Wie ein UV-Strahlen Messgerät selbst gebaut werden kann

Endlich sind die Tage wieder länger und ich freue mich, das derzeit fast täglich die Sonne so oft zu sehen ist. Das hebt die Stimmung und macht Lust bei jeder sich bietenden Gelegenheit sich draußen aufzuhalten. Gerne im Schatten, aber selbst da, mit zusammen gekniffen Augen und ohne Sonnencreme, zeigt meine Haut schnell eine rötliche Verfärbung. Es sind die unsichtbare Sonnenstrahlen, auf die der menschliche Körper reagiert, die sogenannten UV-Strahlen. Was ich aber nicht sehen kann, kann ich vielleicht eventuell aber messen.

Schnell ist also die Idee geboren, daraus ein DIY Bastelprojekt zu machen, um mir anzeigen zu lassen, wie intensiv die Strahlenbelastung ist und entsprechende Schutzmaßnahmen zu ergreifen.

Um einen passenden Sensor zu finden, habe ich mich damit auseinandergesetzt, in welchen Wellenbereich dieses UV Licht liegt.

Ultraviolettes (UV) Licht ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, das von der Sonne ausgesendet wird. Es liegt oberhalb des sichtbaren Lichts und umfasst Wellenlängen zwischen 100 und 400 Nanometern.

Bildquelle: Wikipedia

Ultravioletter Strahlung wird in die drei Haupttypen UV-A, UV-B und UV-C unterteilt, die sich basierend auf ihrer Wellenlänge und ihrer Wechselwirkung mit der Erdatmosphäre und der menschlichen Haut unterscheiden. Hier ist eine Unterteilung der drei Arten von UV-Strahlung:

UV-Licht kann sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf den Menschen haben und spielt eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen, von der Gesundheit bis zur Technologie.

Vorteile von UV-Licht für den Menschen:

Vitamin-D-Synthese: UV-B-Strahlung ermöglicht die Produktion von Vitamin D in der Haut. Dieses Vitamin ist wichtig für die Aufrechterhaltung der Knochengesundheit und spielt eine Rolle bei der Abwehr von Krankheiten.
Stimmungsverbesserung: UV-Licht kann die Freisetzung von Endorphinen im Gehirn stimulieren und dadurch die Stimmung verbessern. Es wird oft als wirksame Behandlung für saisonale affektive Störungen (SAD) eingesetzt.
Desinfektion: UV-C-Strahlung wird häufig zur Desinfektion von Wasser, Luft und Oberflächen eingesetzt. Sie kann Bakterien, Viren und andere Mikroorganismen abtöten, ohne den Einsatz von Chemikalien zu erfordern.

Nachteile von UV-Licht für den Menschen:

Sonnenbrand und Hautkrebs: Übermäßige Exposition gegenüber UV-Strahlung kann zu Sonnenbrand führen, der die Haut schädigt und das Risiko von Hautkrebs erhöht. Langfristige Exposition gegenüber UV-Licht ohne angemessenen Schutz kann zu vorzeitiger Hautalterung führen.
Augenschäden: UV-Strahlung kann auch die Augen schädigen, insbesondere die Hornhaut und die Linse. Langfristige Exposition gegenüber UV-Licht ohne Schutz kann das Risiko von Katarakten und anderen Augenkrankheiten erhöhen.
Immunsystem-Suppression: Übermäßige UV-Exposition kann das Immunsystem beeinträchtigen und die Fähigkeit des Körpers verringern, Krankheitserreger abzuwehren. Dies kann zu einer erhöhten Anfälligkeit für Infektionen und Krankheiten führen.

UVA (Langwellige UV-Strahlung): UVA-Strahlung hat die längste Wellenlänge und dringt tiefer in die Haut ein als UVB-Strahlung. Sie macht etwa 95% der UV-Strahlung auf der Erdoberfläche aus. UVA-Strahlung ist das ganze Jahr über konstant, unabhängig von der Tageszeit oder der Jahreszeit. Die Hauptmerkmale von UVA-Strahlung sind:

Wellenlänge: 315-400 Nanometer
Durchdringt Wolken und Fensterglas
Dringt tief in die Haut ein und kann die Kollagenproduktion beeinflussen
Ist mit Hautalterung, Faltenbildung und Pigmentveränderungen verbunden
Kann das Risiko von Hautkrebs erhöhen
Ist auch in einigen Sonnenbanken vorhanden

UVB (Mittelwellige UV-Strahlung): UVB-Strahlung hat eine kürzere Wellenlänge als UVA-Strahlung und ist für Sonnenbrand verantwortlich. Sie macht etwa 5% der UV-Strahlung auf der Erdoberfläche aus. UVB-Strahlung variiert in ihrer Intensität je nach Tageszeit, Jahreszeit und geografischer Lage. Die Hauptmerkmale von UVB-Strahlung sind:

Wellenlänge: 280-315 Nanometer
Wird teilweise von der Ozonschicht in der Atmosphäre absorbiert
Penetriert die äußere Schicht der Haut und ist hauptsächlich für Sonnenbrand verantwortlich
Stimuliert die Produktion von Vitamin D in der Haut
Kann das Risiko von Hautkrebs erhöhen
Kann das Immunsystem der Haut beeinflussen

UVC (Kurzwellige UV-Strahlung): UVC-Strahlung hat die kürzeste Wellenlänge und ist die energiereichste Form von UV-Strahlung. Sie wird von der Ozonschicht und anderen Komponenten der Atmosphäre vollständig absorbiert und erreicht daher nicht die Erdoberfläche. UVC-Strahlung wird normalerweise in technischen Anwendungen wie Desinfektionsgeräten eingesetzt.

