利用支持MicroPython的TPYBoard開發(fā)板自制PM2.5檢測儀

ID:130183 · 發(fā)表于 2019-1-4 09:02

秋冬季節(jié)，霧霾天氣的持續(xù)，讓人們對空氣質(zhì)量的關(guān)注程度提升。而近期人們對于空氣質(zhì)量的關(guān)注總也繞不開一個詞——“PM2.5”。《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》將PM2.5、臭氧(8小時濃度)納入常規(guī)空氣質(zhì)量評價，是我國首次制定關(guān)于PM2.5的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)。細(xì)顆粒物又稱細(xì)粒、細(xì)顆粒、PM2.5.細(xì)顆粒物指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于 2.5 微米的顆粒物。PM2.5粒徑小、面積大、活性強、易附帶有毒、有害物質(zhì)(例如,重金屬、微生物等)。PM2.5對人體健康有著致命的危害。

那么PM2.5（細(xì)顆粒物）是什么？

因為各國標(biāo)準(zhǔn)不一樣，天氣預(yù)報也報空氣質(zhì)量，預(yù)報的空氣質(zhì)量與實際的空氣質(zhì)量一樣嗎？但這個問題，想動手制作一個PM2.5檢測儀，有了自己動手制作的PM2.5檢測儀的話，當(dāng)空氣質(zhì)量較差或者嚴(yán)重污染的時候，提醒家人，同學(xué)和身邊的人盡量減少戶外活動，真正減少吸入細(xì)顆粒物。

制作一個PM2.5檢測儀的想法是好，在1個小時內(nèi)能否制作出一個PM2.5檢測儀呢？利用C/C++是貼近硬件的語言來做的話，要花好長一段時間甚至半年先學(xué)習(xí)C語言以后，再考慮動手制作，更不用說1個小時內(nèi)制作出一個PM2.5檢測儀。

接下來我介紹一個在1個小時內(nèi)制作一個PM2.5的方法，也就是利用擁有自家的解析器、編譯器、虛擬機和類庫等，也就是具備二次開發(fā)和環(huán)境的TPYBoard開發(fā)板制作一個PM2.5檢測儀吧。

1. PM2.5檢測儀的目的

采用TPYBoard開發(fā)板為控制處理器，通過串口由PM2.5灰塵傳感器GP2Y1010AU0F檢測低程度的空氣污染PM2.5能夠甄別香煙和室內(nèi)/室外灰塵，并通過SPI接口由LCD5110顯示屏顯示當(dāng)前空氣粉塵濃度(ug/m?)。當(dāng)空氣中粉塵濃度達(dá)到所設(shè)定限度點亮不同的LED燈來知道當(dāng)前空氣質(zhì)量等級。

本系統(tǒng)電路簡單、工作穩(wěn)定、集成度高，調(diào)試方便，測試精度高，具有一定的實用價值。該檢測儀通過Python腳本語言實現(xiàn)硬件底層的訪問和控制細(xì)顆粒物檢測傳感器，每間隔一定時間，傳感器自動進(jìn)行檢測，檢測到的空氣粉塵濃度數(shù)據(jù)通過串口上傳至主控板，主控板收集到數(shù)據(jù)后，同樣使用Python腳本語言將PM2.5的檢測結(jié)果顯示到LCD5110上。

參照1:TPYBoardLED亮燈狀態(tài)與 PM2.5日均濃度對應(yīng)的指數(shù)等級對應(yīng)表：

參照2: TPYBoard的硬件特點：

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üSTM32F405RG MCU.
ü168 MHz Cortex-M4 CPU with 32-bit hardware floating point.
ü1 MiB flash storage, 192 KiB RAM.
üUSB口, 支持串口，通用存儲，HID協(xié)議。
üSD卡插槽。
üMMA76603軸加速度計.
ü4 LEDs, 1復(fù)位按鈕, 1通用按鈕.
ü3.3V0.3A板載 LDO , 可從USB口或者外置電池供電。
ü實時時鐘。
ü30個通用IO口，其中28個支持5V輸入輸出。
ü2個 SPI接口, 2個 CAN接口, 2個I2C接口, 5個USART接口.
ü14個 12-bit ADC引腳。
ü2個DAC 引腳。
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2. 材料準(zhǔn)備

