紫外线定时控制及光强测量系统*

高来超,阮锦洋,卢　超

(陕西理工学院物理与电信工程学院,陕西 汉中 723000)



紫外线定时控制及光强测量系统*

高来超,阮锦洋,卢超*

(陕西理工学院物理与电信工程学院,陕西 汉中 723000)

摘要:基于单片机设计了一套紫外线波长选择、定时控制和光强测量系统,用于研究紫外线照射下维生素D含量提升的试验。系统包括控制装置和测量装置,控制装置采用STC12C5A60S2单片机驱动液晶触摸屏完成人机交互操作,以继电器控制不同波长的紫外线灯管工作,实现控制波长和照射时间。测量装置采用UVM-30A紫外线传感器模块,利用STC12C5A60S2单片机采集传感器输出信号,将测量结果以紫外线光强指数显示在LCD1602液晶屏上,实现紫外线光照强度测量功能。系统有效地解决了紫外线照射蘑菇试验中对紫外线波长、光强测量以及照射时间控制的问题。实验测试表明该系统具有良好的稳定性和实用性,可广泛推广。

关键词:测量;单片机;紫外线;波长;光强;传感器

大量研究表明紫外线对生物体中维生素D的合成具有很大的促进作用,用特定波长特定光强的紫外线对蘑菇进行一定时间的照射后可使得蘑菇中的维生素D含量成倍增长,有望使蘑菇成为人类获取维生素D的新途径。通过试验来研究不同波长不同光强的紫外线对蘑菇进行不同长度时间的照射后,蘑菇中维生素D含量的变化。目前这类试验大多采用对照试验,即设置多项对照组,用不同的波长,不同的光强,不同的照射时间对蘑菇进行培养,观测维生素D含量的变化,采用这种传统试验方式,依靠人工控制,试验工作量相当繁重,而且存在许多弊端。因此迫切需要一种试验装置,能够准确控制紫外线波长、照射时间,自动测量紫外线光照强度[1-4]。

1　系统设计

系统包括一个主控制部分和一个紫外线光强测量部分,系统框图如图1和图2所示。主控制部分主要是通过人机交互操作进行紫外线波长选择,光强设定以及照射时间的设定。根据生物效应的不同,从紫外线按照波长划分的4个波段中选择3个典型波长来做试验,UVA波段取365 nm,UVB波段取311 nm,UVC波段取254 nm。220 V交流市电同时给紫外灯管和5 V电源系统供电,5 V电源供主控制电路工作,通过液晶触摸屏实现人机交互,完成定时时间设置、波长选择以及光照强度控制,最后启动定时,单片机控制继电器打开6路相应波长的紫外线灯管使其工作,这6路中1通道和2通道波长为365 nm,3通道和4通道波长为311 nm,5通道和6通道波长为254 nm。对于同种波长的紫外线,可以只控制一个灯管工作,也可以让2个灯管同时工作,这样就可以控制光照强度,打开灯管同时系统开始计时,当到达设定时间后,立即控制继电器关闭紫外线灯管。为了使测量灵活方便,将紫外线光强测量部分独立出来,实现小型化、便携,主要功能是测量紫外线光照强度,以紫外线指数直接显示于1602液晶屏上,如图2所示,5 V直流电源为整个系统供电,利用STC12C5A60S2单片机自带的ADC功能,将紫外线传感器转换的电信号进行采样量化,转换后得到的数据经过计算处理后直接显示在显示屏上[5-7]。

