Come costruire un misuratore dell’indice UV

L’estate è sempre divertente, con il sole splendente nel cielo e molte attività all’aperto. Tuttavia, spesso non prendiamo in considerazione i raggi UV invisibili che penetrano nella nostra atmosfera. E dovremmo: questa radiazione può causare il cancro della pelle e altri disturbi dannosi. Molte aziende stanno vendendo dispositivi indossabili e altri apparecchi in grado di misurare le radiazioni UV per avvisarti dei livelli dannosi nella tua zona. In questo articolo vedremo come autocostruire un esposimetro UV, basato sul noto microcontrollore Arduino, che ci consente di misurare le radiazioni UV in tempo reale.

I raggi ultravioletti, noti anche come UV per abbreviare, sono dei raggi emessi dal sole. A causa dell’esaurimento dello strato di ozono, questi raggi tendono oggi a raggiungere livelli estremi che potrebbero portare a scottature solari e cancro della pelle. Ecco perché ormai sono sempre disponibili previsioni giornaliere e orarie del cosiddetto “Indice UV” per aiutare le persone a conoscerlo ed a stare al sicuro. A scopo di monitoraggio, perché non possedere un misuratore UV personale?

Lo scopo dell’indice UV è di aiutare le persone a proteggersi efficacemente dalle radiazioni UV, cosa che ha benefici per la salute perché un eccesso di raggi UV provoca scottature solari, invecchiamento della pelle, danni al DNA, cancro della pelle, immunosoppressione e danni agli occhi come la cataratta. Le organizzazioni di sanità pubblica raccomandano alle persone di proteggersi se trascorrono molto tempo all’aperto quando l’indice UV è 3 o superiore, come vedremo fra poco.

Lo spettro della radiazione ed i vari tipi di raggi ultravioletti (UV).

I raggi ultravioletti si dividono, a seconda dell’intervallo di lunghezze d’onda in cui ricadono, in UV-A  (usati dalle lampade abbronzanti), UV-B (usati dalla torce di “luce nera”) e UV-C (usati per la sterilizzazione, sono assai pericolosi per occhi e pelle, per cui occorre evitare di esservi esposti). L’esposimetro UV di cui presenteremo il progetto in questo articolo è in grado di misurare tutti e tre i tipi di raggi UV, quindi non trova applicazione solo nella misurazione della radiazione UV di origine solare.

Il sole è una fonte dell’intero spettro delle radiazioni ultraviolette, che è comunemente suddiviso in UV-A, UV-B e UV-C. I raggi UV-C sono i più dannosi e sono, per fortuna, quasi completamente assorbiti dalla nostra atmosfera. I raggi UV-B sono i raggi dannosi che causano scottature, ma l’esposizione ai raggi UV-B aumenta anche il rischio di danni al DNA e alle cellule negli organismi viventi. Fortunatamente, circa il 95% dei raggi UV-B sono assorbiti dall’ozono nell’atmosfera terrestre.

La radiazione solare ultravioletta è costituita, per lo più, da raggi UV-A. Distribuzione dell’energia solare in funzione della lunghezza d’onda.

L’Indice UV e la relativa scala di misura

Il cosiddetto “Indice ultravioletto”, o Indice UV, pubblicato ogni giorno da quotidiani e portali meteo, è fondamentalmente un sistema di misurazione standard internazionale per misurare l’intensità della radiazione ultravioletta in un determinato luogo e tempo. Per riportare le informazioni raccolte, una scala dell’indice UV (v. figura) viene utilizzata per determinare quantitativamente il livello di UV. Prima di costruire il nostro misuratore di indice UV, comprendiamo la scala dell’indice UV.

Se il misuratore di scala UV mostra valori di 1-2, la radiazione è a un livello molto sicuro, per cui non necessiti di alcuna protezione. Per un indice UV da 3 a 7 hai bisogno di protezione quando esci: applica una discreta quantità di crema solare sulla pelle esposta e indossa indumenti protettivi, un cappello a tesa larga e occhiali da sole. Un livello di indice UV di 8 o più è molto elevato o estremo. In questo caso, è necessario astenersi dall’andare fuori o dotarsi della protezione necessaria.

La scala dell’indice UV e (sotto) il suo legame con l’altezza del Sole nel cielo.

