Mouser 的 STEAMy Summer：第 2 部分-电子发烧友网

欢迎来到我们的 STEAMy 夏季博客系列的第 2 部分。在第 1 部分中，我们讨论了父母和孩子可用于探索 STEAM（科学、技术、工程、艺术和数学）主题的资源，以便他们可以通过基于项目的学习培养嵌入式电子技能。这次让我们深入研究并设计和编码一个特定的项目。不要觉得必须完全按照描述使用这个项目，而是将其作为您想象力的起点，并帮助您向崭露头角的培训工程师解释工程过程。

享受阳光

虽然秋季临近，但我们中的许多人都会怀念夏天，因为这个季节意味着漫长的日子和阳光下的户外乐趣。这种强烈的阳光既是福也是祸。虽然它可以让我们在户外玩更长的时间，但如果我们暴露在过多的太阳紫外线 (UV) 辐射下，它也会导致严重的副作用，例如晒伤或（在最坏的情况下）皮肤癌。

在春季和夏季从温暖到炎热的月份，定期涂抹防晒霜并在阴凉处休息可以帮助降低风险，但记住在假期或悠闲嬉戏期间这样做可能是一个挑战，尤其是对孩子们而言。在秋季和冬季，类似的做法在白天经历持续阳光的环境中很重要。

但是，如果我们可以监控我们的紫外线照射并在必须采取安全预防措施时触发提醒，会怎样呢？这就是我们将在这个项目中探索的内容。但首先，让我们讨论科学！

可见光，也就是我们的眼睛可以看到的光，相对于较大的电磁波谱占据了非常小的频带。它的两侧是极低频率的无线电波和极高频的伽马射线。位于我们眼睛可以看到的频率之上的是紫外线。紫外线的波长范围为 180 至 400 纳米。这大致转化为从 3x10 16到 8x10 14 Hz 的频率范围。紫外线进一步分为三个波段：

UVA 或近紫外线 (315–400nm)

UVB 或中紫外线 (280–315nm)

UVC 或远紫外线 (180–280nm)

从健康的角度来看，UVA 和更重要的是 UVB 是令人担忧的频率。UVC 会被大气吸收，因此不必担心。导致与紫外线照射相关的健康风险的因素包括美国癌症协会列表中的以下几点：

一天中的时间：上午 10 点到下午 4 点之间紫外线最强。

季节：春季和夏季的紫外线更强。这在赤道附近的影响较小。

距赤道的距离（纬度）：离赤道越远，紫外线照射就越低。

海拔：更多的紫外线到达更高海拔的地面。

云层：云层的影响各不相同。有时，云层会阻挡部分来自太阳的紫外线并降低紫外线照射，而某些类型的云可以反射紫外线并增加紫外线照射。

紫外线指数是一种向人们传达给定地点和时间的紫外线暴露风险的数字方式（表 1）。该索引由以下增量组成：

表 1：紫外线指数使用数字系统表示风险。

紫外线指数	风险
0.0 至 2.9	低的
3.0 至 5.9	缓和
6.0 至 7.0	高的
8.0 至 10.0	很高
11.0 或更高	极端

检查紫外线指数作为每日天气更新的一部分可以帮助您准备采取必要的预防措施，例如限制您的户外时间和为暴露的皮肤涂抹足够的防晒霜。

这个概念

现在，我们对紫外线辐射为何危险的原因有了更多的了解。减少暴露在紫外线下的时间并确保持续涂抹防晒霜是在阳光下保持安全的关键。考虑到这一点，让我们充实一些在这个项目中应用的要求和行动：

