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利用支持MicroPython的TPYBoard开发板自制PM2.5检测仪(萝卜教育学科式编程)

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小小su 发表于 2019-1-4 09:11:30 | 只看该作者 |只看大图 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
    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. #M0 = Pin('X1', Pin.OUT_PP)
  9. i=0
  10. K=1
  11. T=0
  12. E=0
  13. F=0
  14. W=0
  15. P=0
  16. L=0
  17. SHUCHU=0
  18. 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。
  19. 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。
  20. SHI=0#后面会赋值转换成十进制的数值。
  21. #*******************************主程序**********************************
  22. #pyb.delay(5000)
  23. SPI = pyb.SPI(1) #DIN=>X8-MOSI/CLK=>X6-SCK
  24. #DIN =>SPI(1).MOSI 'X8' data flow (Master out, Slave in)
  25. #CLK =>SPI(1).SCK  'X6' SPI clock
  26. RST    = pyb.Pin('Y10')
  27. CE     = pyb.Pin('Y11')
  28. DC     = pyb.Pin('Y9')
  29. LIGHT  = pyb.Pin('Y12')
  30. while True:
  31.     u2 = UART(2, 2400)
  32.     pyb.delay(1000)
  33.     #print('kaishi ')
  34.     u2.deinit()
  35.     pyb.delay(10)
  36.     if(u2.any()>0):
  37.         W=1
  38.         _dataRead=u2.readall()
  39.         #print('_dataRead=',_dataRead)
  40.         R=0
  41.         while (W>0):
  42.             #print('截取开始')
  43.             T=_dataRead[R]
  44.             if(T==170):
  45.                 E=R+1
  46.                 F=R+2
  47.                 #R=_dataRead[65]
  48.                 #print('十位=',_dataRead[E])
  49.                 #print('个位=',_dataRead[F])
  50.                 W=0
  51.             R=R+1
  52.         P=_dataRead[E]
  53.         L=_dataRead[F]
  54.         SHI=P*256+L#把串口收到的十六进制数据转换成十进制。
  55.         SHUCHU=SHI/G*A
  56.     if(SHUCHU<35):
  57.         Quality = 'Excellente'
  58.         print('环境质量:优','PM2.5=',SHUCHU)
  59.         pyb.LED(1).off()
  60.         pyb.LED(2).on()
  61.         pyb.LED(3).off()
  62.         pyb.LED(4).off()
  63.     elif(35<SHUCHU<75):
  64.         Quality = 'Good'
  65.         print('环境质量:良好','PM2.5=',SHUCHU)
  66.         pyb.LED(1).off()
  67.         pyb.LED(2).on()
  68.         pyb.LED(3).off()
  69.         pyb.LED(4).off()
  70.     elif(75<SHUCHU<115):
  71.         Quality = 'Slightly-polluted'
  72.         print('环境质量:轻度污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
  73.         pyb.LED(1).off()
  74.         pyb.LED(2).off()
  75.         pyb.LED(3).on()
  76.         pyb.LED(4).off()
  77.     elif(115<SHUCHU<150):
  78.         Quality = 'Medium pollution'
  79.         print('环境质量:中度污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
  80.         pyb.LED(1).off()
  81.         pyb.LED(2).off()
  82.         pyb.LED(3).on()
  83.         pyb.LED(4).off()
  84.     elif(150<SHUCHU<250):
  85.         Quality = 'Heavy pollution'
  86.         print('环境质量:重度污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
  87.         pyb.LED(1).on()
  88.         pyb.LED(2).off()
  89.         pyb.LED(3).off()
  90.         pyb.LED(4).off()
  91.     elif(250<SHUCHU):
  92.         Quality = 'Serious pollution'
  93.         print('环境质量:严重污染 ','PM2.5=',SHUCHU)
  94.         pyb.LED(1).on()
  95.         pyb.LED(2).off()
  96.         pyb.LED(3).on()
  97.         pyb.LED(4).off()
  98.     lcd_5110 = upcd8544.PCD8544(SPI, RST, CE, DC, LIGHT)
  99.     lcd_5110.lcd_write_string('AQI Level',0,0)
  100.     lcd_5110.lcd_write_string(str(Quality),0,1)
  101.     lcd_5110.lcd_write_string('PM2.5:',0,2)
  102.     lcd_5110.lcd_write_string(str(SHUCHU),0,3)
复制代码



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