制作PM2.5檢測儀所需材料如下：

1.PM2.5粉塵傳感器1個，檢測PM2.5（細(xì)顆粒物）傳感器，TXD串口輸出。
2.TPYBoard開發(fā)板1塊，主要用來當(dāng)主控開發(fā)板，讀入傳感器數(shù)據(jù)。
3.Lcd5110顯示屏1個，主要用來顯示檢測的信息。
4.杜邦線若干。
5.數(shù)據(jù)線一條。

3.硬件接線方法

3.1 傳感器的針腳

傳感器上一共六根線，從1到6依次是GND,VCC,NC,NC,RX,TX。其中我們只用三根線，電源（GND,VCC）和串口（TX），傳感器與TPYBorad接線參照圖1，具體用哪個串口請參照官方網(wǎng)站上文檔TPYBoard 關(guān)于串口的使用，小編用的串口為 UART(2) is on: (TX, RX) = (X3, X4) = (PA2, PA3)，因為只需要將數(shù)據(jù)傳到PTYBoard，所以只用到RED即PTYBoard的X4引腳。

3.2 LCD5110的針腳

先看一下LCD5110針腳含義吧（注意：LCD5110的針腳有些不一樣的
TPYBoard的針腳與5110的針腳對應(yīng)關(guān)系如圖2：
TPYBoard?????? LCD5110??? memo
————————————————————————————
# any ? Pin???? => RST?????? Reset pin (0=reset, 1=normal)
# any ? Pin???? => CE??????? Chip Enable (0=listen for    input, ? 1=ignore input)
# any ? Pin???? => DC??????? Data/Command (0=commands, 1=data)
# MOSI? ??????=> DIN?????? data flow (Master out, Slave in)
# SCK????????=> CLK?????? SPI clock
# 3V3 or any Pin  ? => VCC?????? 3.3V logic voltage (0=off, 1=on)
# any Pin?????  => LIGHT???? Light (0=on, 1=off)
# GND????????=> GND

還是看不明白的話，直接上針腳編號吧

TPYBoard?????? LCD5110??? memo
————————————————————————————
Y10??????? => RST?????? Reset pin (0=reset, 1=normal)
Y11??????? => CE??????? Chip Enable (0=listen for input, 1=ignore input)
Y9 ???????? => DC??????? Data/Command (0=commands, 1=data)
X8??????? ? => DIN?????? data flow (Master out, Slave in)
X6 ???????? => CLK?????? SPI clock
VCC
Y12???????  => LIGHT???? Light (0=on, 1=off)
GND

3.3 PM2.5檢測儀整體接線方法

按照圖1、圖2所示將PM2.5粉塵傳感器以及5110顯示屏與PTYBoard連接起來，硬件連接完畢，如圖3:

4.PM2.5粉塵傳感器工作原理及數(shù)據(jù)處理

4.1 PM2.5粉塵傳感器工作原理

PM2.5粉塵傳感器的工作原理是根據(jù)光的散射原理來開發(fā)的，微粒和分子在光的照射下會產(chǎn)生光的散射現(xiàn)象，與此同時，還吸收部分照射光的能量。

當(dāng)一束平行單色光入射到被測顆粒場時，會受到顆粒周圍散射和吸收的影響，光強將被衰減。如此一來便可求得入射光通過待測濃度場的相對衰減率。而相對衰減率的大小基本上能線性反應(yīng)待測場灰塵的相對濃度。光強的大小和經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電信號強弱成正比，通過測得電信號就可以求得相對衰減率，進(jìn)而就可以測定待測場里灰塵的濃度。在傳感器的中間有一個洞，這個洞可以讓空氣在里面流通。在洞的兩個邊緣，一面安裝有一個激光發(fā)射器，另一面安裝有激光接收器。這樣一來，空氣流過這個小洞，空氣里的顆粒物呢就會擋住激光，從而產(chǎn)生散射，另一面的接收器，是依據(jù)接收到的激光強度來發(fā)出不同的信號的（其實就是輸出不同的電壓值）。這樣一來，空氣里的顆粒物越多，輸出的電壓越高，顆粒物越少，輸出的電壓越低。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真圖所示：

