论文总字数：26864字

目 录

1.绪论 1

1.1 本课题目的及研究意义 1

1.2 研究现状及问题 2

1.3 本课题设计内容 3

2.紫外线强度检测仪的系统硬件设计 5

2.1 紫外线传感器 5

2.1.1传感器的选择 5

2.1.2传感器电气参数 6

2.1.3传感器响应曲线 6

2.2 单片机的选择 7

2.2.1端口分配 8

2.2.2 系统时钟和复位电路 8

2.2.3 调试串口 9

2.3电源模块 10

2.4 WiFi模块 13

2.5 PCB 布局与布线 16

3.紫外线强度检测仪的软件设计 18

3.1 单片机软件开发平台 18

3.2 主程序的实现 18

3.3 各模块的程序设计 20

3.3.1 A/D 转换的软件实现 20

3.3.2 单片机数据处理 22

3.3.3 WiFi配置 23

3.3.4 手机APP显示 25

4.系统调试、测试及分析 28

4.1硬件调试 28

4.2测试环境及标定测试 29

4.3数据处理及曲线拟合 31

5.总结 35

参考文献 36

致谢 37

附录 37

基于STM32和WiFi的无线式紫外线强度检测仪的设计

陈禹

, China

Abstract：The rapid spread of refrigeration appliances has caused serious damage to the ozone layer, and the increase in ultraviolet radiation from the ground has led to a rise in the incidence of skin cancer worldwide. As a result, more people are concerned about ultraviolet radiation. In order to timely meet people learn their environment in the intensity of the ultraviolet ray in order to take the corresponding protective measures of demand, a wireless type ultraviolet intensity measuring instrument is mean to designed in this paper. STM32 MCU is used as the master, including data acquisition module, data processing, the WiFi module and display module, at the same time to carry out software design, the related experiments. The experimental results show that the instrument can more accurately measure the real-time ultraviolet radiation intensity and conversion for the UV index, in addition, the measuring instrument can transmit information through WiFi module connected to the phone and to mobile phones, convenient people use. So it is of high practical value.

Key words: STM32; WiFi module; UV sensor; real-time monitoring; data processing

1.绪论

1.1 本课题目的及研究意义

太阳光线中含有紫外辐射，太阳光谱图如图1.1所示。紫外(UV)辐射在太阳辐射光谱中的谱区范围是在100～400nm间^[1]，紫外辐射的能量大约占到太阳总辐射能量的8%，按照不同波长紫外线所引起的生物作用，可将紫外辐射分为三部分：紫外线A段(UVA)，波长320～400nm，约占太阳辐射总量的6%，UVA的生物作用较弱，它的主要作用是色素沉着，即照射皮肤会导致肤色变深, 而皮肤反复发生晒黑斑就会增加患黑色瘤的几率^[2]。紫外线B段(UVB)波长290～320nm，大约占太阳辐射总量的1.5%，此段对人体影响较大，其主要作用是抗佝偻病和红斑作用，紫外线作用于眼部，可导致人体出现结膜炎、角膜炎等光照性眼炎，甚至可能导致白内障，而在焊接过程中产生的紫外辐射会导致焊工患上电光性眼炎^[3]。紫外线C段(UVC)，波长100～290nm，大约占辐射总量的0.5%，几乎完全被地球上空臭氧层吸收，所以其对人体健康影响很小。

图1.1 太阳光谱图

几十年来，由于制冷家电的大量使用，其使用过程中大量排出的化学物质导致地球上空的臭氧层被严重破坏，甚至导致了臭氧空洞的产生，大量动植物遭受过量紫外辐射，其危害十分严重。过多的紫外辐射会对人的眼睛和皮肤造成危害，紫外线对人体造成的伤害与紫外线的辐射强度和辐射时间成正比，即照射剂量越大，紫外辐射对人造成的伤害越严重^[4]。众所周知，到达地球表面的紫外线辐射量是由同温层臭氧控制的。自20世纪70年代后期以来，臭氧经历了显着的变化：直到20世纪90年代中期以来的强劲下降，并在过去十年中出现了轻微的复苏。据国家气象中心报告显示，自上个世纪八十年代以来，中国大气臭氧层总量逐年减少，在过去的二十年间，臭氧层大约减少20%，而据相关统计数据显示，长期的强紫外线辐射会导致人体细胞的癌变。大约臭氧层每减少1%，皮肤癌的发病率就会上升3%。据世界卫生组织报告显示，全球每年超过六万人死因和过度暴露于紫外线辐射有关。而过量紫外辐射导致皮肤癌发生率不断增加，美国已经达到0.25%^[5]。目前亚洲的情况稍好些，但有关专家指出，未来亚洲很有可能出现类似欧美和澳大利亚皮肤癌高发的危险情况。由于紫外线愈发影响人们的身体健康，所以我们需要对紫外线辐射的防护给予足够的重视。随时了解当地的紫外线指数就显得十分重要，这就为本课题提供了良好的市场前景。因为科学防晒工作的重点是准确的紫外线指数的预报，使人们能根据紫外线指数做好相应的防护措施。

