的设计 [J].科技信息，2012（9）：123-124.

[3] 曲晓黎，张彦恒，赵娜，等.石家庄市紫外线监测分析及预报方法 [J].气象科技，2011，39（6）：731-735.

[4] 高建民，翁惠辉，陈永军，等.基于AVR单片机的高精度紫外线检测仪的设计 [J].自动化与仪表，2012，27（1）：28-30+34.

作者简介：朱华精（1996-），男，汉族，江苏淮安人，本科，研究方向：光电信息科学与工程。