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、技術、工程、藝術和數學）主題的資源，以便他們可以通過基于項目的學習培養嵌入式電子技能。這次讓我們深入研究并設計和編碼一個特定的項目。不要覺得必須完全按照描述使用這個項目，而是將其作為您想象力的起點，并幫助您向嶄露頭角的培訓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，因為這個季節意味著漫長的日子和陽光下的戶外樂趣。這種強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，它也會導致嚴重的副作用，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險，但記住在假期或悠閑嬉戲期間這樣做可能是一個挑戰，尤其是對孩子們而言。在秋季和冬季，類似的做法在白天經歷持續陽光的環境中很重要。

但是，如果我們可以監控我們的紫外線照射并在必須采取安全預防措施時觸發提醒，會怎樣呢？這就是我們將在這個項目中探索的內容。但首先，讓我們討論科學！

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了非常小的頻帶。它的兩側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。這大致轉化為從 3x10 16到 8x10 14 Hz 的頻率范圍。紫外線進一步分為三個波段：

UVA 或近紫外線 (315–400nm)

UVB 或中紫外線 (280–315nm)

UVC 或遠紫外線 (180–280nm)

從健康的角度來看，UVA 和更重要的是 UVB 是令人擔憂的頻率。UVC 會被大氣吸收，因此不必擔心。導致與紫外線照射相關的健康風險的因素包括美國癌癥協會列表中的以下幾點：

一天中的時間：上午 10 點到下午 4 點之間紫外線最強。

季節：春季和夏季的紫外線更強。這在赤道附近的影響較小。

距赤道的距離（緯度）：離赤道越遠，紫外線照射就越低。

海拔：更多的紫外線到達更高海拔的地面。

云層：云層的影響各不相同。有時，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。

紫外線指數是一種向人們傳達給定地點和時間的紫外線暴露風險的數字方式（表 1）。該索引由以下增量組成：

表 1：紫外線指數使用數字系統表示風險。

檢查紫外線指數作為每日天氣更新的一部分可以幫助您準備采取必要的預防措施，例如限制您的戶外時間和為暴露的皮膚涂抹足夠的防曬霜。

這個概念

現在，我們對紫外線輻射為何危險的原因有了更多的了解。減少暴露在紫外線下的時間并確保持續涂抹防曬霜是在陽光下保持安全的關鍵。考慮到這一點，讓我們充實一些在這個項目中應用的要求和行動：

檢測隨時間推移的紫外線輻射量。

確定暴露是否超過了預先指定的限制。

創建一個有趣且異想天開的警報，以在超過 UV 暴露限制時通知用戶。

為曝光計數創建一個重置。

確保設備由電池供電。

將曝光數據發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！）

對于這個項目，我們將建立以下警報間隔（表 2），每分鐘讀取一次讀數，并保持 UV 指數的運行平均值。如果平均值在給定時間段內超過這些水平，則應觸發警報。

表 2：此 UV 指數表顯示了我們項目的警報間隔。

該設計

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行一些設計假設。對于此設計，我們假設需要以下五個功能塊來滿足我們的要求：

紫外線檢測

數據處理

數據傳輸至云端

用戶界面

力量

現在我們已經為您的項目確定了一個高級架構，讓真正的樂趣開始吧。首先，訪問Mouser.com并開始搜索滿足該項目需求并可納入您的電路設計的部件。為了幫助您入門，貿澤為該項目推薦了以下部分內容：

紫外檢測

Silicon Labs生產了一種集成電路，可以用作紫外線傳感器。Si1145提供了一個方便的 I2C 串行接口，可以觸發遙測到微控制器以進行進一步的分析和操作。貿澤備有 Adafruit 485-1777分線板 (BOB)，它利用 Si1145 使 UV 監視器面包板變得友好。方便的是，此 BOB 包含電平轉換器，使其能夠在 3.3 和 5V 嵌入式平臺上運行。

數據處理、通信和電源

對于這個項目，我們可以利用Arduino MKR1000嵌入式開發平臺作為大腦，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 3.7V 鋰聚合物 (Li-Po) 電池供電。

將多個功能整合到一個組件中是一把雙刃劍。一方面，它減少了您的零件數量，并且故障排除更少，因為我們可以假設所有板載組件都經過了制造商的測試。另一方面，如果（例如）您希望使用藍牙而不是 Wi-Fi 進行通信，那么您還需要考慮這種變化將如何影響數據處理和電源功能。在設計產品時，工程權衡始終是一個現實。這是一個簡單的示例，但您可以想象，隨著組件數量和需求復雜性的增加，問題將會擴大。

另一件需要考慮的事情是 MKR1000 在 3.3V 下運行，而許多其他開發板（尤其是那些不是專門為電池或移動應用而構建的）往往在 5V 下運行。如果您確實修改設計以包含不同的組件，請確保它們兼容 3.3V。

用戶界面

用戶界面將包括從系統到用戶的輸出以及從用戶到系統的輸入。輸出將用作 UV 閾值警報，通知用戶已達到閾值。輸入將是一種讓用戶確認警報并重置系統的方法。

對于警報，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 ，因為它的工作電壓為 3V。還需要電阻和晶體管來增強蜂鳴器的功率并確保其驅動足夠的電流以使蜂鳴聲明顯。

要在觸發警報后重置設備，您可以使用常開 (NO)瞬時按鈕。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）。

圖 1：項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。總之，表 3列出了該項目的物料清單 (BOM) ：

表 3：這是我們的紫外線監控器和警報項目的 BOM。

您可以單擊此處將所有這些部件添加到您的貿澤購物車。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。

現在就這些了，但請記得回來查看第 3 部分，屆時我們將完成為您的紫外線 (UV) 監測器和警報項目構建電路和編程 Arduino MKR1000 的每一步，以便您和您年輕有抱負的工程師可以保護當你外出享受陽光時，你的家人。

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