Chisme 140 del Lince: sensor ultravioleta, el escudo solar

Era un mediodía de agosto en Sierra Bermeja y el sol caía a plomo. La Gata Montesa llegó con unas gafas nuevas, muy oscuras, y se las puso con aire triunfal.

—Cinco euros en el mercadillo. Me quedan fenomenal.

Víctor Vílchez, el Lince de la Noche, las miró con ojo clínico.

—Son muy oscuras. Pero ¿filtran la radiación ultravioleta?

—Qué más da. Si oscurecen, protegen.

—No necesariamente —dijo el Lince, sacando de la mochila un sensor y una placa—. Lo vamos a comprobar. Y de paso te cuento que desde Lynx Enterprises miramos el UV desde mucho más arriba.

—¿Cuánto más?

—Desde el espacio. Los satélites vigilan el ozono y los mapas de UV, y yo necesito datos de aquí abajo para saber si me fío de ellos.

La Gata se bajó las gafas y lo miró por encima.

—Vale. Pero si salen mal, me las quedo igual.

Introducción

En este chisme 140 vas a construir el escudo solar del Lince: un sensor ultravioleta conectado a la ESP32 Plus con el que comprobarás cuánta radiación UV frenan un cristal, unas gafas de sol o una crema solar, y un aviso con un LED que se enciende cuando el índice UV llega a un valor que obliga a protegerse.

Es un sensor distinto al del Chisme 135, con otro formato de placa, pero pertenece a la misma familia: convierte la radiación ultravioleta en una tensión que la ESP32 lee como un número. Lo que cambia aquí es la pregunta. En el 135 queríamos registrar la radiación durante horas. Aquí queremos comparar materiales y aprender a protegernos.

Antes de montarlo, practica en el simulador del escudo solar, que tiene modo demostración.

Por qué nos protegemos

La luz del Sol incluye radiación ultravioleta, que no vemos y que no se nota como calor. Cuando llega a la piel, puede dañar el ADN de sus células. Una quemadura es la señal visible de ese daño. Con los años, las quemaduras y la exposición acumulada aumentan el riesgo de cáncer de piel. Puedes leer más en la Wikipedia: cáncer de piel.

Los ojos también la sufren: el UV puede dañar la córnea y se relaciona con problemas como las cataratas. Por eso importan las gafas, y por eso importa que de verdad filtren UV.

Medidas que se recomiendan habitualmente:

• Buscar la sombra en las horas centrales del día.
• Llevar ropa, gorra y gafas de sol con filtro UV.
• Usar crema solar de factor 30 o superior y volver a aplicarla cada cierto tiempo.
• Prestar atención al índice UV de la previsión, no a la sensación de calor.

Este chisme es una actividad de aula y no consejo médico. Si tienes dudas sobre tu piel o tus ojos, pregunta a un profesional sanitario.

Qué necesitamos

• La ESP32 Plus de Acebott y ACECode (como en el Chisme 112).
• Del kit avanzado de robótica: el sensor ultravioleta y, para el aviso, el módulo LED.
• Cables Dupont.
• Si quieres comparar materiales: un cristal pequeño, unas gafas de sol, una lámina de plástico transparente y crema solar.

Conexión

Con el USB desenchufado, revisa las etiquetas del módulo y no el orden de los cables:

Sensor ultravioleta	ESP32 Plus
V (alimentación)	3V3 (3,3 V)
G	G
S / OUT (señal)	pin 35
Módulo LED · S (para el aviso)	pin 5

Alimentamos el sensor a 3,3 V para que su señal nunca pase de 3,3 V, que es lo máximo que aguantan las entradas de la ESP32.

El programa de prueba

Es el mismo patrón que en el Chisme 134 y en el 135: una lectura analógica que se imprime por el puerto serie. Importante: para que aparezca el puerto serie en ACECode hay que instalar la extensión de la shield 9 en 1, aunque no pongas la placa de expansión encima. Abre el monitor serie a 115200.

1. Por siempre:
   1. Serial 115200 imprimir «unir» (U: y leer pin analógico 35).
   2. Esperar 1 segundo.

El sensor da un número de 0 a 4095: cuanta más radiación UV llega a su ventanita, mayor es el número. Apúntalo siempre hacia la luz que quieres medir.