Wellenlänge: 100-280 Nanometer
Wird vollständig von der Atmosphäre absorbiert und erreicht nicht die Erdoberfläche
Ist extrem schädlich für lebende Organismen, da sie DNA-Schäden verursachen kann
Wird in technischen Anwendungen zur Desinfektion eingesetzt, wie zum Beispiel in UV-C-Geräten zur Reinigung von Wasser, Luft und Oberflächen

Es ist wichtig zu beachten, dass der größte Teil der UVC-Strahlung von der Erdatmosphäre absorbiert wird und normalerweise nicht auf den Menschen trifft, es sei denn, er ist einer künstlichen UVC-Quelle ausgesetzt.

Fazit: Ultraviolettes Licht hat sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf den Menschen. Es ist wichtig, angemessene Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, um die schädlichen Effekte zu minimieren, wie zum Beispiel den Einsatz von Sonnenschutzmitteln, das Tragen von schützender Kleidung und Sonnenbrillen mit UV-Schutz. Eine ausgewogene Aussetzung gegenüber UV-Licht kann jedoch auch von Vorteil sein, indem es die Vitamin-D-Synthese und die Stimmung verbessert.

DIY UV-Messgerät:
Das Bauteil zum erfassen der aktuellen Intensität von ultravioletter Strahlung wird der photodiodenbasierte Sensor ML8511 sein. Dieser Sensor reagiert auf UV-A und B Strahlung im Bereich von 280 bis 390 Nanometern und gibt die Werte an einen analogen Ausgang aus, der proportional zur gemessenen UV-Intensität ist. Wichtig ist zu wissen, das dieser Sensor je nach Winkel zur Sonne abweichende Werte ausgibt. Somit sollte dieses Messgerät nur zur Testzwecken verwendet werden. Zuverlässige Vorhersagen sind hier beim deutschen Wetterdienst zu suchen.

https://www.dwd.de/DE/leistungen/gefahrenindizesuvi/gefahrenindexuvi.html

Der UV-Index (UVI) ist ein international normiertes Maß für die sonnenbrandwirksame solare Bestrahlungsstärke (Ultraviolettstrahlung). Im Allgemeinen gilt der UV-Index als Maß für die stärkste solare Strahlung um die Mittagszeit(Tageshöchstwert). Je höher der UVI ist, desto schneller können bei ungeschützter Haut durch UV-Strahlung bedingte gesundheitliche Schäden wie Sonnenbrände auftreten.

UV-Index	Bewertung	Schutz
0–2	niedrig	Kein Schutz erforderlich.
3–5	mäßig	Schutz erforderlich: Hut, T-Shirt, Sonnenbrille, Sonnencreme
6–7	hoch	Schutz erforderlich: Hut, T-Shirt, Sonnenbrille, Sonnencreme. Die WHO empfiehlt, mittags den Schatten zu suchen.
8–10	sehr hoch	zusätzlicher Schutz erforderlich: Aufenthalt im Freien möglichst vermeiden Die WHO empfiehlt, den Aufenthalt im Freien zwischen 11 und 15 Uhr zu vermeiden; auch im Schatten gehören ein sonnendichtes Oberteil, lange Hosen, Sonnencreme, Sonnenbrille und ein breitkrempiger Hut zum sonnengerechten Verhalten.
≥ 11	extrem	zusätzlicher Schutz erforderlich: Aufenthalt im Freien möglichst vermeiden Die WHO rät, zwischen 11 und 15 Uhr im Schutz eines Hauses zu bleiben und auch außerhalb dieser Zeit unbedingt Schatten zu suchen. Auch im Schatten gelten ein sonnendichtes Oberteil, lange Hosen, Sonnencreme, Sonnenbrille und ein breitkrempiger Hut als unerlässlich.