图3　触摸屏与单片机连接电路

图1　控制部分系统框图

2　主要硬件电路设计

2.1液晶触摸屏电路

系统控制部分采用了2.6寸彩色液晶触摸屏作为人机交互操作接口,分辨率为240像素×320像素,16 bit彩色,支持RGB接口,带有相同尺寸的触摸屏以及触摸控制IC,其功耗低,驱动简单,显示灵活,硬件电路如图3所示。该触摸屏共有29个管脚,CS为使能端,WR为读写控制端,RS为寄存器选择信号线,REST为复位信号线,DB0～DB15为16 bit数据线,以T开头的为触摸IC信号线,T_Dout为数据输出端,T_Din为数据输入端,T_CLK为时钟信号端,T_CS为触摸IC使能端。整个系统的主控制芯片采用STC12C5A60S2单片机,液晶屏的显示数据达到了240×320×2=153 600 byte,若采用8 bit数据驱动,那么刷屏显示会很慢,影响操作,进而影响系统整体性能,故采用16 bit数据驱动,但是这种方案中单是触摸屏就要占用IO口24个,使得单片机IO资源不够分配,为了解决这一问题,电路中引入一片74LS373锁存器扩展触摸屏的数据IO口。如图CE为锁存器的使能端接GND使其一直工作;O0～O7为数据输入端,分别接P0.0～P0.7;D0～D7为数据输出端,分别接DB8～DB15;LE为控制端接P2.2口;液晶屏的DB0～DB7则直接与P0.0～P0.7;CS、WR、RS、REST、LE分别与P2.7、P2.6、P2.5、P2.4、P2.3连接;触摸控制IC的Dout、Din、CLK、CS分别与P2.1、P2.0、P3.6、P3.7相连。

2.2继电器控制电路

紫外线灯管是以交流220 V市电供电,控制系统是直流+5 V供电,系统采用6路继电器来控制紫外线灯管,1路继电器控制电路如图4所示,继电器驱动通过+5 V电源工作,K1为继电器,R1、D1为指示灯,D2起保护作用,Q1、Q2为继电器的驱动三极管,三极管基极接单片机IO口以控制继电器的切断与吸合,从而控制紫外线灯管的工作。当单片机控制IO被置高电平时,三极管Q1、Q2导通,继电器吸合,同时发光二极管D1亮,D2处于反向截止状态,当单片机IO被置低电平时,三极管Q1、Q2截止,继电器没有电流流过就会切断,发光二极管同时熄灭,继电器线圈产生的感应电动势使得D2导通,从而保护电路不被感应电流烧毁。6路继电器控制电路相同,分别连接单片机的6个IO口线。

图4　继电器控制电路

2.3LCD1602显示电路

图5　LCD1602硬件电路图

紫外线光强测量系统采用LCD1602显示数据,采用8 bit数据口并行传输,硬件电路如图5所示。单片机的P2口与1602的数据口连接,P0.6口与1602片选端相连,P0.6口与RW连接,P0.6口与RS连接。10k电位器连接至VO端控制LCD的显示对比度[3,7]。

2.4紫外线光强传感器电路

紫外线光强测量部分采用GUVA-S12SD型传感器,以此传感器为核心的UVM-30紫外线传感器模块具有精度高、检测波长范围宽、响应快、互换性强、小尺寸等诸多优点,并且对照世界卫生组织紫外线指数分级标准分级,数据处理简单快捷[8-10],硬件电路如图6所示,UVM为紫外线光强传感器,输出的信号经运算放大器两级放大后送入单片机,然后利用STC12C5A60S2单片机自带的10 bit精度的A/DC功能进行数据转换,再经单片机计算处理后将紫外线强度指数显示在1602液晶屏上,信号的放大倍数可通过调节R1和R4控制,电路如图6所示。

图6　传感器信号放大电路

3　软件设计

系统软件设计包括控制部分和光照强度测量部分,光照强度测量部分软件主要完成对传感器输出的光照强度模拟电压信号进行AD采集,并转换为紫外线光照指数显示在液晶显示器上;控制部分软件设计主要完成以下功能:

驱动触摸液晶屏显示系统功能菜单、定时时间以及波长选择结果;

驱动触摸液晶屏采集触摸点坐标完成人机交互操作;

