紫外线强度测试仪的设计要点.docx

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紫外线强度测试仪的设计要点

摘要

本设计为基于FPGA（EP2C8Q208C8N）的紫外线强度检测仪的设计，共包括稳压电源、A/D转换电路、按键控制电路、串行通讯电路和液晶显示电路五个部分。

首先通过UVM-30紫外线传感器对紫外线强度进行实时采集，由于UVM-30紫外线传感器模块的标准输出是0-1V电流信号，完全符合我们的采样电压要求，故不需进行信号的放大，可直接送A/D转换电路进行转换，然后经FPGA处理并存放数据，同时将采集的液位送入液晶显示模块进行实时显示。

本系统可通过按键对采集的数据进行保存，方便以后相关专业人士对数据进行分析。

另外，本系统还可通过串行通信电路对数据进行远距离传输。

本系统由于比已有技术中必须通过滤除紫外线以外光线的光电组件成本低，从而达到节省成本并广泛应用的功效。

关键词:

FPGA，UVM-30，紫外线强度检测，液晶显示，串行通信

Abstract

ThisdesignbasedonFPGA（EP2C8Q208C8N）ultravioletlightintensitydetectordesign,includingstabilizedvoltagesupply,A/Dconversioncircuit,pressedkeycontrolcircuit,serialcommunicationcircuitandLCDdisplaycircuitoffiveparts.FirstthroughUVM-30ultravioletsensorsforreal-timeacquisition,uvintensityduetoUVM-30uvsensormoduleinthestandardoutputis0to1vcurrentsignal,samplingvoltagemeetsourrequirementscompletely,sodon'tneedtosignalamplification,canbedirectlytransformedtosendA/Dconversioncircuit,andthenbytheFPGAtoprocessandstoredata,andwillcollectthewaterintoliquidcrystaldisplaymoduleforreal-timedisplay.Thissystemcanthroughthebuttontosavedata,convenientlaterrelatedprofessionalstododataanalysis.Inaddition,thissystemcanalsobethroughtheserialcommunicationcircuitfordatatransmissionoveralongdistance.Duetothissystemthantheexistingtechnologiesmustbethroughthefilterinultravioletlightphotoelectriccomponentsthecostislow,soastoachievecostsavingsandwidelyused.

Keywords:

FPGA,UVM-30,Ultravioletlightintensitydetection,liquidcrystaldisplay（LCD）,serialcommunication

