Mouser German Blog

Willkommen zu Teil 2 unserer MINT-Sommer-Blogserie. In Teil 1 sprachen wir über die Ressourcen, die Eltern und Kindern zur Verfügung stehen, um MINT-Themen (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik) zu erforschen und durch projektbasiertes Lernen praktische Erfahrungen mit eingebetteter Elektronik zu sammeln. In diesem Teil wollen wir uns etwas genauer mit diesem Thema beschäftigen und ein spezifisches Projekt entwickeln und programmieren. Sie müssen dieses Projekt nicht genau so zu umsetzen, wie es beschrieben wird, sondern können es als Ausgangspunkt für Ihre eigenen Ideen verwenden und Ihrem Nachwuchsingenieur mithilfe des Projekts den Entwicklungsprozess erklären.

Die Sonne genießen

Der Herbst steht vor der Tür und viele von uns werden in den nächsten Monaten den Sommer, die langen Tage und den Spaß im Freien in der Sonne vermissen. Dieser Sonnenschein kann aber gleichzeitig ein Segen und ein Fluch sein. Wir können zwar dadurch länger im Freien spielen, aber wenn wir zu viel ultravioletter (UV) Strahlung ausgesetzt sind, kann die intensive Sonneneinstrahlung auch unangenehme Nebenwirkungen wie Sonnenbrand haben oder (im schlimmsten Fall) Hautkrebs verursachen.

In den warmen bis heißen Frühlings- und Sommermonaten kann das regelmäßige Auftragen von Sonnenschutzcremes und Pausen im Schatten dazu beitragen, diese Risiken zu verringern. Aber mitten im Urlaub oder beim fröhlichen Herumtoben kann dies insbesondere für Kinder eine große Herausforderung sein. Im Herbst und Winter sollten wir uns in Umgebungen, in denen tagsüber ständig die Sonne scheint, ähnlich verhalten.

Was wäre jedoch, wenn wir unsere UV-Belastung überwachen und automatisch eine Warnung auslösen könnten, wenn Sicherheitsvorkehrungen notwendig werden? Dies wollen wir in diesem Projekt genauer untersuchen. Dazu schauen wir uns zunächst einmal die wissenschaftliche Seite an!

Sichtbares Licht, also das Licht, das wir mit unseren Augen wahrnehmen können, besitzt ein sehr kleines Frequenzband im Vergleich zum größeren elektromagnetischen Spektrum. Es wird bei den extrem niedrigen Frequenzen von Radiowellen und bei den extrem hohen Frequenzen von Gammastrahlen flankiert. Knapp oberhalb der Frequenzen, die unsere Augen wahrnehmen können, befindet sich das UV-Licht. UV-Licht hat Wellenlängen, die von 180 bis 400 nm reichen. Das entspricht in etwa Frequenzen von 3x10¹⁶ bis hinunter zu 8x10¹⁴Hz. UV-Licht wird weiter in drei Bänder unterteilt:

• UVA oder nahes UV (315-400 nm)
• UVB oder mittleres UV (280-315 nm)
• UVC oder fernes UV (180-280 nm)

Aus gesundheitlicher Sicht sind UVA und insbesondere UVB die besorgniserregenden Bereiche. UVC wird von der Atmosphäre absorbiert und stellt daher unter gesundheitlichen Aspekten ein weniger großes Risiko dar. Die American Cancer Society listet folgende Faktoren auf, die zu den Gesundheitsrisiken im Zusammenhang mit UV-Belastung beitragen:

• Tageszeit: Die UV-Strahlung ist zwischen 10 Uhr und 16 Uhr am stärksten.
• Jahreszeit: Die UV-Strahlung ist in den Frühlings- und Sommermonaten am stärksten. In Äquatornähe ist dieser Faktor weniger stark ausgeprägt.
• Entfernung vom Äquator (Breitengrad): Die UV-Belastung nimmt ab, je weiter man sich vom Äquator entfernt.
• Höhe: In höheren Lagen erreichen mehr UV-Strahlen den Boden.
• Wolken: Die Wirkung von Wolken kann variieren. Manchmal blockiert eine Wolkendecke einen Teil der UV-Strahlung der Sonne und reduziert dadurch die UV-Belastung. Einige Wolkenarten können UV-Strahlen jedoch reflektieren und die UV-Belastung erhöhen.

