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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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01

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。

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。

03

材料准备

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

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

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

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。

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

（1）将电子元件安装到木板件的预留位置处

（2）安装侧板

（3）装上顶板

（4）装上两块小木板

组装完成效果（正面）

组装完成效果（背面）

5.调试

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

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。

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

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。

（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

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。