L’indice UV è progettato come una scala lineare aperta (sviluppata da scienziati canadesi nel 1992, e poi adottata dall’OMS) direttamente proporzionale all’intensità della radiazione UV che provoca scottature sulla pelle umana. Ad es., se un individuo dalla pelle chiara (senza protezione solare o abbronzatura) inizia a scottarsi in 30 minuti all’indice UV 6, allora quell’individuo dovrebbe aspettarsi di scottarsi in circa 15 minuti all’indice UV 12 – il doppio dei raggi UV, e dunque due volte più velocemente.

Lo scopo di misurare l’indice UV in un determinato luogo e in un determinato momento è quello di prevenire li pericoli causati da alti livelli di raggi UV in quanto potrebbe portare a danni. L’indice è misurato anche per guidare le persone a prendere adeguate misure protettive, come l’uso di creme solari, occhiali da sole, cappelli, etc. in una giornata. Di seguito è mostrato un diagramma di protezione UV che tenta di far corrispondere l’indice UV con i dispositivi di protezione adeguati.

Le protezioni da adottare in base al livello dell’Indice UV.

Dalla figura si può vedere che, quando il livello di UV è estremamente alto (ciò può avvenire, tipicamente, nelle ore centrali delle giornate estive, ma potrebbe verificarsi anche in altre circostanze), si consiglia di rimanere in casa. La ragione di ciò è che l’indice UV in casa è, per lo più, pari a zero. Ciò significa che, durante il test del dispositivo che stiamo per costruire, è necessario portarlo all’esterno, poiché il valore dell’Indice UV non cambierà se si esegue il test in ambienti chiusi.

Si noti che, a parità di irradiazione solare, la temperatura non influisce sull’indice UV. Ad esempio, Sacramento e San Francisco hanno una latitudine molto simile. Ma sebbene San Francisco sia molto più fresca d’estate rispetto a Sacramento, l’esposizione ai raggi UV è uguale tra le due città nelle giornate limpide. D’altra parte, l’alta quota riduce la temperatura e al tempo stesso aumenta l’indice UV. Quindi, in montagna fa più fresco ma l’indice UV è più alto a causa dell’altitudine.

Un misuratore di raggi UV in vendita su Internet. Ne puoi trovare diversi qui.

Ciò può causare alle persone scottature solari gravi, poiché non si pensa alla protezione dal sole quando la temperatura è bassa. Ad ogni modo, in primavera o in estate l’angolo dei raggi del sole è più diretto e meno filtrato dalla nostra atmosfera, aumentando così la temperatura e dando un indice UV più elevato. Al contrario, in inverno, fronti e masse d’aria potrebbero fornire una temperatura elevata, ma l’indice UV sarebbe comunque basso a causa dell’angolo dei raggi del sole in quel periodo dell’anno.

Un esposimetro UV “fai-da-te”: i componenti

In questo progetto ti mostrerò come misurare le radiazioni UV usando il sensore UV UVM-30A, una scheda Arduino UNO e un display LCD Nokia 5110 per costruire il tuo esposimetro UV. Per realizzare il progetto e misurare le radiazioni ultraviolette in tempo reale avrai bisogno del seguente materiale:

  • Arduino UNO
  • Modulo LCD Nokia 5110 (SPI)
  • Sensore UVM30A
  • Cavi jumper
  • Breadboard
  • Un LED UV per il test (opzionale)

Il sensore UV UVM30A che useremo per questo tutorial è un sensore analogico a basso costo (a tre pin costituiti da VCC, GND e dall’uscita del segnale analogico), con un’uscita quasi lineare. Ciò significa che l’uscita del sensore aumenta o diminuisce, rispettivamente, con un aumento o una diminuzione proporzionale della radiazione UV. Di seguito è mostrato un grafico dell’uscita del sensore (in mV) rispetto all’indice UV, selezionato dal foglio dati del sensore per descriverne la linearità.

Linearità tra Indice UV e tensione di uscita dal sensore UVM30A (a sinistra). Il sensore può essere acquistato online, ad esempio qui.

Il sensore UV UVM-30A viene utilizzato per rilevare l’intensità della radiazione ultravioletta. Il modulo rileva questa radiazione elettromagnetica e, usando il chip UVM30A, convertirà le lunghezze d’onda corte in segnale digitale per il tuo microcontrollore. È un ottimo sensore anche per dire quanta luce solare stanno ricevendo le tue piante. Ha una tensione di ingresso di 3-5 V, una temperatura di funzionamento di -20-85 °C, e una lunghezza d’onda di risposta di 200-370 nm (UV-A, UV-B e UV-C).

