无线低功耗紫外线强度传感器的设计与应用

张 弛

（郑州枫华实业有限公司，河南 郑州 450000）

1. 紫外线强度相关知识

紫外线是电磁波谱中波长从10nm到400nm辐射的总称，不能引起人们的视觉。它根据波长分为：UVA(315-400)，UVB(280-315)和UVC(100-280)。紫外线在涂料固化，颜料固化，光刻，杀菌，杀虫，促进植物生长方面有广泛而而深入的应用。

紫外线的强度使用功率单位，一般以w/m2表示。

本设计就采用了硅紫外光电二极管，测量UVA波段的紫外线强度。

2. zigBee无线技术

IEEE 协会为了解决无线通信中的功耗过大，通信协议复杂，专门成立了802.15.4 小组。他们开发出的802.15.4 的协议，最后形成了一个标准。在这个基础上各个厂商开发出了各自的ZIGBEE设备。它工作在2.4G频段，提供16个频道。

DIGI公司开发出的XBEE_PRO模块完全兼容IEEE802.15.4协议，并在此基础上进行了优化。它的组网使用非常方便。ZIGBEE 的网络由协调器，路由，终端三个部分组成。DIGI 的XBEEPRO 模块采用通用平台设计，只要使用DIGI 官方的固件烧录工具烧录不同职能的固件就能形成不同的职能。

3. Digi XbeePRO无线射频模块方案

Digi 公司的Xbee_PRO 无线射频模块无需配置外在的射频通信，支持点对点,点对多点,对等的拓扑结构。它的功耗低，3.3v电压下发射电流:295mA，接收电流:45mA关机电流:＜1μA。它片上资源丰富，可以使用AT或API命令模式配置射频模块参数。

4. 紫外线光电二极管

S1337 系列的硅光电二极管受到光照时PN 结产生电流，频谱范围响应广，可以进行高速，高灵敏度，低噪声的线性频谱响应。它由陶瓷外壳封装，体积小，寿命长，线性响应范围广。它的频谱响应范围是从190nm-1100nm，暗电流10pa，光电转换效率达到100%。

4.1 光电传感器内部构造

光从各个角度从余弦补偿镜进入后受到修正和垂直入射的光强度相同。包含了各个频谱的光再经过紫外线滤镜后，只留下紫外线要测量的那部分光部分。紫外线的光照射光电二极管后产生电流，经过放大电路转换为电压值供单片机采样测量。

4.2 电路上，两个运放芯片组成了一个标准的电压跟随电路。芯片IC1主要进行电流电压的放大转换。紫外线传感器内的光电二极管受到紫外线照射后产生反向电流通过相应的反馈电阻Rf转变为放大的电压，加上滤波电容Cf过滤掉高频脉冲干扰。通过芯片IC2形成电压跟随，使得VO输出相应幅度的电压值。紫外线光电二极管可放在设计好的铝合金外壳中通过电缆延长放在传感器外部。

4.3 本设计采用的运放芯片OP07 就具有超低偏移：150μV最大；低输入偏置电流：1.8nA；低失调电压漂移：0.5μV/℃；高电源电压范围：±3V至±22V。

5. 硬件连接结构

MCU 芯片采用了ATMELXMEGA256A3 芯片，它具有RISC的实时指令架构，每秒可以处理百万条指令。FLASH容量大，可达到256KB，内部SRAM 达到16K，完全可以满足工业级的数据应用处理。还有多种低功耗模式，通过一条指令就可以立即切换，最低功耗最小可达到0.6ua。内部还有可擦写4KB 的EEPROM供掉电数据保存。芯片的各个器件都是模块化可以单独开启断开，从而最大限度控制功耗。外部端口都拥有中断，可供激活。它有两个精度达到12BIT 的ADC 模数转换器，并可调节增益，可以使用内部参考电压，也可用外部的电压。

时钟芯片连接到单片机的中断激活端口，通过定时计数发出脉冲激活休眠模式中的单片机，由低功耗模式切入正常工作模式。DIGI的XBEE_PRO射频模块集成了天线，连接到单片机的串口模块，平时它的休眠引脚被单片机控制，整个模块处于休眠状态。单片机工作的时候激活它，使能它加入网络，发送数据。紫外线光电二极管产生的反向电流微小，常是微安级别的，所以需要经过放大电路转换成单片机的ADC模块容易检测的电压值。放大电路上电通过单片机引脚控制。光电二极管的探头通过需要长度的导线和运放电路的接口端相连接。电池转压模块负责将电池电压转换成单片机所需要的工作电压，同时也负责对放大电路进行供电。

6. 软件流程

上电复位后，单片机先正常工作，进行各个模块，外设器件的初始化参数配置。然后单片机控制放大电路部分控制上电。单片机启动自带的ADC模拟数字转换模块对放大电路放大的电压进行多次采样，并对采样的多次数据进行统一处理得出一个准确真实的测量值，主要是排除采样过程中的干扰脉冲，静电干扰。采集的数据在内存中存储后，单片机激活射频无线模块，让它自动搜索信道，建立连接。然后它读取射频无线模块内部的RSSI值，这是个随机值，计算好下一个休眠周期长度。确立无线连接后，单片机发送符合通信协议的数据包。把这个值传送给RTC外部设备，并启动单片机的内部中断。最后，休眠无线射频模块，关闭单片机各个模块，启动外部RTC 实时时钟芯片计时，单片机进入休眠模式。如果休眠周期到了，RTC 实时时钟芯片就发出脉冲，单片机的中断程序收到后就会激活，转入正常工作模式，完成一次采集发数。

7. 结语

本文主要介绍了一种无线低功耗紫外线传感器的设计实现方法。它在无线通信上采用了成熟的DIGI 厂商的XBEE_PRO模块，能够降低无线设计的难度，减小整个设计的尺寸。本设计考虑了大量传感器布置时会产生冲突的问题，利用XBEEPRO射频模块的信号强度随机性强的特点，加入范围选择使得每个传感器都产生不同的差异周期，减少了冲突。同时，传感器采用了低功耗，可休眠的芯片，从程序上进行了优化控制，达到了低功耗的性能。

【1】.ZigBee Specification 2007[OL].http://www.zigbee.org

【2】.IEEE Std 802.15.4.2003[OL]http://www.zigbee.org

【3】.徐永军主编。物联网实验教程..机械工业出版社2011.4