Mouser 的 STEAMy Summer：第 2 部分

歡迎來到我們的 STEAMy 夏季博客系列的第 2 部分。在第 1 部分中，我們討論了父母和孩子可用于探索 STEAM（科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)）主題的資源，以便他們可以通過基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)培養(yǎng)嵌入式電子技能。這次讓我們深入研究并設(shè)計(jì)和編碼一個(gè)特定的項(xiàng)目。不要覺得必須完全按照描述使用這個(gè)項(xiàng)目，而是將其作為您想象力的起點(diǎn)，并幫助您向嶄露頭角的培訓(xùn)工程師解釋工程過程。

享受陽光

雖然秋季臨近，但我們中的許多人都會(huì)懷念夏天，因?yàn)檫@個(gè)季節(jié)意味著漫長的日子和陽光下的戶外樂趣。這種強(qiáng)烈的陽光既是福也是禍。雖然它可以讓我們?cè)趹敉馔娓L的時(shí)間，但如果我們暴露在過多的太陽紫外線 (UV) 輻射下，它也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的副作用，例如曬傷或（在最壞的情況下）皮膚癌。

在春季和夏季從溫暖到炎熱的月份，定期涂抹防曬霜并在陰涼處休息可以幫助降低風(fēng)險(xiǎn)，但記住在假期或悠閑嬉戲期間這樣做可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)孩子們而言。在秋季和冬季，類似的做法在白天經(jīng)歷持續(xù)陽光的環(huán)境中很重要。

但是，如果我們可以監(jiān)控我們的紫外線照射并在必須采取安全預(yù)防措施時(shí)觸發(fā)提醒，會(huì)怎樣呢？這就是我們將在這個(gè)項(xiàng)目中探索的內(nèi)容。但首先，讓我們討論科學(xué)！

可見光，也就是我們的眼睛可以看到的光，相對(duì)于較大的電磁波譜占據(jù)了非常小的頻帶。它的兩側(cè)是極低頻率的無線電波和極高頻的伽馬射線。位于我們眼睛可以看到的頻率之上的是紫外線。紫外線的波長范圍為 180 至 400 納米。這大致轉(zhuǎn)化為從 3x10 16到 8x10 14 Hz 的頻率范圍。紫外線進(jìn)一步分為三個(gè)波段：

UVA 或近紫外線 (315–400nm)

UVB 或中紫外線 (280–315nm)

UVC 或遠(yuǎn)紫外線 (180–280nm)

從健康的角度來看，UVA 和更重要的是 UVB 是令人擔(dān)憂的頻率。UVC 會(huì)被大氣吸收，因此不必?fù)?dān)心。導(dǎo)致與紫外線照射相關(guān)的健康風(fēng)險(xiǎn)的因素包括美國癌癥協(xié)會(huì)列表中的以下幾點(diǎn)：

一天中的時(shí)間：上午 10 點(diǎn)到下午 4 點(diǎn)之間紫外線最強(qiáng)。

季節(jié)：春季和夏季的紫外線更強(qiáng)。這在赤道附近的影響較小。

距赤道的距離（緯度）：離赤道越遠(yuǎn)，紫外線照射就越低。

海拔：更多的紫外線到達(dá)更高海拔的地面。

云層：云層的影響各不相同。有時(shí)，云層會(huì)阻擋部分來自太陽的紫外線并降低紫外線照射，而某些類型的云可以反射紫外線并增加紫外線照射。

紫外線指數(shù)是一種向人們傳達(dá)給定地點(diǎn)和時(shí)間的紫外線暴露風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)字方式（表 1）。該索引由以下增量組成：

表 1：紫外線指數(shù)使用數(shù)字系統(tǒng)表示風(fēng)險(xiǎn)。

檢查紫外線指數(shù)作為每日天氣更新的一部分可以幫助您準(zhǔn)備采取必要的預(yù)防措施，例如限制您的戶外時(shí)間和為暴露的皮膚涂抹足夠的防曬霜。

這個(gè)概念

現(xiàn)在，我們對(duì)紫外線輻射為何危險(xiǎn)的原因有了更多的了解。減少暴露在紫外線下的時(shí)間并確保持續(xù)涂抹防曬霜是在陽光下保持安全的關(guān)鍵。考慮到這一點(diǎn)，讓我們充實(shí)一些在這個(gè)項(xiàng)目中應(yīng)用的要求和行動(dòng)：

檢測隨時(shí)間推移的紫外線輻射量。

確定暴露是否超過了預(yù)先指定的限制。

創(chuàng)建一個(gè)有趣且異想天開的警報(bào)，以在超過 UV 暴露限制時(shí)通知用戶。

為曝光計(jì)數(shù)創(chuàng)建一個(gè)重置。

確保設(shè)備由電池供電。

將曝光數(shù)據(jù)發(fā)送到云端以供日后分析。（注意：此步驟有助于教孩子如何閱讀圖表和圖形！）

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們將建立以下警報(bào)間隔（表 2），每分鐘讀取一次讀數(shù)，并保持 UV 指數(shù)的運(yùn)行平均值。如果平均值在給定時(shí)間段內(nèi)超過這些水平，則應(yīng)觸發(fā)警報(bào)。

