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標題: Micropython/STM32F405:1小時制作PM2.5檢測儀視頻演示 [打印本頁]
作者: bodasister    時間: 2016-8-25 15:16
標題: Micropython/STM32F405:1小時制作PM2.5檢測儀視頻演示

    制作一個PM2.5檢測儀的想法是好，在1個小時內(nèi)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(nèi)制作出一個PM2.5檢測儀。（視頻+代碼演示）

    接下來我介紹一個在1個小時內(nèi)制作一個PM2.5的方法，首先介紹一下我從網(wǎng)上發(fā)現(xiàn)的一個好東西：TPYBoard開發(fā)板；它擁有自家的解析器、編譯器、虛擬機和類庫二次開發(fā)和環(huán)境，價格在python開發(fā)板里來說也是相當親民，可以開發(fā)很多有意思的小玩意，相當?shù)牟诲e啦~


    1. PM2.5檢測儀的目的

    采用TPYBoard開發(fā)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(nèi)/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(shè)定限度點亮不同的LED燈來知道當前空氣質(zhì)量等級。

    本系統(tǒng)電路簡單、工作穩(wěn)定、集成度高，調(diào)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(xiàn)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(shù)據(jù)通過串口上傳至主控板，主控板收集到數(shù)據(jù)后，同樣使用Python腳本語言將PM2.5的檢測結(jié)果顯示到LCD5110上。

我們先一起看一下最終的成品演示效果視頻

http://v.youku.com/v_show/id_XMTY5NjM5NDYwMA==.html

    參照1:TPYBoardLED亮燈狀態(tài)與 PM2.5日均濃度對應(yīng)的指數(shù)等級對應(yīng)表：

PM2.5值數(shù)
日均濃度值（ug/m3 ）
空氣質(zhì)量等級
LED燈狀態(tài)
0～50
0-35
優(yōu)
綠燈亮
50~100
35-75
良
綠燈亮
100～150
75-115
輕度污染
藍燈亮
150～200
115-150
中度污染
黃燈亮
200～300
150-250
重度污染
紅燈亮
>300
>250
嚴重污染
紅燈亮



    參照2: TPYBoard的硬件特點：
    -----------------------------------------------------------------------------------
    √ 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，通用存儲，HID協(xié)議。
    √ SD卡插槽。
    √ MMA76603軸加速度計.
    √ 4 LEDs, 1復(fù)位按鈕, 1通用按鈕.
    √ 3.3V0.3A板載 LDO , 可從USB口或者外置電池供電。
    √ 實時時鐘。
    √ 30個通用IO口，其中28個支持5V輸入輸出。
    √ 2個 SPI接口, 2個 CAN接口, 2個I2C接口, 5個USART接口.
    √ 14個 12-bit ADC引腳。
    √ 2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(fā)板1塊，主要用來當主控開發(fā)板，讀入傳感器數(shù)據(jù)。
    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(shù)據(jù)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(wǎng)站上文檔TPYBoard 關(guān)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(shù)據(jù)傳到PTYBoard，所以只用到RED即PTYBoard的X4引腳。

   
    圖1
    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(yīng)關(guān)系如下：

    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

                           圖2

    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:

                              圖3
    4.PM2.5粉塵傳感器工作原理及數(shù)據(jù)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(jù)光的散射原理來開發(fā)的，微粒和分子在光的照射下會產(chǎn)生光的散射現(xiàn)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(yīng)待測場灰塵的相對濃度。光強的大小和經(jīng)光電轉(zhuǎn)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(fā)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(chǎn)生散射，另一面的接收器，是依據(jù)接收到的激光強度來發(fā)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真圖所示：

  

    4.2 PM2.5粉塵傳感器傳感器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是靠串口進行傳輸?shù)模瑐鞲衅鲿ㄟ^串口每10ms不到（一般3～4ms）發(fā)送一個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的類型大致是個“0X00”這樣的16進制的數(shù)據(jù)。每次的數(shù)據(jù)會以“0XAA”作為起始端，以“0XFF”作為結(jié)束端。共7個數(shù)據(jù)位，7個數(shù)據(jù)位中包含了起始位，結(jié)束位，數(shù)據(jù)高位，數(shù)據(jù)低位，數(shù)據(jù)高校驗位，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的組成一共是有7個數(shù)據(jù)位，但是只有Vout（H）和Vout（L）這兩個數(shù)據(jù)才是我們真正所需要的。我們需要依照這兩個數(shù)據(jù)算出來串口輸出的數(shù)字數(shù)據(jù)，從而通過數(shù)模轉(zhuǎn)換公式來計算出輸出的電壓。進一步的通過比例系數(shù)計算出空氣中顆粒物的數(shù)量。下面來說一下怎么計算。

    傳感器輸出的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)化成10進制的（這個大家都會，不多說了）。然后根據(jù)這兩個輸出值的10進制數(shù)計算出串口輸出數(shù)值的電壓。

    公式如下（其中Vout（H）和Vout（L）是已轉(zhuǎn)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(jù)比例系數(shù)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(shù)值還要根據(jù)你買到的傳感器的精度，準確度和誤差值進行確定。我現(xiàn)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(fā)送一個16進制的采樣數(shù)據(jù)，也就是說傳感器通電（接通VCC和GND）后，每隔3～4ms發(fā)送一個16進制的采樣數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，使用串口當然先定義串口，通過打開就可以接收串口數(shù)據(jù)，關(guān)閉串口就停止接收數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，最后關(guān)閉串口，并且處理采樣數(shù)據(jù)及顯示，依次循環(huán)。

    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(shù)據(jù)），再運行main.py即可看到當前的空氣質(zhì)量等級以及PM2.5的濃度值了。

7.代碼部分




作者: borwell    時間: 2016-8-29 09:50
精彩
作者: 格萊姆森    時間: 2016-12-22 14:04
感謝分享 謝謝




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