1．绪论

1.1紫外线简介

紫外线是电磁波谱中波长从10nm到400nm辐射的总称，不能引起人们的视觉。

自然界的主要紫外线光源是太阳，太阳光透过大气层时波长短于290nm米的紫外线为大气层中的臭氧吸收掉。

太阳光谱包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等几个波谱范围。

其中到达地球表面的光线为紫外线A，B，可视光线及红外线，但对人体最有影响、最有害的是紫外线，它的简称为UV。

紫外线的应用很广泛，如紫外线杀菌消毒，紫外线理疗，紫外线荧光分析和鉴别侦破，紫外线曝光光刻等。

紫外线的破坏作用在某些场合是非常危险的。

如文物书画，橡胶塑料，在长期照射下会发生老化，紫外线还会伤害眼睛，皮肤和花木等等。

HA-ZQJ-254紫外线强度检测仪能测量各种环境中的紫外线辐照剂量。

1.2紫外线的特点

（1）优点：

A、消毒杀菌；B、促进骨骼发育；C、对血色有益；D、偶尔可以治疗某些皮肤病；E紫外线照射直接影响人体维生素D的合成，不照紫外线就没有足量的维生素D

（2）缺点：

A、使皮肤老化产生皱纹；B、产生斑点；C、造成皮肤炎；D、造成皮肤癌，E，造成皮肤粗糙。

紫外线对健康的危害：

1）免疫功能下降

2）对遗传因子的深度伤害

3）皮肤癌、白内障发病几率增加

4）背后和手脚的色斑癌的发病率增加

5）造成皮肤暗沉、老化、斑点、皱纹

6）癌前病变状态的日光角化症的增加

7）长期照射短波的紫外线可能会引起牙齿痛

另外，紫外线还会促使家具及陈设加速老化褪色。

紫外线照射时，眼睛受伤的程度和时间成正比，与照射源的距离平方成反比，并和光线的投射角度有关。

紫外线强烈作用于皮肤时，可发生光照性皮炎，皮肤上出现红斑、痒、水疱、水肿、眼痛、流泪等；严重的还可引起皮肤癌。

紫外线作用于中枢神经系统，可出现头痛、头晕、体温升高等。

作用于眼部，可引起结膜炎、角膜炎，称为光照性眼炎，还有可能诱发白内障，在焊接过程中产生的紫外线会使焊工患上电光性眼炎（可以治愈）。

近年来，大量化学物质破坏了大气层中的臭氧层，破坏了这道保护人类健康的天然屏障。

据国家气象中心提供的报告显示，1979年以来中国大气臭氧层总量逐年减少，在20年间臭氧层减少了14%。

而臭氧层每递减1%，皮肤癌的发病率就会上升3%。

目前，北京市气象局发布了北京市的紫外线指数，以帮助人们适当预防紫外线辐射。

随着环境的不断恶化以及人们长期使用含氟冰箱导致的对臭氧层的严重破坏，使得紫外线越来越威胁到人们的人身安全和身体健康，紫外线所引起的问题也引起了人们越来越多的重视。

可见，随时随地的了解当地的紫外线指数就显得异常重要，这就为本课题的研究提供了良好的市场前景。

2．系统总体框架设计

2.1研究内容

本文针对紫外线强度检测仪的现状及发展趋势，在阅读了大量文献及资料的基础上，成功设计、调试了一套用于计量紫外线强度的智能低功耗紫外线强度检测仪系统。

它基于UVM-30紫外线传感器模块能直接将光信号转换为能完全满足AD转换电夺信号的基本原理，对外界紫外线强度进行实时临控，用液晶显示实际采样值，关且包含有强度过高报警装置。

系统共包括稳压电源、UVM-30紫外线传感器模块、A/D转换电路、按键控制电路、液晶显示电路、RS232串行通讯电路和FPGA控制电路。

主要研究内容有以下几点：

（1）12位的高精度A/D转换器，分辩力达到1mV

（2）高精度稳压电源：

3.3V和1.2V

（3）点阵式液晶显示器的实时显示

（4）精准的超标越限报警电路

（5）串行通讯电路的设计

2.2课题分析

课题任务：

设计一个基于基于UVM-30紫外线传感器模块的紫外线强度检测仪。

基本要求：

1、设计一个12位的A/D转换电路，要求转换精度达到1mV以上；

2、设计一个3.3V和一个1.2V的高精度稳压电源；

3、读数由8位点阵式液晶显示器实时显示；

4、有超标越限报警功能；

5、包含串行通讯电路。

课题任务分析：

课题中的紫外线强度检测仪运用UVM-30紫外线传感器模块进行外界紫外光的信号采集，查询UVM-30紫外线传感器模块相关资料可知，其输出电压为0-1V，可对其输出信号直接接入AD中进行数据转换；高精度称压电源可通过DC-DC集成芯片实现；可外扩液晶显示器1602实时显示采样数值；超标越限报警功能可通过外扩蜂鸣器实现；而UART（串行通信）功能可通过对FPGA的软件编程实现。

2.3系统结构框图的总体设计

本电路的设计包括电源模块、UVM-30紫外线传感器模块、A/D转换模块、按键控制模块、LCD显示模块、串行通讯模块、FPGA中央核心处理模块，由传感器采集数据，然后经A/D转换变为数字信号输送给FPGA进行处理并在LCD上显示出当前的采样值，并且备有串行通讯功能。

系统总体设计结构框图如图1所示：

图1系统总体结构框图

2.4研制过程

1.系统设计——通过查阅资料和书籍，结合自身的电路知识设计出各个模块的具体电路图。

2.画电路原理图——利用AltiumDesigner6.9将设计的原理图画出，并进一步制作成PCB，为以后的。

3.FPGA程序的编写——了解FPGA（EP2C8Q208C8N）的内部资源，利用C语言进行编程。

4.程序的调试和烧录——取得印制电路板后，把器件按图正确的焊接在PCB板上，然后将程序烧录进FPGA中并进行系统电路的调试。

5.硬件焊接——考虑到系统的稳定性及美观等条件，硬件焊接在PCB面包板上。

2.5其他说明

系统分为硬件部分和软件部分。

本论文给出了相关芯片的概略资料，主要介绍软件设计思路，及概略介绍了硬件设计流程。

3．相关芯片知识介绍

3.1UVM-30紫外线传感器模块简介

特点：

专为需要高可靠性和精确性测量紫外线指数（UVI）的场合所设计；

适合测量太阳光紫外线强度总量；

对照世界卫生组织紫外线指数分级标准

检测UV波长:

