制作一個PM2.5測試儀

霧霾已成常態(tài)，自己DIY一個PM2.5檢測儀還是很有必要的。利用零基礎(chǔ)入門開發(fā)板 Arduino UNO R3，只需很簡單的電路和很少的代碼就能自制一個PM2.5檢測儀。為保證測量精度，這里選用激光粉塵傳感器來測試空氣中的霧霾污染程度，同時選用DHT11來檢測環(huán)境溫度和濕度，非常適合中小學(xué)生練習(xí)。

一、制作PM2.5檢測儀所需的材料

Arduino UNO R3開發(fā)板，一個

激光PM2.5傳感器，一個

1.3寸OLED屏，1個

溫濕度傳感器DHT11，一個

面包板，一個

杜邦線，若干

電阻，阻值約5k，1個

二、元件介紹

1、Arduino UNO R3開發(fā)板

Arduino是一個開放源代碼的設(shè)計平臺，由硬件Arduino板和軟件Arduino IDE集成開發(fā)環(huán)境兩部分組成。Arduino板是一個以AVR單片機為核心的開源硬件平臺，有多種型號和配套資源，其中最基礎(chǔ)、最常用的是Arduino UNO R3板，價格低廉、售價約23元，體積小巧、使用方便。Arduino IDE是一款非常優(yōu)秀的軟件開發(fā)平臺，界面簡潔友好，上手快，具有很好的跨平臺性。

Arduino編程是基于入門級的C語言，門檻低，最重要的是在Arduino環(huán)境中，很多功能均已封裝成函數(shù)，可直接調(diào)用函數(shù)完成相應(yīng)的功能，大大降低了編程復(fù)雜度，學(xué)生無需具備太多的單片機知識就可使用 Arduino板與各種傳感器、電子元件連接，快速搭建出各種有趣的、實用的電路，實現(xiàn)豐富的功能。Arduino還支持第三方庫和硬件等，靈活性和擴展性強。

2、激光PM2.5傳感器

為保證測試精度，選用了一款激光PM2.5傳感器，缺點是售價比較離譜，這東西成本不高，但因為缺乏競爭，所以價格一直居高不下。

該傳感器接口有6個引腳，但實際上只用到4個，各引腳定義如下所示。

傳感器采用異步串行通信方式（UART），以幀為單位進行通訊。幀格式固定，每一幀由9 個字節(jié)組成，分命令幀和應(yīng)答幀。當(dāng)外部設(shè)備向傳感器發(fā)送命令幀時，傳感器會回復(fù)外部設(shè)備對應(yīng)的應(yīng)答幀。

波特率：9600；

校驗位：無；

停止位：1 位；

數(shù)據(jù)位：8；

3、OLED屏

OLED顯示屏采用有機發(fā)光二極管，不需背光源，是一種較新型的顯示屏，缺點是價格較高，不如LCD壽命長。

有機發(fā)光顯示技術(shù)由非常薄的有機材料涂層和玻璃基板構(gòu)成。當(dāng)有電荷通過時這些有機材料就會發(fā)光。OLED發(fā)光的顏色取決于有機發(fā)光層的材料，故廠商可由改變發(fā)光層的材料而得到所需之顏色。有源陣列有機發(fā)光顯示屏具有內(nèi)置的電子電路系統(tǒng)因此每個像素都由一個對應(yīng)的電路獨立驅(qū)動。OLED具備有構(gòu)造簡單、自發(fā)光不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣等優(yōu)點。

本例程采用128x64的1.3寸OLED單色顯示屏，IIC接口

接線時，請務(wù)必仔細(xì)核對電源和地線，不要接反。

4、溫濕度傳感器

DHT11 是一款廉價的溫濕度傳感器，利用濕敏電阻測量濕度，采用數(shù)字溫度傳感器測試溫度，并由單片機處理后采用串行輸出。DHT11 售價約4元，就是略丑。DHT22 售價約15元，雖然顏色變白了，但顏值依然很低。二者管腳定義一樣，但操作時序不同在應(yīng)用時需要注意。這里，我們選用DTH11型號。