El mismo programa en Arduino

ACECode genera código Arduino por debajo. Este es el que ha generado el programa de prueba, por si prefieres el Arduino IDE o quieres ver cómo se escribe en texto:

// generated by Block
#include <Arduino.h>

void setup() {
  pinMode(35,INPUT);
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  Serial.println((String("U:") + String((analogRead(35)))));
  delay(1 * 1000);
}

• analogRead(35) da el número de 0 a 4095.
• setup() se ejecuta una vez y loop() se repite sin parar: es el «por siempre» del bloque.
• delay(1 * 1000) espera un segundo.

La gran idea: medir con una referencia

Aquí viene lo más importante del chisme. No hace falta saber qué significa cada unidad del sensor si siempre comparas con una referencia.

1. Mide con el sensor al aire, sin nada delante. Es tu referencia.
2. Interpón un material y vuelve a medir, en el mismo sitio y apuntando igual.
3. Calcula el cociente:

porcentaje que pasa = lectura con material ÷ lectura de referencia × 100

Como el cociente es una proporción, no depende de la escala concreta de tu módulo. Si tu sensor lee el doble que el de otro grupo, ambos obtendréis casi el mismo porcentaje. Medir en relación a algo es una de las técnicas básicas de la ciencia.

Para ser más riguroso, tapa del todo el sensor y anota esa lectura: es el cero (lo que marca sin radiación). Réstalo de las dos lecturas antes de dividir.

Qué podemos probar

Con el sol de fondo (y sin mirar nunca al sol: el sensor lo apuntas tú, tus ojos no):

• Cristal de ventana: frena buena parte del UV, aunque no todo.
• Plástico transparente: depende del plástico.
• Gafas de sol con filtro UV: las etiquetadas UV400 o con marcado CE deberían frenar casi todo.
• Gafas oscuras sin filtro UV: pueden dejar pasar mucho. Que oscurezcan solo significa que dejan pasar menos luz visible, y no dice nada sobre el UV.
• Crema solar extendida sobre una lámina transparente: una capa fina de crema frena mucho UV, pero la prueba no sustituye a ponértela bien.

Hay una razón por la que unas gafas oscuras sin filtro pueden ser peores que no llevar ninguna: al oscurecer la imagen, la pupila se abre y entra más UV en el ojo.

En el simulador los porcentajes de cada material son ilustrativos. Los reales los vas a medir tú, y puede que no te salgan iguales.

Calibrar: de unidades a índice UV

El índice UV es la escala oficial (0 a 2 bajo, 3 a 5 moderado, 6 a 7 alto, 8 a 10 muy alto, 11 o más extremo). Puedes ver más en la Wikipedia. A partir del 3 se recomienda protegerse.

Para que tu sensor hable en índice UV tienes que calibrarlo:

1. Busca en la previsión del tiempo el índice UV oficial de ese momento en tu ciudad, con cielo despejado.
2. Mide con tu sensor sin filtro y descuenta el cero.
3. Divide: unidades por punto de índice = lectura ÷ índice oficial.

Por ejemplo, si el índice oficial es 6 y tu lectura es 660, tu módulo da 110 unidades por punto. Entonces el índice 3 corresponde a 330 unidades. Estos números son un ejemplo: tu módulo dará otros, y por eso hay que calibrarlo.

El aviso solar

Con la calibración puedes programar un aviso. En ACECode necesitarás los bloques de control si… entonces… si no:

1. Por siempre:
   1. Serial 115200 imprimir «unir» (U: y leer pin analógico 35).
   2. Si (leer pin analógico 35) > 330 entonces configurar pin digital 5 a alto; si no, configurar pin digital 5 a bajo.
   3. Esperar 1 segundo.

Cambia el 330 por el valor de tu propia calibración. Cuando el LED se encienda, toca protegerse. Es el mismo bloque «LED» del Chisme 137, usado ahora como aviso en lugar de como luz.

Qué estamos midiendo realmente

El sensor detecta una banda de radiación ultravioleta, y el índice UV oficial pesa cada longitud de onda según el daño que causa en la piel. Esos dos criterios no coinciden del todo, así que tu número no es el índice oficial: es una estimación que sirve muy bien para comparar y mucho peor para decir un valor exacto.