定时以及驱动继电器控制紫外线灯管工作。

3.1控制部分软件设计

控制部分软件决定整个系统的核心功能,为了使界面简洁、操作方便人性化,选择以菜单的方式完成人机交互,将整个系统划分为几个功能模块:主菜单部分、设置定时时间部分、紫外线波长选择部分以及启动部分,模块设计软件效率更高,模块间耦合率低,即使某部分软件出错,不会影响到其他模块的功能,同时也便于很快查找错误。控制部分软件总流程图如图7所示。为了实现菜单式交互,定义了一些全局变量,hour用来记录设定的定时时间的小时,mint则记录设定的定时时间的分钟,chflg记录波长选择结果,menuflg用以记录当前系统的功能状态,menuflg为0时表示主菜单模式,为1时表示进入功能1设置定时时间模式,为2表示进入功能2波长选择模式,为3则表示进入启动模式。系统上电后立即对系统进行初始化,包括初始化定时器、初始化液晶触摸屏和初始化所有的系统全局变量,然后输出功能选择菜单显示在屏上,同时循环检测触摸屏的触摸坐标,根据触摸坐标选择相应的功能既将menuflg置为相对应的数字,主菜单功能选择流程图如图8所示,当下一次主循环时,系统会检测menuflg的值以确定当前系统的状态,以便执行相应的操作。当设置好定时时间以及选择波长后,进入启动模式时,系统会自动检测是否未选择任何波长以及判断定时时间是否为空,既判断是否hour、mint和chflg 3个变量是否为0,若两者有任何一个不满足那么则认为未完成设置,系统将无法启动定时功能,会退回到主菜单模式继续完成设置,若正确的完成了设置,则进入启动模式,触摸屏显示定时倒计时和已选择的紫外线波长列表。

图7　控制部分主流程图

图8　主菜单功能选择流程图

3.1.1定时时间设定模块软件设计

当在主菜单中选择“设置定时时间”后,程序将menuflg置为1,在下一个主循环执行时自动跳入设置定时时间模块,定时设置模块流程图如图9所示。主循环程序检测到进入时间设置模式后立即调用Show_menu1()函数输出设置定时时间界面,然后循环检测触摸操作,直到点击“完成返回”,程序将menuflg重新置为0,系统退回到主菜单模式下。

3.1.2波长选择模块程序设计

当在主菜单中选择“波长选择”后,程序将menuflg置为2,在下一个主循环执行时就进入波长选择模式,波长选择模块流程图如图10所示。调用Show_menu2()函数输出波长选择操作界面后程序一直监测触摸动作,chflg用于标志每个通道的设置结果,chflg初始化为全0,既不选中任何波长,屏幕上显示每个通道前面的方框空白未涂黑,当点击任意通道波长后,程序将chflg中标志该通道选择结果的位取反,选中后该通道标志位变为1,对应屏幕显示的该通道前面方框被涂黑,再次点击,则取消选择。当完成选择后点击“完成返回”程序将标志变量ok置位,之后清除屏幕并将menuflg变量恢复为0,系统将在下一个循环进入主菜单模式。

图9　定时设置模块流程图

图10　波长选择模块流程图

3.1.3启动模块程序设计

当定时时间波波长选择设置完成后,在主菜单中就可以选择“启动”,启动模块流程图如图11所示。进入该模式后,程序会首先检测是否对定时时间以及波长选择进行了正确的设置,如果定时时间为0 h 0 min或者没有选择任何波长,将被视为未完成设置,程序调用Show_warning()函数,使显示屏上输出提示信息要求继续重新设置,并将menuflg置为0,退回到主菜单模式。若判断为正确完成设置,就将Start变量置位,之后程序检测到Star为1后就会启动定时器并依据chflg变量所标记的波长选择结果打开所选择的波长,输出倒计时以及波长选择结果界面,之后程序一直判断是否定时时间到,一旦定时时间结束即hour和mint变量减为0时,则立刻关闭所有紫外灯管。

3.2紫外线光强测量部分软件设计

测量部分主要完成将传感器送入的模拟信号进行A/D转换,然后对数据进行计算处理后,将紫外线光照指数显示在LCD显示屏上,主流程图如图12所示,系统上电后立即对1602显示屏进行初始化,以及初始化A/DC功能模块,最后初始化系统的一些变量,然后进入数据采集处理的循环中。为了使采集回的数据稳定可靠,在采集AD转换数据时,一次循环采集20组数据,计算平均值后作为本次采集的结果,然后计算光照指数并显示在1602显示器上,如此循环实现实时紫外线光照测量功能。

