[Micropython]TPYBoardV10X PM2.5检测仪制作视频演示

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    一、[Micropython]TPYBoardV10X 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。

    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！

    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。

    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：

    -----------------------------------------------------------------------------------

    √ 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。

    -----------------------------------------------------------------------------------

    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。

   图1

    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

    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

                            图2

    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:

    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。

    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：

    内部结构仿真图

    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。

    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。

# 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)