Otros factores que cambian la lectura:

• El ángulo: si giras el sensor respecto al sol, cambia. Apunta siempre igual.
• La distancia al material: hazla igual en todas las pruebas.
• Las nubes finas: dejan pasar bastante UV, aunque el día parezca cubierto.
• Las superficies claras: la arena, el agua o la nieve reflejan UV y aumentan lo que llega.
• Cada módulo: dos módulos iguales no leen lo mismo.

Para tomar decisiones sobre tu salud, mira la previsión oficial y protégete. Medir no significa necesariamente medir bien.

Del suelo al espacio: los satélites del Lince

El Lince tiene razón al decir que se vigila el UV desde el espacio, pero con una precisión: un satélite no hace una foto en UV como una cámara. Mide cosas como la cantidad de ozono de la atmósfera y las nubes, y con esos datos se calcula cuánta radiación UV llega al suelo. Con las medidas del satélite europeo Sentinel-5P, el Instituto Meteorológico Finlandés publica mapas del índice UV al mediodía solar.

Esto conecta con dos ideas:

• El ozono protege. La capa de ozono absorbe buena parte del UV más dañino. Si hay menos ozono, llega más UV. Vigilarlo es proteger la salud. Puedes leer más sobre la capa de ozono.
• Ozono y cambio climático son dos problemas distintos, aunque se influyen y ambos se vigilan desde el espacio. Conviene no confundirlos: el agujero de ozono no es la causa principal del calentamiento global.

Y aquí aparece el valor de tu sensor. El satélite ve una región entera, pero un punto concreto puede diferir: una nube, la altura, una calle sombreada. Un sensor en el suelo sirve para comprobar lo que el satélite estima, en tu sitio. Es la idea de la ciencia ciudadana: sensor → dato → conjunto de datos → comparación con otras fuentes → conclusión.

Para el aula

• Predice: ordena de más a menos UV que dejan pasar: cristal, gafas oscuras sin filtro, gafas con filtro UV400, crema solar. Mide y compara con tu predicción.
• Diseña la prueba: ¿qué debe mantenerse igual en todas las medidas (distancia, ángulo, hora)? ¿Cuántas veces repetirías cada una?
• Calcula: el porcentaje que deja pasar cada material y su incertidumbre, repitiendo cada medida tres veces.
• Compara: dos grupos miden el mismo material con módulos distintos. ¿Coinciden los porcentajes aunque las lecturas sean distintas? ¿Por qué?
• Calibra: compara tus lecturas con el índice UV de la previsión durante el día. ¿Cuántas unidades equivalen a un punto de índice?
• Contrasta: compara tus medidas con el mapa de índice UV de un satélite. ¿Coinciden? ¿Qué puede explicar las diferencias?
• Debate: ¿por qué es peligroso decidir por «sensación de calor»? ¿Qué mensaje de protección solar harías para tu instituto?

Retos

• Reto 1: haz que funcione el programa de prueba y mira la lectura en el monitor serie.
• Reto 2: mide cuánto UV pasa por un cristal, unas gafas y una crema.
• Reto 3: calibra tu sensor con el índice UV oficial.
• Reto 4: programa el aviso solar con tu umbral propio.
• Reto 5: añade un zumbador que suene si el índice supera el nivel «muy alto».
• Reto 6: guarda las lecturas de un día con la página del Chisme 135. Imprime con el mismo formato U:, pero el índice que calcula esa página es para el otro sensor: usa mejor la lectura bruta del CSV y tu propia calibración.
• Reto 7: compara la curva de tu día con la del mapa del satélite para tu zona.
• Reto 8: haz una pequeña investigación: ¿cuántos grupos con distintas gafas y cremas hacen falta para una conclusión fiable?

Qué hemos aprendido

Has medido radiación ultravioleta con una entrada analógica y has aprendido a comparar con una referencia para no depender de la escala de un módulo concreto. Has visto que oscurecer no es lo mismo que filtrar UV, que hay que calibrar un sensor para hablar en índice UV y que un sensor del suelo y un satélite se complementan.

La Gata Montesa puso las gafas del mercadillo delante del sensor. La lectura bajó solo un poco.

—Vaya —dijo—. Cinco euros por unas gafas oscuras que dejan pasar buena parte del UV.

—Una excelente lección —dijo el Lince— y una buena razón para buscar la etiqueta UV400.

—Compraré unas nuevas. Pero estas me las quedo para la sombra.