表 2：此 UV 指數(shù)表顯示了我們項(xiàng)目的警報(bào)間隔。

該設(shè)計(jì)

使用我們列出的要求，我們可以開始在非常高的功能級(jí)別上進(jìn)行一些設(shè)計(jì)假設(shè)。對(duì)于此設(shè)計(jì)，我們假設(shè)需要以下五個(gè)功能塊來滿足我們的要求：

紫外線檢測

數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)傳輸至云端

用戶界面

力量

現(xiàn)在我們已經(jīng)為您的項(xiàng)目確定了一個(gè)高級(jí)架構(gòu)，讓真正的樂趣開始吧。首先，訪問Mouser.com并開始搜索滿足該項(xiàng)目需求并可納入您的電路設(shè)計(jì)的部件。為了幫助您入門，貿(mào)澤為該項(xiàng)目推薦了以下部分內(nèi)容：

紫外檢測

Silicon Labs生產(chǎn)了一種集成電路，可以用作紫外線傳感器。Si1145提供了一個(gè)方便的 I2C 串行接口，可以觸發(fā)遙測到微控制器以進(jìn)行進(jìn)一步的分析和操作。貿(mào)澤備有 Adafruit 485-1777分線板 (BOB)，它利用 Si1145 使 UV 監(jiān)視器面包板變得友好。方便的是，此 BOB 包含電平轉(zhuǎn)換器，使其能夠在 3.3 和 5V 嵌入式平臺(tái)上運(yùn)行。

數(shù)據(jù)處理、通信和電源

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們可以利用Arduino MKR1000嵌入式開發(fā)平臺(tái)作為大腦，并提供與基于云的存儲(chǔ)的 Wi-Fi 連接。該板還利用 JST 連接器，允許該板通過最小額定值為 700mAh 的單節(jié) 3.7V 鋰聚合物 (Li-Po) 電池供電。

將多個(gè)功能整合到一個(gè)組件中是一把雙刃劍。一方面，它減少了您的零件數(shù)量，并且故障排除更少，因?yàn)槲覀兛梢约僭O(shè)所有板載組件都經(jīng)過了制造商的測試。另一方面，如果（例如）您希望使用藍(lán)牙而不是 Wi-Fi 進(jìn)行通信，那么您還需要考慮這種變化將如何影響數(shù)據(jù)處理和電源功能。在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，工程權(quán)衡始終是一個(gè)現(xiàn)實(shí)。這是一個(gè)簡單的示例，但您可以想象，隨著組件數(shù)量和需求復(fù)雜性的增加，問題將會(huì)擴(kuò)大。

另一件需要考慮的事情是 MKR1000 在 3.3V 下運(yùn)行，而許多其他開發(fā)板（尤其是那些不是專門為電池或移動(dòng)應(yīng)用而構(gòu)建的）往往在 5V 下運(yùn)行。如果您確實(shí)修改設(shè)計(jì)以包含不同的組件，請(qǐng)確保它們兼容 3.3V。

用戶界面

用戶界面將包括從系統(tǒng)到用戶的輸出以及從用戶到系統(tǒng)的輸入。輸出將用作 UV 閾值警報(bào)，通知用戶已達(dá)到閾值。輸入將是一種讓用戶確認(rèn)警報(bào)并重置系統(tǒng)的方法。

對(duì)于警報(bào)，壓電蜂鳴器肯定會(huì)引起附近任何人的注意。選擇的蜂鳴器是 TDK Corporation 的PS1240P02BT ，因?yàn)樗墓ぷ麟妷簽?3V。還需要電阻和晶體管來增強(qiáng)蜂鳴器的功率并確保其驅(qū)動(dòng)足夠的電流以使蜂鳴聲明顯。

要在觸發(fā)警報(bào)后重置設(shè)備，您可以使用常開 (NO)瞬時(shí)按鈕。下拉電阻器用于將連接到微控制器通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳的按鈕接地，以防止任何浮動(dòng)輸入（圖 1）。

圖 1：項(xiàng)目的最終電路如下所示。（來源：作者）

將所有東西放在一起后，最終電路就完成了，如上圖所示。總之，表 3列出了該項(xiàng)目的物料清單 (BOM) ：

表 3：這是我們的紫外線監(jiān)控器和警報(bào)項(xiàng)目的 BOM。

您可以單擊此處將所有這些部件添加到您的貿(mào)澤購物車。請(qǐng)記得查看本博客系列的最后一篇文章，我們將在其中向您展示如何連接電路和編寫代碼。

現(xiàn)在就這些了，但請(qǐng)記得回來查看第 3 部分，屆時(shí)我們將完成為您的紫外線 (UV) 監(jiān)測器和警報(bào)項(xiàng)目構(gòu)建電路和編程 Arduino MKR1000 的每一步，以便您和您年輕有抱負(fù)的工程師可以保護(hù)當(dāng)你外出享受陽光時(shí)，你的家人。

審核編輯 hhy