200-370nm；

响应极快、全互换性；

采用具有专利的固体聚合物构造、防水防尘易清洗；

线性电压信号输出；

小尺寸，适用于移动电话等便携产品；

典型应用：

紫外线测试仪

紫外线指数计（UVIndexMeter）

户外阳光紫外线监测设备

杀菌灯设备

火焰探测

其电气参数如表1所示：

表1UVM-30紫外线传感器模块电气参数

由上表我们可知：

UVM-30紫外线传感器模块的标准输出电压为0-1V，无须进行电压放大处理便可以直接送到模数芯片中，进行AD转换。

典型响应曲线

其典型响应曲线（左图）及紫外线指数和标准输出电压值间关系表（右）如图3所示。

图2典型响应曲线及标准输出电压值

3.2AMS1085-3.3相关资料

概述

AMS1085是一款正电压输出的低压降三端线性稳压电路，在3A输出电流下压降为1.18V。

AMS1085分为两个版本：

固定电压输出版本和可调电压输出版本，固定输出电压为1.5V，1.8V，2.5V，3.3V和5.0V，电压精度为1%。

AMS1085内部有过热保护和限流电路，适用于各类电子产品。

特点：

a.低压差：

3A输出电流时仅为1.18V

b.限流电流：

4.5A

c.过热保护功能

d.线性调整率：

0.015%（可调版本：

典型值）

e.负载调整率：

0.1%（可调版本：

典型值）

f.温度范围：

0~125°C

g.固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5.0V,电压精度为1％

图3内部框图

表2极限参数

表3推荐工作条件

图4AMS1085管脚排列图

表4AMS1085管脚描述

功能描述：

AMS1085是一个低压差调整器，它的稳压调整管是由一个PNP驱动的NPN管组成的，电压差定义为：

VDROP=VBE+VSAT.

AMS1085有固定和可调两个版本可用，输出电压可以是：

1.5V、1.8V、2.5V、3.3V和5.0V。

片内过热切断电路提供了过载和过热保护。

为了确保AMS1085的稳定性，需要一个至少22μF的输出电容。

电容值可以根据实际应用的需要随输出负载和温度变化而改变。

通常，线性调整器的稳定性随着输出电流增加而减少。

3.3AMS1117相关资料

概述：

AMS1117是一个正向低压降稳压器，在1A电流下压降为1.2V。

AMS1117有两个版本:

固定输出版本和可调版本,固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V,具有1％的精度；固定输出电压为1.2V的精度为2%。

AMS1117内部集成过热保护和限流电路,是电池供电和便携式计算机的最佳选择。

特点：

a.固定输出电压为1.5V1.8V2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V和可调版本，具有1％的精度.

b.固定输出电压为1.2V的精度为2％

c.低漏失电压：

1A输出电流时仅为1.2V

d.限流功能

e.过热切断

f.温度范围：

-40C~125C

典型应用

1.膝上型电脑，掌上电脑和笔记本电脑

2.电池充电器

3.SCSI-II主动终端

4.移动电话

5.无绳电话

6.电池供电系统

7.便携式设备

8.SMPS波斯特稳压器

其内部结构框图如图所示：

图5　AMS1117内部结构框图

表5极限参数

注：

最大允许功耗是最大工作结温TJ（max），结对空热阻θJA和环境温度Tamb的函数。

最大允许功耗在给定的环境温度下，PD（max）=（TJ（max）-Tamb）/θJA，超过最大允许功耗会导致芯片温度过高，调整器因此会进入到过热切断状态。

不同封装的结对空热阻θJA是不同的，由封装技术决定。

表6推荐工作条件

图6管脚排列图

表7管脚描述

功能描述：

AMS1117是一个低漏失电压调整器,它的稳压调整管是由一个PNP驱动的NPN管组成的,漏失电压定义为：

VDROP=VBE+VSAT。

AMS1117有固定和可调两个版本可用，输出电压可以是：

1.2V，1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V，和5.0V。

片内过热切断电路提供了过载和过热保护,以防环境温度造成过高的结温。

为了确保AMS1117的稳定性,对可调电压版本,输出需要连接一个至少22μF的钽电容。

对于固定电压版本，可采用更小的电容，具体可以根据实际应用确定。

通常，线性调整器的稳定性随着输出电流增加而降低。

典型应用电路图：

图7典型固定输出电压

图8典型可调输出电压

3.4MAX232相关资料

概述：

MAX220-MAX249系列线驱动器，专为EIA/TIA-232E心脏V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供+12V电源的应用。