DHT11的硬件連接非常簡單，原理圖如下：

三、軟件環(huán)境配置

安裝

雙擊arduino-1.8.3-windows.exe，出現(xiàn)安裝導(dǎo)向，依次確認(rèn)，默認(rèn)安裝即可。安裝完成后，桌面上會出現(xiàn)Arduino軟件的logo，下次使用時雙擊。

配置開發(fā)環(huán)境

插入Arduino UNO R3開發(fā)板，系統(tǒng)自動安裝USB驅(qū)動。

選擇相應(yīng)的板卡

選擇端口

可以通過設(shè)備管理器查看設(shè)備對應(yīng)的端口情況，本機對應(yīng)的是COM5。

驗證

打開文件，示例，找到Blink程序

點擊對號驗證程序能否通過編譯，如果一切正常；點擊向右的箭頭將編譯好的程序上傳至Arduino UNO R3的AVR單片機中；也可以直接點擊該箭頭，IDE會先執(zhí)行驗證，通過驗證后直接上傳。

如果看到LED燈閃爍，說明一切正常。恭喜你，安裝成功，板卡正常。

添加第三方庫

啟動Adruino IDE

項目-》加載庫-》管理庫，搜索DHT，安裝 DHT sensor library，以支持DHT11

項目-》加載庫-》管理庫，搜索U8GLIB，安裝 U8GLIB，以支持OLED

四、開始動手實踐

操作溫濕度傳感器

1、先把Arduino UNO R3板子上的電源和地引到面包板上

2、把溫濕度傳感器連接好，其中傳感器的數(shù)據(jù)輸出SDA接Arduino板的A0口。溫濕度的連接方式非常簡單，如本文前面的原理圖所示，除了電源和地，只有一根SDA線經(jīng)5-10k電阻上拉至5V，同時接Arduino板的A0口即可。

3、調(diào)入例程

文件-》示例-》DHT sensor library -》DHTtester

4、修改數(shù)據(jù)輸入端

#define DHTPIN A0// what digital pin we‘re connected to

5、修改例程，支持 DHT11，去掉該行前面的//

#define DHTTYPE DHT11 // DHT 11

6、上傳程序，打開串口監(jiān)視器，設(shè)置9600波特率，觀察環(huán)境溫濕度。

操作OLED屏

1、斷開Arduino UNO R3板子的電源

2、把OLED屏連接好，由于是IIC接口，電路連接很簡單，OLED屏除了連接好電源和地，只需將SCL接Arduino板的A5端，SDA接Arduino板的A4端即可。

3、調(diào)入例程

文件-》示例-》U8glib -》helloword

4、修改例程，支持OLED，去掉該行前面的//

U8GLIB_SH1106_128X64 u8g（U8G_I2C_OPT_NONE）;// I2C / TWI

5、上傳程序，觀察OLED屏的顯示是否正確。

操作PM2.5傳感器

該傳感器是一款激光數(shù)字式PM2.5傳感器，內(nèi)置激光器和光電接收組件，采用光散射原理，激光在顆粒物上產(chǎn)生散射光，由光電接收器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再通過特定算法計算出PM2.5值和PM10值。

該傳感器采用串口輸出，除了1腳接地，2腳接電源，再將3腳TXD和4腳RXD分別接Arduino板的D5、D6端口，當(dāng)然，您也可以接別的端口，只要程序做相應(yīng)的修改即可。

常用指令只需要三條，分別是開機指令、讀取PM2.5值指令和關(guān)機指令，不妨根據(jù)手冊自己編寫試試，簡單起見，可以用串口監(jiān)視器顯示結(jié)果。

五、編寫程序，實現(xiàn)PM2.5檢測儀

由于硬件電路已經(jīng)逐步連接完畢，下面可以針對整個電路編寫程序了，把各部分功能統(tǒng)一起來，軟件示例代碼如下：

#include 《DHT.h》

#include “U8glib.h”