Il Nokia 5110 viene utilizzato come display per il misuratore, per visualizzare l’indice UV. Come suggerisce il nome, questo modulo è stato originariamente sviluppato per essere utilizzato con il telefono cellulare Nokia 5110. Quindi è in grado di visualizzare caratteri alfanumerici, disegnare linee e altre forme e persino visualizzare un’immagine bitmap. Tutto ciò è possibile grazie ai suoi pixel (84 × 48) monocromatici. Esso è facile da usare con microcontrollori di basso livello. Comunica attraverso il protocollo SPI.

Il modulo Nokia 5110 e la relativa piedinatura. Ne puoi trovare vari in vendita ad es. qui.

Il modulo Nokia 5110, che puoi facilmente acquistare online (ad es. qui), ha una libreria prontamente disponibile per Arduino che lo rende ideale anche per i programmatori alle prime armi. Il modulo funziona a 3,3 V, e quindi tutti i pin sono tolleranti solo a 3,3 V in base al datasheet. Puoi anche trovare molti cloni sul mercato con i pad su un solo lato, ma hanno comunque la stessa dimensione, la stessa piedinatura e le stesse funzionalità, quindi non devi preoccuparti della differenza.

Come costruire e testare l’esposimetro UV

Il collegamento dell’LCD N0kia 5110 all’Arduino non è difficile, e potresti averlo già incontrato in altri progetti, includeremo comunque la mappa dei pin in modo da poterlo effettuare facilmente se non lo si è mai fatto prima. Devi cablare tutto come mostrato di seguito in figura. Qui troverai illustrato anche il collegamento del sensore UV ad Arduino. Se usi altri modelli di Arduino, segui la relativa scheda tecnica per il collegamento dei piedini.

Il cablaggio del circuito ed i collegamenti dei piedini.

Il circuito, una volta cablato, sarà simile a quello mostrato più sotto. Una volta che l’hardware è collegato e pronto all’uso, è necessario scaricare la libreria necessaria per Arduino. Scarica innanzitutto il software Arduino IDE, se non lo hai già, e poi la libreria necessaria dal link seguente: Nokia 5110 LCD Library (oppure effettua una ricerca online). Aggiungi la libreria in questione nella cartella delle librerie di Arduino. Dopo il download, aggiungi i file zip della libreria nell’IDE di Arduino.

Se sei un principiante di Arduino e questo è il tuo primo progetto, ti preghiamo di seguire un qualsiasi tutorial online su “Come iniziare con l’IDE di Arduino” prima di scaricare e aggiungere le librerie richieste. Per aggiungere una libreria, vai su Sketch -> Includi libreria -> Aggiungi libreria .Zip. Dopo aver aggiunto la libreria, collega la scheda Arduino al computer e quindi vai su Strumenti -> Scheda -> Seleziona scheda Arduino UNO (o altra scheda se hai optato per una scheda diversa).

Come installare una libreria su Arduino IDE.

Scarica il codice (sketch) per questo progetto da qui. Copia e incolla il codice del progetto sul tuo Arduino, e carica il codice in questione sulla scheda Arduino UNO. Non dimenticare di aggiungere l’interfaccia utente e i file Splash nella cartella dello sketch di Arduino prima di caricare il codice, poiché ciò potrebbe causare errori. I file splash e UI fanno parte dei file nel file .zip scaricato. Dopo aver caricato il codice sulla tua scheda, porta il tuo esposimetro fuori per misurare l’intensità UV nella tua zona.

Una volta caricato il codice, è infatti possibile verificare i livelli UV. Per fare ciò, esponi il sensore alla luce solare (possibilmente in una giornata molto soleggiata e magari a vari orari del giorno), oppure utilizza un LED UV (attenzione: un LED UV “normale”, non occorre un led UV-C!) per esporlo al sensore. L’LCD Nokia inizierà a visualizzare la lettura dal sensore. La parte migliore di questo LCD è che puoi leggere il suo schermo anche alla luce del sole, quindi puoi portarlo con te ogni volta che esci!

Il circuito come appare una volta implementato.

L’operazione di base del codice qui fornito è, semplicemente, quella di leggere il pin analogico 0 (A0) a cui è collegata l’uscita del nostro sensore e convertirlo in mV in modo che possiamo confrontare con i valori nella tabella dell’indice UV e calcolare l’indice UV in quel particolare luogo e tempo. Dopo il calcolo e la determinazione dell’indice UV, l’indice viene visualizzato all’utente tramite il Nokia 5110 LCD. La tabella degli indici UV per il confronto è mostrata nell’immagine seguente.

Tabella degli indici per abbinare l’indice UV alla tensione in mV.