利用支持MicroPython的TPYBoard开发板自制PM2.5检测仪（萝卜教...

酥小小酥

    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。萝卜教育学科式编程tpyboard。com

    那么PM2.5（细颗粒物）是什么？

    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。萝卜教育学科式编程tpyboard。com


    1. PM2.5检测仪的目的

    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。萝卜教育学科式编程tpyboard。com


    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：



    参照2: TPYBoard的硬件特点：

    ————————————————————————————
    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，通用存储，HID协议。
    üSD卡插槽。
    üMMA76603轴加速度计.
    ü4 LEDs, 1复位按钮, 1通用按钮.
    ü3.3V0.3A板载 LDO , 可从USB口或者外置电池供电。
    ü实时时钟。
    ü30个通用IO口，其中28个支持5V输入输出。
    ü2个 SPI接口, 2个 CAN接口, 2个I2C接口, 5个USART接口.
    ü14个 12-bit ADC引脚。
    ü2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

    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。萝卜教育学科式编程tpyboard。com


    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的针脚与5110的针脚对应关系如图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

    还是看不明白的话，直接上针脚编号吧

    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:


    4.PM2.5粉尘传感器工作原理及数据处理

    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。萝卜教育学科式编程tpyboard。com


    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。萝卜教育学科式编程tpyboard。com


    内部结构如图内部结构仿真图所示：



    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：



    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。）

    5.PM2.5粉尘传感器的采样频率及程序编码

    5.1PM2.5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。萝卜教育学科式编程tpyboard。com


    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。

    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.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。

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 *
   
8. 
   
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。
    
20. 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。
    
21. SHI=0#后面会赋值转换成十进制的数值。
    
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('截取开始')
    
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('个位=',_dataRead[F])
    
51.                 W=0
    
52.             R=R+1
    
53.         P=_dataRead[E]
    
54.         L=_dataRead[F]
    
55.         SHI=P*256+L#把串口收到的十六进制数据转换成十进制。
    
56.         SHUCHU=SHI/G*A
    
57.     if(SHUCHU<35):
    
58.         Quality = 'Excellente'
    
59.         print('环境质量:优','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('环境质量：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('环境质量：轻度污染 ','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('环境质量：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('环境质量：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('环境质量：严重污染 ','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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