#include 《SoftwareSerial.h》

// 說明，這僅是一個簡單的示例程序，目的是幫助初學(xué)者入門

#define DHTPIN A0 // 接溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)端

// 選擇合適的溫濕度傳感器型號

#define DHTTYPE DHT11 // DHT 11

//#define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 （AM2302）， AM2321

uint8_t PM25_OPEN［］ = {0xAA，0x01，0x00，0x00，0x00，0x00，0x01，0x66，0xBB}; //開機指令

uint8_t PM25_CLOSE［］ = {0xAA，0x03，0x00，0x00，0x00，0x00，0x01，0x68，0xBB}; //關(guān)機指令

uint8_t PM25_DATA［］ = {0xAA，0x02，0x00，0x00，0x00，0x00，0x01，0x67，0xBB}; //讀數(shù)據(jù)指令

DHT dht（DHTPIN， DHTTYPE）;

// 軟串口定義格式 SoftwareSerial（rxPin， txPin， inverse_logic）

SoftwareSerial mySerial（5， 6）; //定義軟串口，D5、D6分別連接PM2.5傳感器的3（TXD）、4（RXD）

U8GLIB_SH1106_128X64 u8g（U8G_I2C_OPT_NONE）; // I2C / TWI OLED屏定義

uint16_t pm25， pm10;

float h， t， hic;

void setup（） {

mySerial.begin（9600）; //設(shè)置軟串口波特率與PM2.5傳感器一致

if （ u8g.getMode（） == U8G_MODE_R3G3B2 ） {

u8g.setColorIndex（255）; // white

}

else if （ u8g.getMode（） == U8G_MODE_GRAY2BIT ） {

u8g.setColorIndex（3）; // max intensity

}

else if （ u8g.getMode（） == U8G_MODE_BW ） {

u8g.setColorIndex（1）; // pixel on

}

else if （ u8g.getMode（） == U8G_MODE_HICOLOR ） {

u8g.setHiColorByRGB（255，255，255）;

}

pmOn（）;

delay（2000）;

}

int i=0;

void loop（） {

u8g.firstPage（）;

if （i==0） pmRead（）;

if（i》=5） i=0;else i++;

dhtRead（）;

do {

draw（）;

} while（ u8g.nextPage（） ）;

delay（500）;

}

void pmOn（）{

mySerial.write（PM25_OPEN，9）;

}

void pmOff（）{

mySerial.write（PM25_CLOSE，9）;

}

void pmRead（）{

uint8_t data［9］;

//while（mySerial.available（））;

mySerial.write（PM25_DATA，9）;

delay（100）;

for（int i=0;i《9;i++）{

if （mySerial.available（）） {

data［i］ = mySerial.read（）;

}

}

if（data［0］==0xAA && data［8］== 0xBB）{

pm25 = data［4］*256 + data［5］;

pm10 = data［2］*256 + data［3］;

}

}

void dhtRead（）{

// Reading temperature or humidity takes about 250 milliseconds！

// Sensor readings may also be up to 2 seconds ‘old’ （its a very slow sensor）

h = dht.readHumidity（）;

// Read temperature as Celsius （the default）

t = dht.readTemperature（）;

// Compute heat index in Celsius （isFahreheit = false）

hic = dht.computeHeatIndex（t， h， false）;

}

void draw（void） {

// graphic commands to redraw the complete screen should be placed here

char sendBuff［20］;

u8g.setFont（u8g_font_unifont_78_79）;

sprintf（sendBuff，“%c”，14）;

u8g.drawStr（ 0， 18， sendBuff）;

u8g.setFont（u8g_font_unifont）;

sprintf（sendBuff，“H：%2d%% T：%2d%cC”，（int）h，（int）t，0xB0）;

u8g.drawStr（ 20， 18， sendBuff）;

u8g.setFont（u8g_font_profont22）;

sprintf（sendBuff，“PM2.5：%4d”，pm25）;

u8g.drawStr（ 6， 42， sendBuff）;

sprintf（sendBuff，“PM 10：%4d”，pm10）;

u8g.drawStr（ 6， 64， sendBuff）;

}

運行結(jié)果

六、工匠精神

為使這款PM2.5檢測儀更具有實用性，你也可以動手制作印刷電路板，為便于初學(xué)者使用，主控芯片可以采用與Arduino UNO R3板子一樣的CPU。