本帖最后由 丸子~ 于 2023-2-16 13:20 编辑

前言
说来幸运，现在疫情已经过去，我还没有阳过，想想主要归功于防护的好，消杀做的勤一些。也就是前几天在网上几块钱淘到了一些UVC波段的紫外灯板。据说用来做紫外消毒灯效果比较好，网上一查发现大多数网红消毒灯都是用蓝光LED冒充紫外灯珠欺骗消费者，所以便产生了自己制作一款便携紫外消毒灯的想法，来替代酒精这些消毒剂，在不方便使用酒精的场合进行简易消杀。因此便利用手头的锂电池以及DCDC芯片制作了这样一个小玩意。
一、紫外灯介绍
紫外线为可见光波普紫光以外100nm~400nm部分。通常我们将紫外线分为UVA、UVB、UVC以及UVD等。其对应可见光波谱如下图所示。

• 长波UVA（315nm~400nm）：又称为长波黑斑效应紫外线 。穿透力极强，可穿透大部分透明玻璃以及塑料。日光中98%的长波紫外线能穿透臭氧层到达地球表面。由于UVA穿透力强可以直达皮肤的真皮层，因而将我们的皮肤晒黑的罪魁祸首是UVA。UVA可用于诱虫灯、矿石鉴定、舞台装饰、验钞等。
  
• 中波UVB（280nm~315nm）：又称为中波红斑效应紫外线 。穿透力中等，它的波长较短的部分会被透明玻璃吸收，日光中的中波紫外线大部分被臭氧层吸收，只有不足2%到达地面。UVB紫外线对人体具有红斑作用，能促进体内矿物质代谢和维生素D的形成，我们常说晒太阳补钙就是指的晒UVB，但长期或过量照射会令皮肤晒黑，引起红肿脱皮，晒伤的罪魁祸首是因为UVB。
  
• 短波UVC（200nm~280nm）：又称为短波灭菌紫外线。穿透力弱，无法穿透大部分的透明玻璃及塑料。日光中的短波紫外线几乎被臭氧层完全吸收。短波紫外线对人体的伤害很大，短时间照射即可灼伤皮肤，长期或高强度照射还会造成皮肤癌。紫外线杀菌灯发出的就是UVC短波紫外线。
  
• 超短波UVD（100nm~200nm）：又称为真空紫外线。穿透力极弱，它能使空气中的氧气氧化成臭氧，称为臭氧发生线。空气中的氧气（O2）在紫外光的照射下，发生光解作用，产生臭氧（O3）。臭氧是一种有效的氧化剂，能够杀灭水中或空气中的细菌、病毒，可用于蔬菜清洗和空气等的消毒。
  

而我们日常消毒灯主要使用的是UVC波紫外线，其波长范围是200～280nm，尤其在波长为253.7 nm时紫外线的杀菌作用最强。少量使用UVD波段。通常UVC波段作为直射杀菌，在UVC辐照范围内的微生物均能受到伤害，但是对于遮挡盲区是无法消毒的。此时通过UVD波段电离产生臭氧进行弥散杀菌，可以达到无死角覆盖的效果，这也是在紫外灯消毒过后有一股奇怪味道的原因。
上图为紫外灯板，可以看到每个小板上有14颗灯珠，12颗2835封装和2颗3535封装的灯珠。
其中两颗2835封装的灯珠与一颗电阻串联相连在电源，3535灯珠连接一颗电阻连接在供电两侧。
上图为2835封装尺寸图。通过查询2835封装的紫外灯珠是UVC波段，单颗灯珠功率达0.5W。

其中两颗金色的3535灯珠为UVA+UVC双波段紫外灯珠，封装如上图所示。UVC波段可以杀菌消毒，并且它的杀毒效果比较好。UVA波段杀菌效果较弱，紫外的其他效果如荧光效果、固化效果明显，并且该波段的灯珠由于制造原因，会有可见的蓝紫光。通过测试一条灯板功率将近5W。
二、芯片选型
接下来根据需求选择芯片，我的预期需求在下面几个点。