4.2 PM2.5粉塵傳感器傳感器數(shù)據(jù)處理

上面說了傳感器的原理，接下來就說說它傳出來的信號和對于接收到的信號的計算吧。

這個傳感器的輸出數(shù)據(jù)是靠串口進(jìn)行傳輸?shù)模瑐鞲衅鲿ㄟ^串口每10ms不到（一般3～4ms）發(fā)送一個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的類型大致是個“0X00”這樣的16進(jìn)制的數(shù)據(jù)。每次的數(shù)據(jù)會以“0XAA”作為起始端，以“0XFF”作為結(jié)束端。共7個數(shù)據(jù)位，7個數(shù)據(jù)位中包含了起始位，結(jié)束位，數(shù)據(jù)高位，數(shù)據(jù)低位，數(shù)據(jù)高校驗位，數(shù)據(jù)低校驗位和校驗位（校驗位是怎樣計算出來的，下面會講到）。數(shù)據(jù)格式大致如下：

其中校驗位長度=Vout（H）+Vout（L）+Vref（H）+Vref（L）的長度。

數(shù)據(jù)的組成一共是有7個數(shù)據(jù)位，但是只有Vout（H）和Vout（L）這兩個數(shù)據(jù)才是我們真正所需要的。我們需要依照這兩個數(shù)據(jù)算出來串口輸出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，從而通過數(shù)模轉(zhuǎn)換公式來計算出輸出的電壓。進(jìn)一步的通過比例系數(shù)計算出空氣中顆粒物的數(shù)量。下面來說一下怎么計算。

傳感器輸出的數(shù)據(jù)分為高位和低位，其中呢Vout（H）為高位，Vout（L）為低位。因為串口傳進(jìn)來的Vout（H）和Vout（L）是16進(jìn)制的，第一步先轉(zhuǎn)化成10進(jìn)制的（這個大家都會，不多說了）。然后根據(jù)這兩個輸出值的10進(jìn)制數(shù)計算出串口輸出數(shù)值的電壓。
公式如下（其中Vout（H）和Vout（L）是已轉(zhuǎn)化為10進(jìn)制的）：

Vout=（Vout（H）*256+Vout（L））/1024*5

這樣就算出來了他輸出出來的電壓了，再根據(jù)比例系數(shù)A，就可以計算出空氣中的顆粒物的值了。（A的值一般是在800到1000，具體的數(shù)值還要根據(jù)你買到的傳感器的精度，準(zhǔn)確度和誤差值進(jìn)行確定。我現(xiàn)在用的是800。）

5.PM2.5粉塵傳感器的采樣頻率及程序編碼

5.1PM2.5粉塵傳感器的采樣頻率

PM2.5粉塵傳感器的采樣頻率是非常高的，一般3～4ms發(fā)送一個16進(jìn)制的采樣數(shù)據(jù)，也就是說傳感器通電（接通VCC和GND）后，每隔3～4ms發(fā)送一個16進(jìn)制的采樣數(shù)據(jù)，這么高的采樣頻率作為一個檢測儀來說顯然是沒有必要的。
TPYBoard通過串口接收粉塵傳感器數(shù)據(jù)，使用串口當(dāng)然先定義串口，通過打開就可以接收串口數(shù)據(jù)，關(guān)閉串口就停止接收數(shù)據(jù)的特點，來自由控制PM2.5粉塵傳感器的采樣頻率。

5.2程序編碼

我們main.py中，采用首先定義串口，其次是打開串口接收采樣數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉串口，并且處理采樣數(shù)據(jù)及顯示，依次循環(huán)。

