專利名稱：無線式紫外線指數實時監測儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及測量技術，特別是涉及一種無線式紫外線指數實時監測儀的測量技術。
背景技術：
傳統的紫外測量儀器使用濾光片來匹配紅斑曲線所帶來的一系列問題，如匹配準確性難以控制，使用多種濾光片使體積增大，某些光譜難以濾掉等等問題，導致測量準確性難以保證。而且對測量電路的要求也較高。傳統的紫外測量儀器一般測量時需要很長的電纜線，連接測量頭和顯示器，成本高，費人力，并很難實現分布式多點測量。
發明內容
針對上述現有技術中存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種能直接測量的，能無線傳輸，誤差小，成本低，人力省，并能多點測量的無線式紫外線指數實時監測儀。
為了解決上述技術問題，本發明所提供的一種無線式紫外線指數實時監測儀，由紫外線指數測量部分和紫外指數數據接收部分組成，其中，紫外線指數測量部分包括一肖特基紫外探測器，用于采集紫外信號；一溫度傳感器，用于采集外界溫度信號；前置放大電路，分別連接紫外探測器和溫度傳感器的輸出端，用于紫外信號和溫度信號的放大；
一模數轉換電路，分別連接前置放大電路的紫外信號和溫度信號的輸出端，用于信號的模數轉換；一單片機控制電路，連接模數轉換電路的輸出端，用于完成數據處理及溫度補償；一無線發射模塊，連接單片機控制電路的數據輸出端，用于完成當前測量數據的無線輸出；紫外指數數據接收部分，用于測量數據的接收、存儲和顯示；由紫外探測器和溫度傳感器測量紫外信號和溫度信號經前置放大器的放大、A/D轉換電路的模數轉換、MCU微處理單元的處理后，通過無線發射模塊實時輸出，再由紫外指數數據接收部分無線接收后，進行測量數據的存儲和顯示。
進一步地，所述紫外指數數據接收部分包括一無線接收模塊，用于完成當前測量數據的無線輸入；一具有雙通訊端口的單片機，連接無線接收模塊的數據輸出端，一計算機，連接單片機的一通訊端口，用于紫外指數值的記錄、存儲；一顯示電路，連接單片機的一通訊端口，用于紫外線指數和溫度的顯示。
進一步地，所述無線紫外線指數測量儀測量部分的軟件程序流程1)初始化；2)放大的溫度和紫外線信號進行A/D轉換；3)查表進行溫度補償；4)紫外線指數運算并標定；5)發射穩產溫度和紫外線指數數據，轉向1)。
進一步地，所述無線紫外線指數測量儀接收部分的軟件程序流程1)初始化；2)判斷有無數據發送？無則繼續判斷；有則轉向3)；
3)接收數據；4)經串口送數據到計算機或大屏幕，轉向1)。
本發明提供的無線式紫外線指數實時監測儀的有益效果1)采用光譜響應曲線能夠和紅斑作用光譜曲線相吻合的GaN的紫外探測器測量紫外線指數，克服了一般傳統的紫外測量儀器使用濾光片來匹配紅斑曲線所帶來的一系列問題，如匹配準確性難以控制，使用多種濾光片使體積增大，某些光譜難以濾掉等等問題，導致測量準確性難以保證。而且降低了對測量電路的要求。
實驗測得氮化鎵材料紫外探測器件光譜響應曲線如圖1所示。圖中可看出整個光譜響應曲線與紅斑作用光譜曲線非常吻合。在波長大于350nm時對紫外響應很小，但此時的紅斑曲線加權也很小；在250～320nm波段響應較好，尤其是在280～320nm之間具有較為平滑的響應率，可見光抑制比約為103，在可見光范圍內器件是完全截止的，這樣的曲線形狀非常接近紅斑作用光譜曲線，對紫外指數的測量提供了非常有利的條件，使得測量不再需要濾光片，可以進行直接測量，并能夠減小誤差。
