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利用支持MicroPython的TPYBoard開發板自制PM2.5檢測儀

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    秋冬季節，霧霾天氣的持續，讓人們對空氣質量的關注程度提升。而近期人們對于空氣質量的關注總也繞不開一個詞——“PM2.5”。《環境空氣質量標準》將PM2.5、臭氧(8小時濃度)納入常規空氣質量評價，是我國首次制定關于PM2.5的監測標準。細顆粒物又稱細粒、細顆粒、PM2.5.細顆粒物指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于 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(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（細顆粒物）是什么？

    因為各國標準不一樣，天氣預報也報空氣質量，預報的空氣質量與實際的空氣質量一樣嗎？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，當空氣質量較差或者嚴重污染的時候，提醒家人，同學和身邊的人盡量減少戶外活動，真正減少吸入細顆粒物。

    制作一個PM2.5檢測儀的想法是好，在1個小時內能否制作出一個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習C語言以后，再考慮動手制作，更不用說1個小時內制作出一個PM2.5檢測儀。

    接下來我介紹一個在1個小時內制作一個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和環境的TPYBoard開發板制作一個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/室外灰塵，并通過SPI接口由LCD5110顯示屏顯示當前空氣粉塵濃度(ug/m?)。當空氣中粉塵濃度達到所設定限度點亮不同的LED燈來知道當前空氣質量等級。

    本系統電路簡單、工作穩定、集成度高，調試方便，測試精度高，具有一定的實用價值。該檢測儀通過Python腳本語言實現硬件底層的訪問和控制細顆粒物檢測傳感器，每間隔一定時間，傳感器自動進行檢測，檢測到的空氣粉塵濃度數據通過串口上傳至主控板，主控板收集到數據后，同樣使用Python腳本語言將PM2.5的檢測結果顯示到LCD5110上。


    參照1:TPYBoardLED亮燈狀態與 PM2.5日均濃度對應的指數等級對應表：




    參照2: TPYBoard的硬件特點：

    ————————————————————————————
    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協議。
    üSD卡插槽。
    üMMA76603軸加速度計.
    ü4 LEDs, 1復位按鈕, 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。
    ————————————————————————————
    2. 材料準備

    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（細顆粒物）傳感器，TXD串口輸出。
    2.TPYBoard開發板1塊，主要用來當主控開發板，讀入傳感器數據。
    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.數據線一條。

    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站上文檔TPYBoard 關于串口的使用，小編用的串口為  UART(2) is on: (TX, RX) = (X3, X4)  = (PA2,  PA3)，因為只需要將數據傳到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的針腳對應關系如圖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據處理

    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光的散射原理來開發的，微粒和分子在光的照射下會產生光的散射現象，與此同時，還吸收部分照射光的能量。


    當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待測場灰塵的相對濃度。光強的大小和經光電轉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，從而產生散射，另一面的接收器，是依據接收到的激光強度來發出不同的信號的（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。


    內部結構如圖內部結構仿真圖所示：




    4.2 PM2.5粉塵傳感器傳感器數據處理

    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據是靠串口進行傳輸的，傳感器會通過串口每10ms不到（一般3～4ms）發送一個數據，數據的類型大致是個“0X00”這樣的16進制的數據。每次的數據會以“0XAA”作為起始端，以“0XFF”作為結束端。共7個數據位，7個數據位中包含了起始位，結束位，數據高位，數據低位，數據高校驗位，數據低校驗位和校驗位（校驗位是怎樣計算出來的，下面會講到）。數據格式大致如下：




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

    數據的組成一共是有7個數據位，但是只有Vout（H）和Vout（L）這兩個數據才是我們真正所需要的。我們需要依照這兩個數據算出來串口輸出的數字數據，從而通過數模轉換公式來計算出輸出的電壓。進一步的通過比例系數計算出空氣中顆粒物的數量。下面來說一下怎么計算。

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

    Vout=（Vout（H）*256+Vout（L））/1024*5

    這樣就算出來了他輸出出來的電壓了，再根據比例系數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，具體的數值還要根據你買到的傳感器的精度，準確度和誤差值進行確定。我現在用的是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發送一個16進制的采樣數據，也就是說傳感器通電（接通VCC和GND）后，每隔3～4ms發送一個16進制的采樣數據，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據，使用串口當然先定義串口，通過打開就可以接收串口數據，關閉串口就停止接收數據的特點，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據，最后關閉串口，并且處理采樣數據及顯示，依次循環。