6.運行測試

接線ok后，導(dǎo)入font.py文件和upcd8544.py文件(主要用于5110顯示數(shù)據(jù)），再運行main.py即可看到當(dāng)前的空氣質(zhì)量等級以及PM2.5的濃度值了。

7.源代碼
把我寫的程序的源碼分享給大家，有需要的可以參考一下。

#main.py
import pyb
import upcd8544
from machine import SPI,Pin
from pyb import UART
from ubinascii import hexlify
from ubinascii import *
#M0 = Pin('X1', Pin.OUT_PP)
i=0
K=1
T=0
E=0
F=0
W=0
P=0
L=0
SHUCHU=0
A=800#A比例系數(shù)，在北方一般使用800-1000.南方空氣好一些，一般使用600-800.這個還和你使用的傳感器靈敏度有關(guān)的，需要自己測試再定下來。
G=1024/5#G為固定系數(shù)，是為了把串口收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PM標(biāo)準(zhǔn)值。
SHI=0#后面會賦值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的數(shù)值。
#*******************************主程序**********************************
#pyb.delay(5000)
SPI = pyb.SPI(1) #DIN=>X8-MOSI/CLK=>X6-SCK
#DIN =>SPI(1).MOSI 'X8' data flow (Master out, Slave in)
#CLK =>SPI(1).SCK 'X6' SPI clock
RST = pyb.Pin('Y10')
CE = pyb.Pin('Y11')
DC = pyb.Pin('Y9')
LIGHT = pyb.Pin('Y12')
while True:
u2 = UART(2, 2400)
pyb.delay(1000)
#print('kaishi ')
u2.deinit()
pyb.delay(10)
if(u2.any()>0):
W=1
_dataRead=u2.readall()
#print('_dataRead=',_dataRead)
R=0
while (W>0):
#print('截取開始')
T=_dataRead[R]
if(T==170):
E=R+1
F=R+2
#R=_dataRead[65]
#print('十位=',_dataRead[E])
#print('個位=',_dataRead[F])
W=0
R=R+1
P=_dataRead[E]
L=_dataRead[F]
SHI=P*256+L#把串口收到的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制。
SHUCHU=SHI/G*A
if(SHUCHU<35):
Quality = 'Excellente'
print('環(huán)境質(zhì)量:優(yōu)','PM2.5=',SHUCHU)
pyb.LED(1).off()
pyb.LED(2).on()
pyb.LED(3).off()
pyb.LED(4).off()
elif(35<SHUCHU<75):
Quality = 'Good'
print('環(huán)境質(zhì)量：良好','PM2.5=',SHUCHU)
pyb.LED(1).off()
pyb.LED(2).on()
pyb.LED(3).off()
pyb.LED(4).off()
elif(75<SHUCHU<115):
Quality = 'Slightly-polluted'
print('環(huán)境質(zhì)量：輕度污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
pyb.LED(1).off()
pyb.LED(2).off()
pyb.LED(3).on()
pyb.LED(4).off()
elif(115<SHUCHU<150):
Quality = 'Medium pollution'
print('環(huán)境質(zhì)量：中度污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
pyb.LED(1).off()
pyb.LED(2).off()
pyb.LED(3).on()
pyb.LED(4).off()
elif(150<SHUCHU<250):
Quality = 'Heavy pollution'
print('環(huán)境質(zhì)量：重度污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
pyb.LED(1).on()
pyb.LED(2).off()
pyb.LED(3).off()
pyb.LED(4).off()
elif(250<SHUCHU):
Quality = 'Serious pollution'
print('環(huán)境質(zhì)量：嚴(yán)重污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
pyb.LED(1).on()
pyb.LED(2).off()
pyb.LED(3).on()
pyb.LED(4).off()
lcd_5110 = upcd8544.PCD8544(SPI, RST, CE, DC, LIGHT)
lcd_5110.lcd_write_string('AQI Level',0,0)
lcd_5110.lcd_write_string(str(Quality),0,1)
lcd_5110.lcd_write_string('PM2.5:',0,2)
lcd_5110.lcd_write_string(str(SHUCHU),0,3)

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