7. [Micropython]TPYBoard v10x PM2.5检测仪制作

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7.1. PM2.5检测仪制作

秋冬季节,雾霾天气的持续,让人们对空气质量的关注程度提升。而近期人们对于空气质量的关注总也绕不开一个词–“PM2.5”。《环境空气质量标准》将PM2.5、臭氧(8小时浓度)纳入常规空气质量评价,是我国首次制定关于PM2.5的监测标准。细颗粒物又称细粒、细颗粒、PM2.5.细颗粒物指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物。PM2.5粒径小、面积大、活性强、易附带有毒、有害物质(例如,重金属、微生物等)。PM2.5对人体健康有着致命的危害。

7.1.1. 那么PM2.5(细颗粒物)是什么?

科普:PM2.5到底是神马?

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,也就是利用拥有自家的解析器、编译器、虚拟机和类库等,也就是具备二次开发和环境的TPYBoard开发板制作一个PM2.5检测仪吧。

先一起看下最终的视频演示效果吧!

7.1.1.1. PM2.5检测仪的功能

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/m?)。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。

本系统电路简单、工作稳定、集成度高,调试方便,测试精度高,具有一定的实用价值。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
0~50 0-35 绿灯亮
50~100 35-75 绿灯亮
100~150 75-115 轻度污染 蓝灯亮
150~200 115-150 中度污染 黄灯亮
200~300 150-250 重度污染 红灯亮
>300 >250 严重污染 红灯亮

7.1.2. TPYBoard v102的硬件特点:

√ STM32F405RG MCU.

√ 168 MHz Cortex-M4 CPU with 32-bit hardware floating point.

√ 1 MiB flash storage, 192 KiB RAM.

√ USB口, 支持 串口,通用存储,HID协议。

√ SD卡插槽。

√ MMA76603轴加速度计.

√ 4 LEDs, 1复位按钮, 1通用按钮.

√ 3.3V0.3A板载 LDO , 可从USB口或者外置电池供电。

√ 实时时钟。

√ 30个通用IO口,其中28个支持5V输入输出。

√ 2个 SPI接口, 2个 CAN接口, 2个I2C接口, 5个USART接口.

√ 14个 12-bit ADC引脚。

√ 2个DAC 引脚。

7.2. 材料准备

7.2.1. 制作PM2.5检测仪所需材料如下:

  • PM2.5粉尘传感器 1个
  • TPYBoard v102开发板 1块
  • Lcd5110显示屏 1个
  • 杜邦线 若干
  • micro USB数据线 1条
http://www.micropython.net.cn/ueditor/php/upload/image/20160823/1471943991787031.png

7.3. 硬件接线方法

7.3.1. 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。
http://www.micropython.net.cn/ueditor/php/upload/image/20160823/1471941893958432.png

7.3.2. LCD5110的针脚

先看一下LCD5110针脚含义吧(注意:LCD5110的针脚有些不一样的 TPYBoard v102的针脚与5110的针脚对应关系如下:

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
3.3V VCC VCC
Y12 LIGHT Light (0=on, 1=off)
GND GND GND

7.3.3. 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TPTYBoard v102连接起来,硬件连接完毕,如图3:
http://www.micropython.net.cn/ueditor/php/upload/image/20160823/1471942098496980.png

7.4. PM2.5粉尘传感器工作原理及数据处理

7.4.1. 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:

http://www.micropython.net.cn/ueditor/php/upload/image/20160823/1471942150331605.png

内部结构仿真图

7.4.2. 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:

http://www.micropython.net.cn/ueditor/php/upload/image/20160823/1471942195856275.png

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。)

7.5. PM2.5粉尘传感器的采样频率及程序编码

7.5.1. 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。

7.5.2. 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。

7.6. 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。

7.7. 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 -- put your code here!
#main.py
import pyb
import upcd8544
from machine import SPI,Pin
from pyb import UART
from ubinascii import hexlify
from ubinascii import *


leds = [pyb.LED(i) for i in range(1,5)]
P,L,SHUCHU=0,0,0
#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
A=800
#G为固定系数,是为了把串口收到的数据转换成PM标准值
G=1024/5
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')
lcd_5110 = upcd8544.PCD8544(SPI, RST, CE, DC, LIGHT)
u2 = UART(2, 2400)
count_=0
def ChangeLEDState(num_):
        global leds
        len_=len(leds)
        for i in range(0,len_):
                if i!=num_:
                        leds[i].off()
                else:
                        leds[i].on()
while True:
        u2.init(2400, bits=8, parity=None, stop=1)
        pyb.delay(80)
        Quality='DATA NULL'
        if(u2.any()>0):
                u2.deinit()
                _dataRead=u2.readall()
                #R代表截取数据的起始位
                R=_dataRead.find(b'\xaa')
                #R>-1代表存在起始位,长度大于起始位位置+2
                if R>-1 and len(_dataRead)>(R+2):
                        P=_dataRead[R+1]
                        L=_dataRead[R+2]
                        #把串口收到的十六进制数据转换成十进制
                        SHI=P*256+L
                        SHUCHU=SHI/G*A
                if(SHUCHU<35):
                        Quality = 'Excellente'
                        print('环境质量:优','PM2.5=',SHUCHU)
                        count_=1
                elif(35<SHUCHU<75):
                        Quality = 'Good'
                        print('环境质量:良好','PM2.5=',SHUCHU)
                        count_=1
                elif(75<SHUCHU<115):
                        Quality = 'Slightly-polluted'
                        print('环境质量:轻度污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
                        count_=3
                elif(115<SHUCHU<150):
                        Quality = 'Medium pollution'
                        print('环境质量:中度污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
                        count_=2
                elif(150<SHUCHU<250):
                        Quality = 'Heavy pollution'
                        print('环境质量:重度污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
                        count_=0
                elif(250<SHUCHU):
                        Quality = 'Serious pollution'
                        print('环境质量:严重污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
                        count_=0
        ChangeLEDState(count_)
        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)