2)能夠實現紫外線指數測量數據的無線傳輸，省去了一般測量時需要很長的電纜線的要求，這樣節約了成本，節省了人力，并可實現分布式多點測量；利用本發明提供的無線式紫外線指數實時監測儀，由于使用與紅斑曲線相匹配的GaN紫外肖特基探測器，在測量紫外指數時，可以省去增加濾光片的要求，可方便的直接進行測量。使用這種方法是未來紫外指數測量的方向之一，它在減小儀器的體積，增加儀器可靠性，提高測量的精度等方面都顯現了十分突出的優點。同時，便于在紫外氣象研究領域進行推廣。
圖1是肖特基紫外探測器件的光譜響應曲線圖；圖2是本發明實施例的無線式紫外線指數數據測量部分原理框圖；
圖3是本發明實施例的無線式紫外線指數數據接收部分原理框圖；圖4是本發明實施例的無線紫外線指數監測儀頭部結構簡圖；圖5是本發明實施例的紫外信號采集與放大電路原理圖；圖6是本發明實施例的溫度采集與放大模塊電路原理圖；圖7是本發明實施例的A/D轉換電路原理圖；圖8是本發明實施例測量部分的單片機控制和數據無線發射電路原理圖；圖9是本發明實施例的測量儀發射部分程序流程圖；圖10是本發明實施例的測量儀接收部分程序流程圖；圖11是本發明實施例接收部分的單片機控制和數據接收電路原理圖。
具體實施例方式
以下結合
對本發明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限制本發明，凡是采用本發明的相似結構及其相似變化，均應列入本發明的保護范圍。
如圖2和圖3所示，本發明實施例所提供的一種無線式紫外線指數實時監測儀由紫外線指數測量部分和紫外指數數據接收部分組成，其中，紫外線指數測量部分包括一肖特基紫外探測器，用于采集紫外信號；一溫度傳感器，用于采集外界溫度信號；前置放大電路，分別連接紫外探測器和溫度傳感器的輸出端，用于紫外信號和溫度信號的放大；一模數轉換電路，分別連接前置放大電路的紫外信號和溫度信號的輸出端，用于信號的模數轉換；一單片機控制電路，連接模數轉換電路的輸出端，用于完成數據處理及溫度補償；一無線發射模塊，連接單片機控制電路的數據輸出端，用于完成當前測量數據的無線輸出；紫外指數數據接收部分，用于測量數據的接收、存儲和顯示；由紫外探測器和溫度傳感器測量紫外信號和溫度信號經前置放大器的放大、A/D轉換電路的模數轉換、MCU微處理單元的處理后，通過無線發射模塊實時輸出，再由紫外指數數據接收部分無線接收后，進行測量數據的存儲和顯示。
當無線式紫外線指數實時監測儀工作時，太陽光透過頭部(如圖4)的半球形的石英玻璃罩1和聚四氟乙烯漫透射板2到達已經定標好的GaN紫外探測器5，紫外探測器由于其可見光和紅外光抑制比很高，所以僅接收太陽的紫外輻射，產生微小的光電流；溫度傳感器同時也測量外界溫度的變化。紫外信號和溫度信號經前置放大器放大后分別產生兩路電信號，其中由于紫外探測器件的光譜響應曲線和紅斑曲線相匹配，所以紫外探測器信號經過前置放大器后產生的信號就是相對的紫外指數數據；這時溫度信號和紫外探測器信號通過多通道的A/D器件進行模數轉換，送入微控制器89C52進行數據處理，當MCU處理單元對這些數字和事先已經定標的紫外指數數據進行比較，并查找相應的溫度補償數據后，就可得到當前的紫外指數值和溫度值，然后將數據通過無線發射模塊實時輸出；數據在經空間傳播后，由無線接收模塊接收，然后將數據送入具有雙通訊端口的單片機DS87C520中，數據通過兩個通訊端口分別發送到128×48點陣LED顯示屏和計算機，其中顯示屏作為可選的配件能夠進行紫外線指數和溫度的顯示，并且還能滾動顯示在該紫外線指數等級下，公眾相應所應該采取的防曬措施，如搽防曬霜、穿長袖衣服、戴太陽鏡、打遮陽傘等，以防止過量的紫外線輻射造成皮膚曬傷；發送到計算機端的數據可由計算機應用軟件記錄并輸入到數據庫中。
無線式紫外線指數實時監測儀由測量部分和接收部分組成。