图12　光照强度测量部分主流程图

4　系统测试

系统测试分为2个部分,分别是控制功能测试和光强测量功能测试。控制功能测试主要测试是否能够实现通过触摸屏完成人机交互、是否能够对波长进行选择、是否能够在定时时间内打开选择的波长且定时时间到点后自动关闭,最后还要测试定时的准确性;光强测量功能主要测试系统能否稳定工作并正确测量、显示紫外线光照指数。

4.1控制功能测试

首先测试能否通过触摸屏完成定时时间设置:上电后主菜单显示“1设置定时时间”、“2选择波长”、“3启动”,点击“1设置定时时间”,再点击“+”或者“-”,会看到小时或者分钟变化,设置定时时间1 min,点击“完成返回”退回到主菜单,点击“2波长选择”,屏幕显示6个通道每个通道所控制的波长,点击某个通道,则通道前的方框被涂黑,表示该通道被选中,再次点击取消选中,选中所有通道完成后点击“完成返回”退回到主菜单,点击“3启动”,此时可看到显示屏上显示所有被选中的通道以及定时倒计时,同时六路紫外线灯管被点亮,1 min后所有紫外线灯管熄灭,达到了控制的目的。

4.2紫外线光照强度测量测试

测量系统打开电源开关,可看到1602第1行显示:“V:0.0000v0”,第2行显示:“UVM index:0”,第1行V:0.0000v显示的是传感器输出的信号电压值,0是传感器信号电压经A/D量化后的值,第2行显示的是对应的紫外线光照指数。打开一盏紫外灯,将传感器探头放在紫外线照射区域内,可看到传感器输出信号电压值在变化,当传感器离灯管越近电压值越大,对应的紫外线光照指数越强[11],输出电压和紫外线光照指数响应曲线如图13所示,测试表明该测量系统能够很好的测量紫外线光照强度。

图13　响应曲线

5　结束语

设计的控制和测量系统能够实现对紫外线光照波长选择、光强控制、光照时间控制和光照强度测量的功能,在紫外线应用研究领域很好的解放了试验繁琐的人工手动操作工作,提高了紫外线应用研究试验的准确性与可靠性,在实际应用中有一定的应用价值。

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高来超(19-),男,陕西省汉中人,陕西理工学院电子信息科学与技术专业,936097027@qq.com;

阮锦洋(1991-),男,陕西省汉中人,陕西理工学院电子信息科学与技术专业,936097027@qq.com;

卢超(1979-),男,陕西省汉中人,硕士,陕西理工学院讲师,从事电子技术,测控技术方面的研究,27304487@qq.com。

TimingControlandLightIntensityMeasurementSystemofUltraviolet*

GAOLaichao,RUANJinyang,LUChao*

(Department of Physics and Electrical Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong Shaanxi 723000,China)

Abstract:An UV wavelength selection,timing control and light intensity measurement system is designed based on MCU.The system is mainly used for improving the vitamin D content of test under UV irradiation.The system comprises a control device and a measuring device.In the control device,using STC12C5A60S2 MCU the system realizes the human-computer interaction adopts LCD touch screen.Different wavelengths of ultraviolet lamp are controlled by relay.In the measuring device,the system mainly uses the UVM-30A ultraviolet sensor module.The system uses STC12C5A60S2 collection sensor output signal,and the measured results in UV intensity index displayed on the LCD1602 screen.The design solves the selection of wavelength,intensity measurements and exposure time control problems in UV irradiated mushrooms test.Experimental results show that the system has good stability and practicality,and can be widely popularized.

Key words:measurement;MCU;ultraviolet;wavelength;light intensity;sensor

doi:EEACC:853010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.023

中图分类号:TN911.23;Q565

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0684-06

收稿日期:2013-07-30修改日期:2013-08-24

项目来源:陕西省大学生创新创业训练计划项目(1718)