检测随时间推移的紫外线辐射量。

确定暴露是否超过了预先指定的限制。

创建一个有趣且异想天开的警报，以在超过 UV 暴露限制时通知用户。

为曝光计数创建一个重置。

确保设备由电池供电。

将曝光数据发送到云端以供日后分析。（注意：此步骤有助于教孩子如何阅读图表和图形！）

对于这个项目，我们将建立以下警报间隔（表 2），每分钟读取一次读数，并保持 UV 指数的运行平均值。如果平均值在给定时间段内超过这些水平，则应触发警报。

表 2：此 UV 指数表显示了我们项目的警报间隔。

紫外线指数	提醒每...
低或中等	2小时
高或非常高	1小时
极端	30分钟

该设计

使用我们列出的要求，我们可以开始在非常高的功能级别上进行一些设计假设。对于此设计，我们假设需要以下五个功能块来满足我们的要求：

紫外线检测

数据处理

数据传输至云端

用户界面

力量

现在我们已经为您的项目确定了一个高级架构，让真正的乐趣开始吧。首先，访问Mouser.com并开始搜索满足该项目需求并可纳入您的电路设计的部件。为了帮助您入门，贸泽为该项目推荐了以下部分内容：

紫外检测

Silicon Labs生产了一种集成电路，可以用作紫外线传感器。Si1145提供了一个方便的 I2C 串行接口，可以触发遥测到微控制器以进行进一步的分析和操作。贸泽备有 Adafruit 485-1777分线板 (BOB)，它利用 Si1145 使 UV 监视器面包板变得友好。方便的是，此 BOB 包含电平转换器，使其能够在 3.3 和 5V 嵌入式平台上运行。

数据处理、通信和电源

对于这个项目，我们可以利用Arduino MKR1000嵌入式开发平台作为大脑，并提供与基于云的存储的 Wi-Fi 连接。该板还利用 JST 连接器，允许该板通过最小额定值为 700mAh 的单节 3.7V 锂聚合物 (Li-Po) 电池供电。

将多个功能整合到一个组件中是一把双刃剑。一方面，它减少了您的零件数量，并且故障排除更少，因为我们可以假设所有板载组件都经过了制造商的测试。另一方面，如果（例如）您希望使用蓝牙而不是 Wi-Fi 进行通信，那么您还需要考虑这种变化将如何影响数据处理和电源功能。在设计产品时，工程权衡始终是一个现实。这是一个简单的示例，但您可以想象，随着组件数量和需求复杂性的增加，问题将会扩大。

另一件需要考虑的事情是 MKR1000 在 3.3V 下运行，而许多其他开发板（尤其是那些不是专门为电池或移动应用而构建的）往往在 5V 下运行。如果您确实修改设计以包含不同的组件，请确保它们兼容 3.3V。

用户界面

用户界面将包括从系统到用户的输出以及从用户到系统的输入。输出将用作 UV 阈值警报，通知用户已达到阈值。输入将是一种让用户确认警报并重置系统的方法。

对于警报，压电蜂鸣器肯定会引起附近任何人的注意。选择的蜂鸣器是 TDK Corporation 的PS1240P02BT ，因为它的工作电压为 3V。还需要电阻和晶体管来增强蜂鸣器的功率并确保其驱动足够的电流以使蜂鸣声明显。

要在触发警报后重置设备，您可以使用常开 (NO)瞬时按钮。下拉电阻器用于将连接到微控制器通用输入/输出 (GPIO) 引脚的按钮接地，以防止任何浮动输入（图 1）。

图 1：项目的最终电路如下所示。（来源：作者）

将所有东西放在一起后，最终电路就完成了，如上图所示。总之，表 3列出了该项目的物料清单 (BOM) ：

表 3：这是我们的紫外线监控器和警报项目的 BOM。

贸泽#	描述	数量
485-1777	光学传感器开发工具数字紫外线指数/红外线/可见光传感器	1个
782-ABX00011	Wi-Fi 开发工具 (802.11) MKR1000 带接头	1个
485-328	Adafruit 配件锂离子聚合物电池 3.7V 2500mAh	1个
810-PS1240P02BT	音频指示器和警报 Round 12.2mmx6.5mm 4kHz V IN =3V	1个
612-PV5S24011	按钮开关 0-2A 48VDC 关（开）12mm 黑色圆顶	1个
512-PN2222ABU	双极晶体管 - BJT NPN 晶体管通用	1个
279-CBT25J1K0	碳素电阻 1kΩ 1/4W 250V	1个
279-CBT25J10K	碳素电阻 10kΩ 1/4W 250V	1个