如圖4所示，紫外線指數測量儀的紫外指數數據測量頭的結構由不銹鋼外殼3、石英玻璃罩1、聚四氟乙烯漫透射板2、和紅斑曲線匹配的紫外探測器5以及監測頭測量部分電路組成。不銹鋼外殼3具有放水、防潮、防繡的功能，監測頭的內壁涂黑4，石英玻璃罩1保證紫外線的充分透過，并保護探測器；聚四氟乙烯漫透射板2能夠保證測量具有良好的余弦特性；監測頭測量部分電路的功能就是實現無線式紫外線指數數據測量及發射。它由探測器、溫度傳感器、前置放大電路、A/D轉換電路、單片機控制電路和無線發射電路組成。
如圖5所示，在紫外線指數信號放大電路中，S1為肖特基紫外探測器件，IC1為低偏置電流的單片精密運算放大器OPA111，V+、V-為來自低噪聲穩壓電路，R13為高阻，其阻抗為1.2×1011Ω，IC3對前級來的電壓信號進行二次放大，調節多圈精密電位器RV1可以改變第二級放大電路的放大倍數，以使整個放大電路的輸出電壓幅值適合模數轉換芯片MAX154的需要。為減少各種干擾，在放大電路中采取了屏蔽等幾種不同的措施來提高放大電路的精度。
由于肖特基紫外傳感器的光譜響應特性不僅與入射的紫外光的波長有關，而且還和環境溫度有密切的關系。而作為紫外線指數監測儀的傳感器件，肖特基紫外傳感器被置于室外，環境溫度可從-40℃～+50℃之間大范圍變動，對測量結果影響較大。因此，在紫外線指數監測儀中加入溫度補償模塊，實時監控環境溫度的變化，并對測量結果進行適當的修正，對保證測量結果的準確性，是十分必要的。經過激光微調定標過的AD590芯片，其檢測靈敏度為1μA/K，輸出電流值(μA)可直接表征熱力學溫度(K)。溫度采集與放大模塊電路原理見圖6。
A/D轉換電路如圖7所示，A/D器件選用AD公司的24位模數轉換器AD7714。它是一個完整的非常適合于低頻信號高精度測量的模擬前端，可直接測量直流微弱信號。它使用和-差(∑-Δ)轉換技術以實現高達24位的無誤碼性能。該器件具有3個差分模擬輸入以及差分基準輸入，可以對多達5個通道的系統實現信號調理和轉換，并輸出串行數字量。AD7714可以通過3線SPI串行接口進行增益設置、信號極性和通道選擇，并且具有自校準、系統校準和背景校準功能，同時用戶也可以讀寫片內寄存器。圖7是AD7714和89C52組成的模數轉換電路。這里只使用兩個通道，及一個電壓信號，一個電流轉換為的電壓信號。SPI接口使用5個端口CS、SCLK、DIN、DOUT和DRDY。CS作為片選信號，SCLK、DIN、DOUT和DRDY接P1口，用作對89C52的通訊。程序設計時按照AD公司提供的器件的時序進行，SCLK提供時鐘信號，DIN作為串行數據輸入使用，DOUT作為串行數據輸出使用。當AD轉換結束時，可以監視DRDY的狀態，這里采用查詢的辦法確定AD轉換結果。
單片機控制和數據無線發射電路如圖8所示。A/D轉換后的數字信號進入單片機后，經過數據修正，并與標定好的數據比較后，通過串口輸出到無線發射電路中。無線發射采用nRF401無線發送/接收芯片實現無線傳輸紫外線指數數據。nRF401是一個專用工業頻段(433MHz)無線收發芯片。它采用FSK(移頻鍵控)調制解調技術。最高傳輸速率可達20kHz，滿足靜態數據測量要求。數據通過串口的TXD和RXD送入nRF401，P2口的三個端口作為對nRF401的控制端，最后數據由該芯片經單端天線發射送出。
紫外線指數測量儀接收頭部分是帶接收天線和RS232接口的電氣盒。內含有數據接收部分電路。如圖11所示，接收部分電路由具有雙通訊端口的高速單片機DS87C520、nRF401以及電平轉換電路組成，首先信號經過nRF401接收到后，通過單片機控制該芯片，將數據通過一個串口輸入到單片機內部RAM中，再通過另一個串口經RS232輸如到計算機中。電路圖如圖11所示。同時該通訊口也可以和大屏幕LED顯示屏相連接，顯示當前的紫外指數和溫度數據。大屏幕使用時采用脫離計算機的辦法顯示數據，保證端口的正常使用。
