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Mouser 的 STEAMy Summer:第 2 部分

小黑羊 ? 2023-01-05 09:43 ? 次閱讀

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。雖然它可以讓我們在戶外玩更長的時(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)。

紫外線指數(shù) 風(fēng)險(xiǎn)
0.0 至 2.9 低的
3.0 至 5.9 緩和
6.0 至 7.0 高的
8.0 至 10.0 很高
11.0 或更高 極端

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:

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?。?/p>

對于這個(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。

紫外線指數(shù) 提醒每...
低或中等 2小時(shí)
高或非常高 1小時(shí)
極端 30分鐘

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別上進(jìn)行一些設(shè)計(jì)假設(shè)。對于此設(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 嵌入式平臺上運(yùn)行。

數(shù)據(jù)處理、通信電源

對于這個(gè)項(xiàng)目,我們可以利用Arduino MKR1000嵌入式開發(fā)平臺作為大腦,并提供與基于云的存儲的 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。

對于警報(bào),壓電蜂鳴器肯定會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。還需要電阻晶體管來增強(qiáng)蜂鳴器的功率并確保其驅(qū)動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,以防止任何浮動輸入(圖 1)。

pYYBAGOzf3eAeAx2AACSliyT8so599.jpg

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??傊?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。

貿(mào)澤# 描述 數(shù)量
485-1777 光學(xué)傳感器開發(fā)工具 數(shù)字紫外線指數(shù)/紅外線/可見光傳感器 1個(gè)
782-ABX00011 Wi-Fi 開發(fā)工具 (802.11) MKR1000 帶接頭 1個(gè)
485-328 Adafruit 配件鋰離子聚合物電池 3.7V 2500mAh 1個(gè)
810-PS1240P02BT 音頻指示器和警報(bào) Round 12.2mmx6.5mm 4kHz V IN =3V 1個(gè)
612-PV5S24011 按鈕開關(guān) 0-2A 48VDC 關(guān)(開)12mm 黑色圓頂 1個(gè)
512-PN2222ABU 雙極晶體管 - BJT NPN 晶體管通用 1個(gè)
279-CBT25J1K0 碳素電阻 1kΩ 1/4W 250V 1個(gè)
279-CBT25J10K 碳素電阻 10kΩ 1/4W 250V 1個(gè)

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

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