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  • 市面上有没有靠谱的PM2.5检测仪?如何自己动手制作PM2.5检测仪

     市面上能买到的11中常见的pm2.5检测仪
    网上大佬实测并不是很准,我这里没测过(全买下来有点贵,贫穷限制了我的想象力)
    这些检测仪多数是复合式、多功能的空气质量检测仪。具体就不一一介绍了。这篇文章主要分享下怎样用更少的成本,短暂的时间。自己动手制作更加精确的pm2.5检测仪。
    那么PM2.5(细颗粒物)是什么?(废话段)
    因为各国标准不一样,天气预报也报空气质量,预报的空气质量与实际的空气质量一样吗?但这个问题,想动手制作一个PM2.5检测仪,有了自己动手制作的PM2.5检测仪的话,当空气质量较差或者严重污染的时候,提醒家人,同学和身边的人尽量减少户外活动,真正减少吸入细颗粒物。
    制作一个PM2.5检测仪的想法是好,在1个小时内能否制作出一个PM2.5检测仪呢?利用C/C++是贴近硬件的语言来做的话,要花好长一段时间甚至半年先学习C语言以后,再考虑动手制作,更不用说1个小时内制作出一个PM2.5检测仪。
    接下来我介绍一个在1个小时内制作一个PM2.5的方法。

    1. PM2.5检测仪原理

    采用TPYBoard开发板为控制处理器,通过串口由PM2.5灰尘传感器GP2Y1010AU0F检测低程度的空气污染PM2.5能够甄别香烟和室内/室外灰尘,并通过SPI接口由LCD5110显示屏显示当前空气粉尘浓度(ug/m³)。当空气中粉尘浓度达到所设定限度点亮不同的LED灯来知道当前空气质量等级。
    该检测仪通过Python脚本语言实现硬件底层的访问和控制细颗粒物检测传感器,每间隔一定时间,传感器自动进行检测,检测到的空气粉尘浓度数据通过串口上传至主控板,主控板收集到数据后,同样使用Python脚本语言将PM2.5的检测结果显示到LCD5110上。
     
    参照1:TPYBoardLED亮灯状态与 PM2.5日均浓度对应的指数等级对应表:
      
    PM2.5值数
      
    日均浓度值(ug/m³ 
    空气质量等级
    LED灯状态
    050
    0-35
    绿灯亮
    50~100
    35-75
    绿灯亮
    100150
    75-115
    轻度污染
    蓝灯亮
    150200
    115-150
    中度污染
    黄灯亮
    200300
    150-250
    重度污染
    红灯亮
    >300
    >250
    严重污染
    红灯亮+黄灯亮
     
    参照2: TPYBoard的硬件特点:
    ————————————————————————————
    ü  STM32F405RG MCU.
    ü  168 MHz Cortex-M4 CPU with 32-bit hardware floatingpoint.
    ü  1 MiB flash storage, 192 KiB RAM.
    ü  USB口, 支持 串口,通用存储,HID协议。
    ü  SD卡插槽。
    ü  MMA76603轴加速度计.
    ü  4 LEDs, 1复位按钮, 1通用按钮.
    ü  3.3V0.3A板载 LDO , 可从USB口或者外置电池供电。
    ü  实时时钟。
    ü  30个通用IO口,其中28个支持5V输入输出。
    ü  2个 SPI接口, 2个 CAN接口, 2个I2C接口, 5个USART接口.
    ü  14个 12-bit ADC引脚。
    ü  2个DAC 引脚。
    ————————————————————————————

    2. 材料准备

    制作PM2.5检测仪所需材料如下:
    1.PM2.5粉尘传感器1个,检测PM2.5(细颗粒物)传感器,TXD串口输出。
    2.TPYBoard开发板1块,主要用来当主控开发板,读入传感器数据。
    3.Lcd5110显示屏1个,主要用来显示检测的信息。
    4.杜邦线若干。
    5.数据线一条。
     

    3.硬件接线方法传感器的针脚

    传感器上一共六根线,从1到6依次是GND,VCC,NC,NC,RX,TX。其中我们只用三根线,电源(GND,VCC)和串口(TX),传感器与TPYBorad接线参照图1,具体用哪个串口请参照官方网站上文档TPYBoard 关于串口的使用,小编用的串口为  UART(2) is on: (TX, RX) = (X3, X4)  = (PA2, PA3),因为只需要将数据传到PTYBoard,所以只用到RED即PTYBoard的X4引脚。
    图1

    LCD5110的针脚

    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
                       图2

    PM2.5检测仪整体接线方法

    按照图1、图2所示将PM2.5粉尘传感器以及5110显示屏与PTYBoard连接起来,硬件连接完毕,如图3:
               