Der UV-Index ist ein normiertes Maß, um den Menschen das Risiko der UV-Belastung für einen bestimmten Ort und eine bestimmte Zeit zu verdeutlichen (Tabelle 1). Der Index ist wie folgt unterteilt:

Tabelle 1: Der UV-Index gibt das Risiko mit Hilfe eines numerischen Systems an.

Wenn Sie den UV-Index täglich zusammen mit Ihrem Wetterbericht prüfen, können Sie sich besser auf die erforderlichen Vorsichtsmaßnahmen vorbereiten, wie z. B. die Begrenzung der Zeit im Freien und das Auftragen eines geeigneten Sonnenschutzes auf die Haut.

Das Konzept

Wir wissen jetzt ein wenig mehr darüber, warum UV-Strahlung gefährlich sein kann. Der Schlüssel zur Sicherheit in der Sonne liegt also darin, die Zeit der UV-Belastung zu verkürzen und sicherzustellen, dass der Sonnenschutz konsequent aufgetragen wird. Schauen wir uns dazu einige der Anforderungen und Maßnahmen an, die wir bei diesem Projekt beachten müssen:

• Die Höhe der UV-Strahlungsbelastung im Zeitverlauf ermitteln.
• Feststellen, ob eine Strahlungsbelastung einen vordefinierten Grenzwert überschritten hat.
• Einen auffälligen und lustigen Alarm erstellen, der den Benutzer benachrichtigt, wenn ein UV-Belastungsgrenzwert überschritten wird.
• Ein Reset für den Wert der UV-Strahlungsbelastung erstellen.
• Sicherstellen, dass das Gerät batteriebetrieben ist
• Die Daten der UV-Strahlungsbelastung zur weiteren Analyse an die Cloud senden. (Hinweis: Dieser Schritt ist sinnvoll, um Kindern das Lesen von Diagrammen und Grafiken beizubringen!)

Für dieses Projekt legen wir die folgenden Alarmintervalle fest (Tabelle 2), erfassen jede Minute einen Messwert und bilden einen laufenden Mittelwert des UV-Index. Wenn der Mittelwert diese erfassten Werte in einem bestimmten Zeitraum überschreitet, dann soll dies einen Alarm auslösen.

Tabelle 2: Diese UV-Index-Tabelle zeigt die Alarmintervalle für unser Projekt.

Der Entwurf

Anhand der Anforderungen, die wir aufgelistet haben, können wir damit beginnen, auf einer übergeordneten funktionalen Ebene einige Entwurfsannahmen zu treffen. Für diesen Entwurf nehmen wir an, dass die folgenden fünf Funktionsblöcke notwendig sind, um unsere Anforderungen zu erfüllen:

• Messung der UV-Strahlung
• Datenverarbeitung
• Datenkommunikation mit der Cloud
• Benutzerschnittstelle
• Stromversorgung

Wir haben nun eine High-Level-Architektur für unser Projekt festgelegt, jetzt kann der Spaß richtig losgehen. Gehen Sie zunächst auf Mouser.com und suchen Sie nach Bauteilen, die die Anforderungen für dieses Projekt erfüllen und die in Ihren Schaltkreisentwurf integriert werden können. Als Starthilfe finden Sie hier einige Teile, die Mouser für dieses Projekt vorschlägt:

Messung der UV-Strahlung

Silicon Labs bietet einen integrierten Schaltkreis an, der als UV-Lichtsensor fungieren kann. Der Si1145 verfügt über eine komfortable serielle i2C-Schnittstelle, mit der Telemetriedaten an einen Mikrocontroller zur weiteren Analyse und Aktion ausgelöst werden können. Mouser führt das Breakout-Board (BOB) 485-1777 von Adafruit, bei dem der Si1145 verwendet wird, um die UV-Überwachung Breadboard-freundlich zu gestalten. Praktischerweise besitzt dieses BOB auch Level-Shifter, so dass es sowohl mit 3,3- als auch mit 5-V-Embedded-Plattformen betrieben werden kann.