这些器件特别适合电池供电系统，这是由于其低功耗关断模式可以将功耗减小到5uW以内。

MAX225、MAX233、MAX235、以及MAX245/MAX246/MAX247不需要外部元件，推荐用于印刷电路板面积有限的应用。

内部结构基本可分三个部分：

第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。

15脚DNG、16脚VCC（+5v）。

特点：

1．对于低电压、集成ESD保护的应用

MAX3222E/MAX3232E/MAX3237E/MAX3241E/MAX3246E：

+3.0V至+5.5V、低功耗、速率高达1Mbps、利用四个0.1μF电容实现真正的RS-232收发器（MAX3246E提供UCSPTM封装）

2．对于低成本应用

MAX221E：

±15kVESD保护、+5V、1μA、具有AutoShutdownTM功能的单芯片RS-232收发器。

应用：

a.便携式计算机

b.低功耗调制解调器

c.接口转换

d.电池供电RS-232系统

e.多点RS-232网络

引脚定义：

图9RS232（DB9）引脚定义:

1：

DCD:

载波检测。

主要用于Modem通知计算机其处于在线状态，即Modem检测到拨号音，处于在线状态。

2：

RXD:

此引脚用于接收外部设备送来的数据；在你使用Modem时，你会发现RXD指示灯在闪烁，说明RXD引脚上有数据进入。

3：

TXD:

此引脚将计算机的数据发送给外部设备；在你使用Modem时，你会发现TXD指示灯在闪烁，说明计算机正在通过TXD引脚发送数据。

4：

DTR:

数据终端就绪；当此引脚高电平时，通知Modem可以进行数据传输，计算机已经准备好。

5：

GND:

信号地；此位不做过多解释。

6：

DSR:

数据设备就绪；此引脚高电平时，通知计算机Modem已经准备好，可以进行数据通讯了。

7：

RTS:

请求发送；此脚由计算机来控制，用以通知Modem马上传送数据至计算机；否则，Modem将收到的数据暂时放入缓冲区中。

8：

CTS:

清除发送；此脚由Modem控制，用以通知计算机将欲传的数据送至Modem。

9：

RI:

