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[项目] 创客技术助力科学实验系列 | 看不见的紫外线

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前言

       人类的生存和生活离不开光。在我们赖以生存的环境中,有着各种各样的光,比如太阳光、灯光、火光等,它们有些肉眼可见,有些却不可见。这其中,有一种让人既爱又厌的不可见光—— 紫外线。紫外线,可帮助人们进行环境杀毒、验证纸币真伪等工作,可以促进维生素D的生成,对人体的一些疾病也有一定的治疗作用。但是人体如果受长时间的紫外线照射,会造成皮肤变黑或损伤,甚至诱发皮肤癌;紫外线照射眼睛还会对眼睛造成损害。

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       紫外线是阳光中波长为400nm~10nm(纳米)的光线,可分为近紫外线(UVA),远紫外线(UVB)和超短紫外线(UVC)。其中超短紫外线(UVC)在经过地球表面同温层时被臭氧层吸收,不能到达地球表面。这个实验主要探测近紫外线(UVA)和远紫外线(UVB)在不同环境条件下的强度。

02
实验方案

        利用Arduino Uno为主控板,通过外接紫外线传感器、温度传感器、LCD显示屏等电子模块搭建一个实验平台,进行一系列的实验活动。

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03
材料准备

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Arduino Uno  1块
I/O扩展板  1块
LCD显示屏  1块
紫外线传感器  1块
LM35温度传感器 1个
18650电池及电池盒 1套


04
实验平台搭建


1.硬件搭建

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将LED显示屏和紫外线传感器连接到IIC引脚
将LM35温度传感器连接到A0引脚


2.编写程序
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        使用Mind+软件在上传模式下进行编程。程序比较简单,只要每隔一段时间(如10秒)将UVA强度、UVB强度、紫外线指数等信息显示在显示屏上。

3.结构设计与制作


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         使用LaserMaker软件绘制外型及结构图纸。需要注意的是,紫外线传感器实际使用中须对准光源照射方向,否则测量结果不准确。所以,参照太阳能板的安装角度(40°)设计了一个斜面来安装紫外线传感器。

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将图纸文件加载到激光切割机,在3MM的椴木板材料上进行切割、雕刻加工。

4.组装

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(1)将电子元件安装到木板件的预留位置处
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(2)安装侧板
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(3)装上顶板
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(4)装上两块小木板
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组装完成效果(正面)

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组装完成效果(背面)

5.调试

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        通电测试是否能正常工作,一般在室内无光源直射下数值趋近于0,在室外或者手电筒的照射下数值会远大于0且有变化。

05
实验活动


实验一:不同天气的紫外线强度


1. 实验方法

        将紫外线实验平台放置在无遮挡物的地方,让紫外线传感器面向太阳所在的方向,在同一个地点和同一个时间点分别检测雨天、阴天、晴天等不同天气条件下的紫外线强度。因时间跨度长,采用手工记录的方式记录实验结果。

2. 实验过程

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按照制定的实验方法,在室外或者向阳的阳台、走廊等地点进行数据采集工作,并及时将数据记录下来。

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3.实验结果分析

       通过对采集到的数据进行分析、比较,我们可以看出雨天的紫外线强度最小、晴天的紫外线强度最大。这证实了生活中的紫外线主要来自阳光,也知道了紫外线的穿透能力是有限的,人们可以通过采取适当的防护措施来防晒。

实验二:一天内紫外线强度的变化

1.实验方法

     选择一个晴天,将紫外线实验平台放置在空旷的地方(保证白天时阳光在任何时候都不会被遮挡),让紫外线传感器面向太阳所在的方向,在同一个地点分别检测不同时间点的紫外线强度。

2.实验过程

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       按照制定的实验方法,寻找合适的地点进行数据采集工作,并及时将数据记录下来。为了使实验数据更详实充分,应进行多天的数据采集工作;两次采集时间间隔越短越好。

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(数据采集于2021年4月21日江西省万年县某地)


3. 实验结果分析

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       借助电子表格软件,将采集到的数据绘制成统计图。从中可以看出紫外线强度在白天时大、在早上和晚上时小;中午左右强度较大。基于多天测试的结果,发现最高值一般出现在11时至15时之间。


06
总结与反思

       本实验通过实际检测获取量化结果来验证有关紫外线的知识,基本得到了一致的结果。但是,在设计之初还想检测哪种颜色的衣物的阻隔紫外线的效果最好,受制于采用的紫外线的传感器的性能,实验无法进行,有点遗憾。

       从创客技术角度来看,还有一些改进的地方。为了保证传感器始终面向太阳,可以制作一个可追踪太阳的云台;为了减少人的工作,可以运用物联网技术将数据自动上传到云端......

       基于这个实验平台,还可以进行更多的实验活动,比如检测电子设备屏幕是否有紫外线、检测紫外线灯的紫外线强度、研究紫外线强度和温度的联系等。

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心似不系之舟的DBX  学徒

发表于 7 天前

老师你好 我也买了这个同款紫外线传感器 但是用掌控版却识别的所有数值都是0 怎么办呢
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