    6.運行測試

    接線ok后，導入font.py文件和upcd8544.py文件(主要用于5110顯示數據），再運行main.py即可看到當前的空氣質量等級以及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。
  1. #main.py
  2. import pyb
  3. import upcd8544
  4. from machine import SPI,Pin
  5. from pyb import UART
  6. from ubinascii import hexlify
  7. from ubinascii import *

  9. #M0 = Pin('X1', Pin.OUT_PP)
  10. i=0
  11. K=1
  12. T=0
  13. E=0
  14. F=0
  15. W=0
  16. P=0
  17. L=0
  18. SHUCHU=0
  19. A=800#A比例系數，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的，需要自己測試再定下來。
  20. G=1024/5#G為固定系數，是為了把串口收到的數據轉換成PM標準值。
  21. SHI=0#后面會賦值轉換成十進制的數值。
  22. #*******************************主程序**********************************
  23. #pyb.delay(5000)
  24. SPI = pyb.SPI(1) #DIN=>X8-MOSI/CLK=>X6-SCK
  25. #DIN =>SPI(1).MOSI 'X8' data flow (Master out, Slave in)
  26. #CLK =>SPI(1).SCK  'X6' SPI clock
  27. RST    = pyb.Pin('Y10')
  28. CE     = pyb.Pin('Y11')
  29. DC     = pyb.Pin('Y9')
  30. LIGHT  = pyb.Pin('Y12')
  31. while True:
  32.     u2 = UART(2, 2400)
  33.     pyb.delay(1000)
  34.     #print('kaishi ')
  35.     u2.deinit()
  36.     pyb.delay(10)
  37.     if(u2.any()>0):
  38.         W=1
  39.         _dataRead=u2.readall()
  40.         #print('_dataRead=',_dataRead)
  41.         R=0
  42.         while (W>0):
  43.             #print('截取開始')
  44.             T=_dataRead[R]
  45.             if(T==170):
  46.                 E=R+1
  47.                 F=R+2
  48.                 #R=_dataRead[65]
  49.                 #print('十位=',_dataRead[E])
  50.                 #print('個位=',_dataRead[F])
  51.                 W=0
  52.             R=R+1
  53.         P=_dataRead[E]
  54.         L=_dataRead[F]
  55.         SHI=P*256+L#把串口收到的十六進制數據轉換成十進制。
  56.         SHUCHU=SHI/G*A
  57.     if(SHUCHU<35):
  58.         Quality = 'Excellente'
  59.         print('環境質量:優','PM2.5=',SHUCHU)
  60.         pyb.LED(1).off()
  61.         pyb.LED(2).on()
  62.         pyb.LED(3).off()
  63.         pyb.LED(4).off()
  64.     elif(35<SHUCHU<75):
  65.         Quality = 'Good'
  66.         print('環境質量：良好','PM2.5=',SHUCHU)
  67.         pyb.LED(1).off()
  68.         pyb.LED(2).on()
  69.         pyb.LED(3).off()
  70.         pyb.LED(4).off()
  71.     elif(75<SHUCHU<115):
  72.         Quality = 'Slightly-polluted'
  73.         print('環境質量：輕度污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
  74.         pyb.LED(1).off()
  75.         pyb.LED(2).off()
  76.         pyb.LED(3).on()
  77.         pyb.LED(4).off()
  78.     elif(115<SHUCHU<150):
  79.         Quality = 'Medium pollution'
  80.         print('環境質量：中度污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
  81.         pyb.LED(1).off()
  82.         pyb.LED(2).off()
  83.         pyb.LED(3).on()
  84.         pyb.LED(4).off()
  85.     elif(150<SHUCHU<250):
  86.         Quality = 'Heavy pollution'
  87.         print('環境質量：重度污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
  88.         pyb.LED(1).on()
  89.         pyb.LED(2).off()
  90.         pyb.LED(3).off()
  91.         pyb.LED(4).off()
  92.     elif(250<SHUCHU):
  93.         Quality = 'Serious pollution'
  94.         print('環境質量：嚴重污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
  95.         pyb.LED(1).on()
  96.         pyb.LED(2).off()
  97.         pyb.LED(3).on()
  98.         pyb.LED(4).off()
  99.     lcd_5110 = upcd8544.PCD8544(SPI, RST, CE, DC, LIGHT)
  100.     lcd_5110.lcd_write_string('AQI Level',0,0)
  101.     lcd_5110.lcd_write_string(str(Quality),0,1)
  102.     lcd_5110.lcd_write_string('PM2.5:',0,2)
  103.     lcd_5110.lcd_write_string(str(SHUCHU),0,3)
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