Modem通知计算机有呼叫进来，是否接听呼叫由计算机决定。

3.5AD7862相关资料

特点：

两个快速12－bitADC,4输入通道,同时取样和转化,4us吞吐时间,单电源供电,可选的输入电压范围：

+10VAD7862-10；+2.5VAD7862-3；0-2.5VAD7862-2。

高速并行接口，低能耗60mW，省电模式50uW，对模拟输入有过电压保护，与14位的升级AD（AD7863）兼容。

应用：

AC电动机控制，连续电压供应，数据采集系统，通信。

简要描述：

AD7862是一个高速，低功耗，双12位的A/D转换，单+5V供电。

它包含两个4us的延时的ADC,两个锁存器，一个内部的+2.5V参考电压和一个高速并行输出端口。

有四个模拟输入通道，分为两组，由A0选择。

每一组通道有两个输入（VA1&VA2orVB1&VB2），它们能同时的被采样和转化，保存相对的信号信息。

它可以接受+10v的输入电压范围（AD7862-10），+2.5（AD7862-3）和0-2.5v（AD7862-2）。

对模拟电压输入，具有过电保护功能，相对地，允许输入电压到达+17v，+7v，+7v，而不会造成损害。

一个单独的转换开始信号（/convst）,同时连接在两个锁存器上，可以同时对两路信号开始转化。

BUSY信号，表明转换结束。

这时，两个通道的转换结果可以读出。

在转换完后的第一个读的结果是VA1或VA2通道的数据，第二个读的结果是VA2或VB2通道的数据。

这由选择信号A0是低或高来决定。

当/CS和/RD信号有效时，数据从一个12位的并行数据总线读出。

它遵循传统的dc精确度规定，例如线性，满量程，偏移误差。

它同样还有动态的性能参数，包括谐波失真和信号噪声比率。

图10AD7862功能模块图

ad7862由模拟器件构成，与coms工艺兼容。

在低电压cmos逻辑双极性电路中，这种混合的技术联合使得它更加精确。

它时28脚封装，DIP,SSOP,SOIC。

其中，DIP封闭形式如图11所示，其引脚说明如表8所示：

图11AD7862（DIP）

1

2

3-6

7

8

9-15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

NC

DB11

DB10-DB7

DGND

/CONVST

DB6-DB0

AGND

VB2

VA2

VREF

A0

/CS

/RD

BUSY

VDD

VA1

VB1

AGND

NC

没有连接

数据位11（MSB）。

三态TTL输出。

输出的代码是二进制的补码对AD7862-10,AD7862-3.输出的代码是直接的二进制的是AD7862-2

数据位10—数据位7，三态TTL输出

数字地，数字电路的参考地

转换开始信号，逻辑输入，这个管脚的电平从高到低的变化，两个锁存器将锁存信号，并且对两个通道开始转换

数据位6—数据位0,三态TTL输出

模拟地，锁存和选通的的参考地，DAC电路的参考地

B通道的2号输入管脚，+10v的输入电压范围（AD7862-10），+2.5（AD7862-3）和0-2.5v（AD7862-2）

A通道的2号输入管脚，+10v的输入电压范围（AD7862-10），+2.5（AD7862-3）和0-2.5v（AD7862-2）

参考输入和输出。

这个管脚和内部的参考电压通过一系列的电路相连，也是模数转换的的输出参考源。

表面上的参考电压是2.5v，并且显示在管脚上

多路选择，这个管脚和/RD/CS的有效用来数据的输出使能。

A0为低的话，转化后的读的数据是VA1VA2

A0为高的话，读的数据是来自VB1,VB2。

芯片的片选，逻辑低有效，当它有效时芯片被选中

读输入，低逻辑输入有效。

这个管脚和A0/CS一起用来使输出数据有效。

A0为低的话，转化后的读的数据是VA1VA2

A0为高的话，读的数据是来自VB1,VB2。

忙输出。

在/CONVST的下降沿被触发为高电平，并且保持高直到转换完成。

模拟和数字正电压，+5.0v+5％

A通道的1号输入管脚，+10v的输入电压范围（AD7862-10），+2.5（AD7862-3）和0-2.5v（AD7862-2）

B通道的1号输入管脚，+10v的输入电压范围（AD7862-10），+2.5（AD7862-3）和0-2.5v（AD7862-2）

模拟地，锁存和选通的的参考地，DAC电路的参考地

没有连接

表8AD7862引脚说明

AD7862的特点是有两个ADC功能，允许同时采样和转化两个通道的模拟量。

每一个ADC有两个输入通道。

对每一个通道的转化结果在开始转化后的3.6us后是有效的。

AD7862由单+5v电压供电，功率为60mW。

具备自动的节电功能，一旦转换完成，它能自动进入节电模式工作，并且在下一次开始转换时唤醒，这使得电源的利用较理想，应用方便。

它提供一个高速的并行的输出端口，从而很容易和微处理器或数字信号处理器相连

它提供三种形式的芯片，根据不同的模拟输入电压。

AD7862-10提供标准的工业输入电压范围为-10v--+10v，AD7862-3提供普通的信号处理输入电压范围为-2.5v--+2.5v，而AD7862-2只能用在单极性的电压范围0—2.5v的应用。

它的延时非常短，可以匹配两个输入锁存器的速度

信号噪声比

这是衡量A/D转换输出时的信号噪声比率的。

信号的基本特征是幅度。

除直流之外，噪声是所有的不是采样信号的剩下信号的一半。

比率由数字处理过程中的量化水平的数目来决定。

量化水平越高，噪声越小。

对一个理想的n位的A/D转换，当正弦波输入时，理论上的信号比率（噪声+失真）为：

因而对一个12位的A/D转换，它是74db总的谐波失真。

总的谐波失真（THD）是总的谐波和有用信号的比率。

对于AD7862，它被定义如下：

这里V1是信号的幅度，V2V3V4和V5是从第二