因此，本课题设计一款无线式紫外线强度传感器，它可以精确地测量实时的紫外线强度并换算为紫外线指数给人们采取防晒措施提供相应的建议。另外，这款测量仪可以通过WiFi模块与手机进行无线连接并传送信息到手机，人们可以通过手机上的APP实时的查看紫外线指数。该仪器方便了人们的使用，满足多数人对于日常测量紫外线强度的要求，使人们在平时生活中通过测量仪得到紫外线指数后采取相应的措施可以减少紫外辐射对身体的伤害。

1.2 研究现状及问题

图1.2 韩国紫外线测量产品FT-3

目前各国都越来越重视对到达地面的紫外线辐射量变化的监测和研究。美国自二十世纪九十年代起建立了由五十多个紫外线观测点组成的监测网络，用来监测紫外线辐射的变化。日本的紫外线观测网点已经增加到超过九百个，形成了一个密集的监测网络。国外有研究认为紫外线辐射的监测要求全球范围内的准确测量仪器长期使用，必须使用具有极好的长期性能的能够检测低温信号的优质仪器。因此在全世界范围内使用基于多光子紫外辐射计的紫外线监测网络是必不可少的^[6]。同时，紫外线测量仪器的研制也有了长足的发展，日本已经研发的TUV R紫外线计，测量波长范围为295～385nm，测量精度在±3%以内^[7]。此外，由于人们对于健康的追求需要方便精准地测量紫外线强度，因此紫外线测量相关产品也有了比较大的进步。国外已有比较小巧而实用的产品，如图1.2所示。它是市场上在售的韩国的一款产品，外观类似于一支铅笔，十分小巧并可以通过耳机接口与智能手机连接后，在手机上下载相匹配的APP打开进入显示界面。该APP采用的显示界面比较直观，在显示界面中将紫外线指数的影响分为五个区域，点击测试按钮后，界面中的指针指不同的区域指示不同的紫外线影响程度。该界面优点是直观简洁，但是没有准确的指数显示。

图1.3 美国产品HD-E30

市场上还有一款美国生产的产品也比较优秀，如图1.3所示。美国的这款产品也设计了配套的手机APP，产品与手机通过蓝牙连接后，打开APP，可以通过界面中的指针指示和指针下方的指数显示得到需要的信息。该APP还设计了防晒霜有效时间设置功能，方便了人们的使用，同时考虑到该产品使用的连接方式是蓝牙，可以将测量仪器放置在室外使用，即手机和测量仪器分开使用，具有较高的实用性，与图一中的产品相比较，有了较大的改善。但是该产品的价格比较高昂。

目前国内市场上有关紫外线检测产品不多，而且大多是用于工业上的精密紫外线辐射检测，检测类型与人们的日常需求不太适应，难以应用于日常生活的太阳光紫外线检测。并且这些工业用紫外线测试仪特点是体积较大，内部装置十分复杂，不适用于携带式检测仪器，不能应用于日常生活的紫外线辐射检测。因此，国内在紫外线指数测量仪器研制这方面还存在市场空白，国内现有一款刘驰旸，杨静波等^[8]以MSP430单片机为核心开发的紫外线强度测量仪，功能与市面上的国外产品类似，可以测量紫外线指数并显示当前强度值及其他便民信息等功能，并使用了无线传输功能，美中不足的是没有设计配套的APP方便使用。还有赵敏超^[9]以AT89S52为核心开发的一款配有语音模块的紫外线测量仪，优点是可以通过语音进行提醒，但没有实现与手机客户端的无线连接和数据处理，用户日常使用受到限制。同时这些测量仪器不能满足用户的日益强烈的实际需求，精密性和智能化有待进一步的提高。

1.3 本课题设计内容

由于人们健康意识的不断增强和人类生存环境的不断恶化，人们对于紫外线辐射测量的日常测量需求越来越强烈，准确实用的测量仪器显得越发重要。研究现有的产品和检测仪器后，我认为目前的该类型测量仪器的难点有仪器的小型化，测量仪器做的越小人们外出携带就会越方便，但是小型化的前提是测量结果要准确，同时现有市场上出售的产品价格比较高昂。此外，这些产品还有一个共同的没有解决的问题是这些测量仪测量紫外线的强度得到结果后，与手机的通信方式并不理想。如果测量仪器通过物理方式连接到手机的话，手机和测量仪器需要同时都暴露在阳光下，给人们的使用带来不便。如果通过蓝牙传输数据，由于一般而言手机蓝牙的传输距离较短，因此使用时也会有所不便。因此，本次设计选用WiFi模块来克服这些问题，测量仪通过各个模块得到准确的测量后，通过WiFi与手机进行通信，将结果传输到手机上显示，因此，本设计具有较高的实用性。

本课题设计的紫外线检测仪主要由数据采集模块，数据处理模块、WiFi模块和数据显示模块构成^[10]。数据采集模块主要有紫外线传感器和数模转换器组成。首先通过UVM30A紫外线传感器模块接受紫外线光的照射，然后把检测到的紫外线转换为电信号，送给STM32单片机，通过单片机自带的A/D转换将得到的电压值进行处理得到紫外线强度并换算得紫外线指数，然后把得到的结果通过WiFi模块发送到手机上。

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