                             图3

    PM2.5粉尘传感器工作原理及数据处理PM2.5粉尘传感器工作原理

    PM2.5粉尘传感器的工作原理是根据光的散射原理来开发的,微粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象,与此同时,还吸收部分照射光的能量。
    当一束平行单色光入射到被测颗粒场时,会受到颗粒周围散射和吸收的影响,光强将被衰减。如此一来便可求得入射光通过待测浓度场的相对衰减率。而相对衰减率的大小基本上能线性反应待测场灰尘的相对浓度。光强的大小和经光电转换的电信号强弱成正比,通过测得电信号就可以求得相对衰减率,进而就可以测定待测场里灰尘的浓度。在传感器的中间有一个洞,这个洞可以让空气在里面流通。在洞的两个边缘 ,一面安装有一个激光发射器,另一面安装有激光接收器。这样一来,空气流过这个小洞,空气里的颗粒物呢就会挡住激光,从而产生散射,另一面的接收器,是依据接收到的激光强度来发出不同的信号的(其实就是输出不同的电压值)。这样一来,空气里的颗粒物越多,输出的电压越高,颗粒物越少,输出的电压越低。
    内部结构如图内部结构仿真图所示:
    内部结构仿真图

    PM2.5粉尘传感器传感器数据处理

    上面说了传感器的原理,接下来就说说它传出来的信号和对于接收到的信号的计算吧。
    这个传感器的输出数据是靠串口进行传输的,传感器会通过串口每10ms不到(一般3~4ms)发送一个数据,数据的类型大致是个“0X00”这样的16进制的数据。每次的数据会以“0XAA”作为起始端,以“0XFF”作为结束端。共7个数据位,7个数据位中包含了起始位,结束位,数据高位,数据低位,数据高校验位,数据低校验位和校验位(校验位是怎样计算出来的,下面会讲到)。数据格式大致如下:
    其中校验位长度=Vout(H)+Vout(L)+Vref(H)+Vref(L)的长度。
    数据的组成一共是有7个数据位,但是只有Vout(H)和Vout(L)这两个数据才是我们真正所需要的。我们需要依照这两个数据算出来串口输出的数字数据,从而通过数模转换公式来计算出输出的电压。进一步的通过比例系数计算出空气中颗粒物的数量。下面来说一下怎么计算。
    传感器输出的数据分为高位和低位,其中呢Vout(H)为高位,Vout(L)为低位。因为串口传进来的Vout(H)和Vout(L)是16进制的,第一步先转化成10进制的(这个大家都会,不多说了)。然后根据这两个输出值的10进制数计算出串口输出数值的电压。
    公式如下(其中Vout(H)和Vout(L)是已转化为10进制的):
           Vout=(Vout(H)*256+Vout(L))/1024*5
    这样就算出来了他输出出来的电压了,再根据比例系数A,就可以计算出空气中的颗粒物的值了。(A的值一般是在800到1000,具体的数值还要根据你买到的传感器的精度,准确度和误差值进行确定。我现在用的是800。)

    PM2.5粉尘传感器的采样频率及程序编码PM2.5粉尘传感器的采样频率

    PM2.5粉尘传感器的采样频率是非常高的,一般3~4ms发送一个16进制的采样数据,也就是说传感器通电(接通VCC和GND)后,每隔3~4ms发送一个16进制的采样数据,这么高的采样频率作为一个检测仪来说显然是没有必要的。
    TPYBoard通过串口接收粉尘传感器数据,使用串口当然先定义串口,通过打开就可以接收串口数据,关闭串口就停止接收数据的特点,来自由控制PM2.5粉尘传感器的采样频率。
     

    程序编码

    我们main.py中,采用首先定义串口,其次是打开串口接收采样数据,最后关闭串口,并且处理采样数据及显示,依次循环。

    运行测试

    接线ok后,导入font.py文件和upcd8544.py文件(主要用于5110显示数据),再运行main.py即可看到当前的空气质量等级以及PM2.5的浓度值了。
    下面链接是我用烟熏的演示视频,供大家参考一下。
    http://v.youku.com/v_show/id_XMTY5NjM5NDYwMA==.html

    源代码

    把我写的程序的源码分享给大家,有需要的可以参考一下。
     

    #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比例系数,在北方一般使用800-1000.南方空气好一些,一般使用600-800.这个还和你使用的传感器灵敏度有关的,需要自己测试再定下来。
    G=1024/5#G为固定系数,是为了把串口收到的数据转换成PM标准值。
    SHI=0#后面会赋值转换成十进制的数值。
    #*******************************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('截取开始')
                T=_dataRead[R]
                if(T==170):
                    E=R+1
                    F=R+2
                    #R=_dataRead[65]
                    #print('十位=',_dataRead[E])
                    #print('个位=',_dataRead[F])
                    W=0
                R=R+1
            P=_dataRead[E]
            L=_dataRead[F]
            SHI=P*256+L#把串口收到的十六进制数据转换成十进制。
            SHUCHU=SHI/G*A
        if(SHUCHU<35):
            Quality = 'Excellente'
            print('环境质量:优','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('环境质量: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('环境质量:轻度污染 ','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('环境质量: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('环境质量: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('环境质量:严重污染 ','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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