Datenverarbeitung, Kommunikation und Stromversorgung

Für dieses Projekt können wir die eingebettete Entwicklungsplattform Arduino MKR1000 als Kernelement nutzen und eine WLAN-Verbindung zu Cloud-basierten Speichern bereitstellen. Dieses Board verfügt außerdem über einen JST-Steckverbinder, mit dem es über eine einzellige 3,7-V-Lithium-Polymer-Batterie (Li-Po) mit einer Mindestkapazität von 700 mAh mit Strom versorgt werden kann.

Das Bündeln mehrerer Funktionen in einer einzigen Komponente ist ein zweischneidiges Schwert. Einerseits reduziert sich dadurch die Anzahl der Bauelemente, und es gibt weniger Probleme bei der Fehlersuche, da wir davon ausgehen können, dass alle integrierten Komponenten vom Hersteller getestet wurden. Auf der anderen Seite ist jedoch zu bedenken: Wenn Sie beispielsweise Bluetooth anstelle von WLAN für die Datenkommunikation verwenden möchten, müssen Sie auch die Auswirkungen dieser Änderung auf die Datenverarbeitungs- und Stromversorgungsfunktionen berücksichtigen. Technische Kompromisse gehören beim Entwurf eines Produkts immer zur Realität. Dies ist ein einfaches Beispiel, aber Sie können sich vorstellen, dass die Probleme mit der Anzahl der Komponenten und der Komplexität der Anforderungen zunehmen werden.

Außerdem sollten Sie berücksichtigen, dass der MKR1000 mit 3,3V arbeitet, wohingegen viele andere Entwicklungsplatinen (insbesondere solche, die nicht speziell für Batterie- oder mobile Anwendungen gebaut wurden) in der Regel mit 5V betrieben werden. Wenn Sie Änderungen am Entwurf vornehmen, damit verschiedene Komponenten einbezogen werden, sollten Sie daher sicherstellen, dass diese Komponenten 3,3V-kompatibel sind.

Benutzerschnittstelle

Die Benutzerschnittstelle umfasst sowohl die Ausgabe aus dem System an den Benutzer als auch die Eingabe des Benutzers in das System. Die Ausgabe soll als UV-Grenzwertalarm dienen, der den Benutzer darüber informiert, dass der Grenzwert erreicht wurde. Die Eingabe ist eine Möglichkeit, mit der der Benutzer den Alarm bestätigen und das System zurücksetzen kann.

Die Ausgabe des Alarms erfolgt über einen piezoelektrischen Summer, der die Aufmerksamkeit aller Personen in der Nähe erregt. Als Summer eignet sich der PS1240P02BT von TDK Corporation, da er mit 3V arbeitet. Ein Widerstand und ein Transistor sind ebenfalls erforderlich, um sicherzustellen, dass der Summer mit genügend Strom versorgt wird und die Lautstärke zu erhöhen.

Wenn ein Alarm ausgelöst wurde, können Sie das Gerät mit einem Schließtaster zurücksetzen. Der Taster wird über einen Pulldown-Widerstand geerdet, der mit dem GPIO-Pin (GPIO = General Purpose Input/Output) des Mikrocontrollers verbunden ist, um potenzialfreie Eingänge zu verhindern (Abbildung 1).

Abbildung 1 So sieht die Schaltung für das Projekt aus. (Quelle: Autor)

Wenn wir alles zusammengesetzt haben, ist der letzte Schaltkreis komplett, wie oben dargestellt. In Tabelle 3 ist die Stückliste für dieses Projekt dargestellt:

Tabelle 3:  Stückliste für unser „Projekt zur Überwachung der UV-Strahlungsbelastung und Alarmausgabe“.

Sie können hier klicken, um alle diese Teile in Ihren Mouser-Warenkorb zu legen.  Vergessen Sie nicht, den letzten Artikel dieser Blog-Serie zu lesen. Dort zeigen wir Ihnen, wie die Schaltung verdrahtet und der Code geschrieben wird.

Das war's für den Moment. Denken Sie aber an Teil 3, in dem wir die einzelnen Schritte zum Aufbau der Schaltung und zur Programmierung des Arduino MKR1000 für Ihr Projekt zur Überwachung der UV-Strahlungsbelastung und Alarmausgabe durchgehen. Damit können Sie gemeinsam mit Ihrem jungen Nachwuchsingenieur Ihre Familie schützen, wenn Sie draußen in der Sonne unterwegs sind.