如圖9所示，根據硬件連線，以及紫外線指數監測儀所要實現的功能，無線紫外線指數測量儀測量部分的軟件程序流程
1)初始化；2)放大的溫度和紫外線信號進行A/D轉換；3)查表進行溫度補償；4)紫外線指數運算并標定；5)發射穩產溫度和紫外線指數數據，轉向1)。
如圖10所示，無線紫外線指數測量儀接收部分的軟件程序流程1)初始化；2)判斷有無數據發送？無則繼續判斷；有則轉向3)；3)接收數據；4)經串口送數據到計算機或大屏幕，轉向1)。
子程序中，包括數據發射子程序、數據接收子程序、AD轉換芯片控制端口的配置子程序、通過串送數據的通訊子程序、AD轉換部分的子程序、紫外指數修正子程序等。
權利要求
1.一種無線式紫外線指數實時監測儀，由紫外線指數測量部分和紫外指數數據接收部分組成，其特征在于，紫外線指數測量部分包括一肖特基紫外探測器，用于采集紫外信號；一溫度傳感器，用于采集外界溫度信號；前置放大電路，分別連接紫外探測器和溫度傳感器的輸出端，用于紫外信號和溫度信號的放大；一模數轉換電路，分別連接前置放大電路的紫外信號和溫度信號的輸出端，用于信號的模數轉換；一單片機控制電路，連接模數轉換電路的輸出端，用于完成數據處理及溫度補償；一無線發射模塊，連接單片機控制電路的數據輸出端，用于完成當前測量數據的無線輸出；紫外指數數據接收部分，用于測量數據的接收、存儲和顯示；由紫外探測器和溫度傳感器測量紫外信號和溫度信號經前置放大器的放大、A/D轉換電路的模數轉換、MCU微處理單元的處理后，通過無線發射模塊實時輸出，再由紫外指數數據接收部分無線接收后，進行測量數據的存儲和顯示。
2.根據權利要求1所述的無線式紫外線指數實時監測儀，其特征在于，所述紫外指數數據接收部分包括一無線接收模塊，用于完成當前測量數據的無線輸入；一具有雙通訊端口的單片機，連接無線接收模塊的數據輸出端，一計算機，連接單片機的一通訊端口，用于紫外指數值的記錄、存儲；一顯示電路，連接單片機的一通訊端口，用于紫外線指數和溫度的顯示。
3.根據權利要求1所述的無線式紫外線指數實時監測儀，其特征在于，所述無線紫外線指數測量儀測量部分的軟件程序流程1)初始化；2)放大的溫度和紫外線信號進行A/D轉換；3)查表進行溫度補償；4)紫外線指數運算并標定；5)發射穩產溫度和紫外線指數數據，轉向1)。
4.根據權利要求1所述的無線式紫外線指數實時監測儀，其特征在于，所述無線紫外線指數測量儀接收部分的軟件程序流程1)初始化；2)判斷有無數據發送？無則繼續判斷；有則轉向3)；3)接收數據；4)經串口送數據到計算機或大屏幕，轉向1)。
全文摘要
本發明公開一種無線式紫外線指數實時監測儀，包括由肖特基紫外探測器、溫度傳感器、前置放大電路、模數轉換電路、單片機控制電路和無線發射模塊組成的紫外線指數測量部分和由無線接收模塊、具有雙通訊端口的單片機、計算機和顯示電路組成的紫外指數數據接收部分，由紫外探測器和溫度傳感器測量紫外信號和溫度信號經前置放大器的放大、A/D轉換電路的模數轉換、MCU微處理單元的處理后，通過無線發射模塊實時輸出，再由無線接收模塊實時無線接收，經具有雙通訊端口的單片機分別輸出至計算機和顯示電路，進行測量數據的存儲和顯示。本發明的無線式紫外線指數實時監測儀具有能直接測量的，能無線傳輸，誤差小，成本低，人力省，并能多點測量的特點。
文檔編號G01J1/42GK1828683SQ20061002562
公開日2006年9月6日 申請日期2006年4月12日 優先權日2006年4月12日
發明者莊松林, 瑚琦, 顧鈴娟, 蘇錦文, 王勇 申請人:上海理工大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