• 内置锂电池，可以充电。
  
• 外观小巧，方便携带。
  
• 按键触感要好，按压舒服。
  

根据需求可以设计出电路包含两个部分：锂电池充电电路、升压驱动电路。
1、充电管理电路
锂电池充电在先前的制作中已经讲述过，并且几颗常用的芯片也比较固定。

• TP4056（单节小电流）——IP2312（单节大电流）——IP2326（两节/三节大电流）
  

我们对电流没有需求，所以选用最基本的TP4056即可。TP4056支持最大1A充电电流，并且外围元件少，使用简单，有各种保护。参考电路比较简单，便不再赘述。
2、升压驱动电路
经过测试，紫外灯板正常工作电压在6-8V之间，因此选定7.5V作为工作电压。查找手头升压芯片，发现了去年TI提供的一些升压芯片TPS61085。输入电压2.3-6.0V，满足锂电池的供电电压需求。输出电压最高达18.5V。满足系统需求。
上图是TPS61085的内部结构框图，内部集成了基准电压、软启动、PWM驱动等。能够非常简化外围元件。
三、电路设计
在完成了芯片选型后，根据参数手册以及预期要求进行电路设计。
上图为TP4056充电电路，老样子不变的设计。三四颗电阻电容就可以正常工作，搭配两颗指示灯，非常简单。
SW1为无声按键，手感不错，作为开关，在按下时电路接通，开始工作，在不按下时电路断开。TPS61085在本电路中因为工作电流较小，没有出现太多问题，在电流大于1A的电路中要精确计算COMP引脚以及FB引脚上电阻电容的数值，对整个系统的稳定性十分重要，容值阻值搭配不当很容易使电路工作在不正常的频率，无法正常驱动负载。
四、PCB绘制
由于预期就是便携，因此将电路板长宽控制在2cm以内。整体元器件比较少，不存在布线上的困难，并且都是简单的电源电路，功率较小，没有太多需要严格遵循的硬性要求。根据对电路的预期要求合理摆放元器件，无声按键顶层居中放置，充电指示灯左右对称放置，type-C充电接口背向放置。主要以便于使用为前提。
上图为顶层走线、底层走线、顶层丝印以及底层丝印。
上图为绘制完成后3D视图，快速预览PCB成品电路。在电路板一角留了走线槽，方便下方锂电池的供电。
五、外壳建模
在SolidWorks中对外壳进行建模。模型分为顶盖和壳体两部分，由于是和电路板设计同时进行，并且电路板元件灯板都比较小，建模过程中对各个尺寸要精确计算并留好误差。
壳体部分中间用来放置18650锂电池，一侧放置灯板，并且在上部留有PCB卡槽并对Type-C接口进行开孔。而后给各个边棱添加圆角，增加美观、提高强度、方便握持。顶盖按键位置进行了下沉扩孔，并进添加圆角，手感预测比较好。
上图为利用KeyShot进行渲染后的外壳图片，由于3D打印采用的为树脂材料，便同样渲染了树脂材料的外壳，和成品外壳十分相似。顶盖与壳体贴合良好。
六、焊接组装
将PCB文件以及3D打印文件发厂，大概四五天便能收到打样好的板子和模型。这次打样采用了白色阻焊和树脂外壳。
上图可以看出，整个电路板十分小巧，元器件简单，布局紧凑。
正面中间为无声按键，按下接通电路。两侧有粉蓝两颗LED灯珠。充电时显示粉色，充电完成显示蓝色。
背面主要是一颗电感和充电管理芯片。
电路板焊接完成后，将锂电池安装到3D外壳中，贴合十分紧密。
上图为安装电路板，焊接好电池引线。
上图为安装灯板，并焊接灯板引线。整体外壳公差留的还可以，松紧度合适。
最后一步，安装好上盖，上盖可以和壳体卡合。到此便完成了制作。顶部无声按键按键按下，电路工作，紫外灯亮。得益于前期设计中尺寸以及布局计算的比较精确，成品一次完成，贴合紧密，工作正常。
总结
这个小东西的制作十分简单，并且确实方便使用，95%以上的病毒以及细菌在强紫外的照射下无法活过超过1秒。在一些场景可以替代酒精进行消毒。这个小东西设计的初衷就是在随身携带的前提下可以对小范围的环境进行快速的消杀。只需要按下按键，对着待消毒物品来回扫两下即可。并且通过这次制作学习到了不少知识，收获还是不小的。