Hardware der Testversion:
UV Senor ML8511
16×2 LCD Modul Display mit I2C Schnittstelle
Arduino Uno
LED Auswahl 15Farben 5mm mit UV-LED

Hardware kompakten Version:
UV Senor ML8511
OLED Display 1,3 Zoll I2C
Nano Board
LED Auswahl 15Farben 5mm mit UV-LED

Bibliotheken:
https://github.com/RobTillaart/ML8511
https://github.com/johnrickman/LiquidCrystal_I2C

Gehäuse zum nach drucken am 3D-Drucker:
thingiverse thing

Verdrahtung:

Quellcode:

// Beispiel wie mit einem ML8511 Sensor (der seine Messwerte analog ausgibt)
// die UV Stärke angezeigt wird, der den reale UV Index nahe kommt

#include <SPI.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

int ML8511Out = A0;     //Daten vom sensor
int Ref_3V3 = A1;       //Referenz-Messung 3.3V power vom Arduino board
int ledPin_gruen = 4;   // UV-Stärke 2 und weniger
int ledPin_gelb = 5;    // UV-Stärke 3 bis 5
int ledPin_orange = 6;  // UV-Stärke 6 bis 7
int ledPin_rot = 7;     // UV-Stärke 8 bis 10
int ledPin_lila = 8;    // UV-Stärke 11 und höher

#define SCREEN_WIDTH 128  // OLED display weite in pixel
#define SCREEN_HEIGHT 32  // OLED display höhe in pixel
#define OLED_RESET -1
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);

void setup() {
 
  display.display();
  delay(2000);  // Pause 2 sekunden
  display.clearDisplay();
  display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);
  display.clearDisplay();

  pinMode(ML8511Out, INPUT);
  pinMode(Ref_3V3, INPUT);
  pinMode(ledPin_rot, OUTPUT);
  pinMode(ledPin_gelb, OUTPUT);
  pinMode(ledPin_gruen, OUTPUT);
  pinMode(ledPin_orange, OUTPUT);
  pinMode(ledPin_lila, OUTPUT);

  digitalWrite(ledPin_gruen, HIGH);
  digitalWrite(ledPin_gelb, HIGH);
  digitalWrite(ledPin_orange, HIGH);
  digitalWrite(ledPin_rot, HIGH);
  digitalWrite(ledPin_lila, HIGH);

  delay(1000);
}

void loop() {
  int analogerUVWert = averageAnalogRead(ML8511Out);
  int analogRefWert = averageAnalogRead(Ref_3V3);
  float MesswVolt = analogerUVWert * 3.3 / analogRefWert;
  float uvIntensity = mapfloat(MesswVolt, 0.99, 2.8, 0.0, 15.0);  //Konvertiere von Volt nach UV-Index

display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setCursor(15, 4);  //Erster Wert = Anzahl Pixel von links, bis Schrift beginnt
                             // Zweiter Wert = Anzahl Pixel von oben, bis Schrift beginnt
  display.println("UV Strahlen Level");
  display.setCursor(20, 15);  
  display.println("Messwert:");
  display.setCursor(80, 15);
  display.println(MesswVolt);
  display.setCursor(20, 25);
  display.println("UVI Wert: ");
  display.setCursor(80, 25);
  display.println(uvIntensity);
  display.display();

// LED für UV-Stärken von bis einschalten, andere ausschalten
  if (uvIntensity < 3) {
    digitalWrite(ledPin_gruen, HIGH);
    digitalWrite(ledPin_gelb, LOW);
    digitalWrite(ledPin_orange, LOW);
    digitalWrite(ledPin_rot, LOW);
    digitalWrite(ledPin_lila, LOW);
  } else if (uvIntensity >= 3 && uvIntensity < 6) {
    digitalWrite(ledPin_gruen, LOW);
    digitalWrite(ledPin_gelb, HIGH);
    digitalWrite(ledPin_orange, LOW);
    digitalWrite(ledPin_rot, LOW);
    digitalWrite(ledPin_lila, LOW);
  } else if (uvIntensity >= 6 && uvIntensity < 8) {
    digitalWrite(ledPin_gruen, LOW);
    digitalWrite(ledPin_gelb, LOW);
    digitalWrite(ledPin_orange, HIGH);
    digitalWrite(ledPin_rot, LOW);
    digitalWrite(ledPin_lila, LOW);
  } else if (uvIntensity >= 8 && uvIntensity < 11) {
    digitalWrite(ledPin_gruen, LOW);
    digitalWrite(ledPin_gelb, LOW);
    digitalWrite(ledPin_orange, LOW);
    digitalWrite(ledPin_rot, HIGH);
    digitalWrite(ledPin_lila, LOW);
  } else if (uvIntensity >= 11) {
    digitalWrite(ledPin_gruen, LOW);
    digitalWrite(ledPin_gelb, LOW);
    digitalWrite(ledPin_orange, LOW);
    digitalWrite(ledPin_rot, LOW);
    digitalWrite(ledPin_lila, HIGH);
  }
  delay(1000);
}

//Funktion um die Durchschnittswerte der gelesenen analogen Werte zu erhalten
int averageAnalogRead(int pinToRead) {
  byte numberOfReadings = 8;
  unsigned int runningValue = 0;

  for (int x = 0; x < numberOfReadings; x++)
    runningValue += analogRead(pinToRead);
  runningValue /= numberOfReadings;

  return (runningValue);
}

float mapfloat(float x, float in_min, float in_max, float out_min, float out_max) {
  return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min;
}

Bilder der kompakten Version:

Test mit 3 UV-LEDs

Video: