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Arduino实验——GP2Y1014检测空气颗粒物浓度


GP2Y1014AU0F 灰尘传感器模块

传感器介绍

GP2Y1014AU0F 是夏普公司生产的一款光学空气质量传感器。

Arduino实验——GP2Y1014检测空气颗粒物浓度_输入脉冲

在其中间有一个洞,空气可以自由流通,传感器内部邻角位置安装有红外发光二极管和光电晶体管,红外发光二极管定向发送红外光,当空气中有颗粒物阻碍红外线时,红外线发生漫反射,光电晶体管接收到红外光线,信号输出引脚电压会随之发生变化。该电压值在一定范围内与灰尘浓度成线性关系,因此在使用过程中,需要使用 ADC 采集该电压信号,并通过该电压值计算出空气中的灰尘浓度。

GP2Y1014AU0F 传感器通常应用于空气净化系统,可测量 0.8微米以上的微小粒子,可探测烟雾和花粉、室内外灰尘浓度等。由于体积较小、重量轻、接口简单、便于安装,广泛应用于空气净化器、换气空调、换气扇等产品。

传感器参数

  • 测量对象:直径大于 0.8μm 灰尘颗粒
  • 有效量程:500μg/m3
  • 灵敏度:0.5V/(0.1mg/m3),即灰尘浓度每变化 0.1mg/m3,输出电压变化 0.5V
  • 工作电压:2.5V-5.5V
  • 输出类型:电压模拟量
  • 工作温度:-10-65℃
  • 存储温度:-20~80℃
  • 使用寿命:5年

工作原理

  1. 通过设置模块 ILED引脚为高电平,从而打开传感器内部红外二极管。
  2. 等待 0.28ms,外部控制器采样模块 AOUT引脚的电压值。(因为传感器内部红外二极管在开启之后经过 0.28ms,输出波形才达到稳定)
  3. 采样持续 0.04ms 之后,再设置 ILED引脚为低电平,从而关闭内部红外二极管。
  4. 根据电压与浓度的关系即可计算出当前空气中的灰尘浓度。

Arduino实验——GP2Y1014检测空气颗粒物浓度_空气质量_02

ILED 端输入脉冲波形要求

Arduino实验——GP2Y1014检测空气颗粒物浓度_输入脉冲_03

ILED 输入脉冲与 AOUT 的采样时序

传感器输出特性

GP2Y1014AU0F 传感器输出电压与灰尘浓度关系在 0 到 0.5mg/m3 范围内成线性关系,如下图所示:

Arduino实验——GP2Y1014检测空气颗粒物浓度_GP2Y1014_04

在 0 ~ 0.5mg/m3 范围内取部分电压与浓度的对应值,得到如下转换公式,其中 v 为电压(单位 V),d 为浓度(单位 mg/m3)。

转换为通过 v 计算 d,得到如下公式:

在代码中我们将会定义对应的宏定义值:

#define    COV_RATIO                      0.17
#define NO_DUST_VOLTAGE 600

需要特别指出,由于这里使用的模块中对输出的电压做了分压处理,因此测量到的电压需要放大 11 倍才是实际传感器输出的电压。

Arduino实验——GP2Y1014检测空气颗粒物浓度_输入脉冲_07

硬件连接

GP2Y1014AU0F 传感器有六个引脚,如下图所示。参照上面的电路原理图,可知在我们使用的模块中,VCC 和 GND 是共用的,因此我们只需要连接四个引脚。

Arduino实验——GP2Y1014检测空气颗粒物浓度_PM2.5_08

传感器模块与 Arduino 接口的连接如下:

传感器模块

Arduino

说明

VCC

3.3V 或 5V

电源正(2.5V-5.5V)

GND

GND

电源地

AOUT

A0

电压模拟量输出

ILED

D3

传感器内部 LED 驱动

Arduino 代码

#define        COV_RATIO                           0.17// (ug/m3) / mv
#define NO_DUST_VOLTAGE 600// mv
#define SYS_VOLTAGE 5000// ADC参考电压

/*
I/O define
*/
const int iled = 3; //drive the led of sensor
const int vout = 0; //analog input

/*
variable
*/
float density, voltage;
int adcvalue;

/*
private function
*/
int Filter(int m)
{
static int flag_first = 0, _buff[10], sum;
const int _buff_max = 10;
int i;

if(flag_first == 0)
{
flag_first = 1;

for(i = 0, sum = 0; i < _buff_max; i++)
{
_buff[i] = m;
sum += _buff[i];
}
return m;
}
else
{
sum -= _buff[0];
for(i = 0; i < (_buff_max - 1); i++)
{
_buff[i] = _buff[i + 1];
}
_buff[9] = m;
sum += _buff[9];

i = sum / 10.0;
return i;
}
}

void setup(void)
{
pinMode(iled, OUTPUT);
digitalWrite(iled, LOW); //iled default closed
Serial.begin(9600); //send and receive at 9600 baud
}

void loop(void)
{
/*
get adcvalue
*/
digitalWrite(iled, HIGH);
delayMicroseconds(280);
adcvalue = analogRead(vout);
delayMicroseconds(40);
digitalWrite(iled, LOW);

adcvalue = Filter(adcvalue);

/*
covert voltage (mv)
*/
voltage = (SYS_VOLTAGE / 1024.0) * adcvalue * 11;

/*
voltage to density
*/
if(voltage >= NO_DUST_VOLTAGE)
{
voltage -= NO_DUST_VOLTAGE;
density = voltage * COV_RATIO;
}
else
density = 0;

/*
display the result
*/
Serial.print("The current dust concentration is: ");
Serial.print(density);
Serial.print(" ug/m3\n");

delay(1000);
}

经过前面一系列的铺垫,程序应该比较容易理解。但可能对 ​​Filter()​​​ 滤波函数比较陌生,​​Filter()​​ 函数的作用是记录最近采样的十个数据,计算出平均值。这样的好处是最终得到的数据不会与前面的数据相差太大,因为实际环境中的空气灰尘浓度是连续平滑变化的。

波形观察

因为使用万用表测量 AOUT 输出电压时发现电压一直很低,在几mv到十几mv之间,于是决定用示波器观察一下 ILED 和 AOUT 信号的波形情况(黄色通道1为 ILED 信号,绿色通道2为 AOUT 信号)。

Arduino实验——GP2Y1014检测空气颗粒物浓度_空气质量_09

输入脉冲 280us,模拟高浓度

Arduino实验——GP2Y1014检测空气颗粒物浓度_GP2Y1014_10

输入脉冲 320us,模拟低浓度

Arduino实验——GP2Y1014检测空气颗粒物浓度_GP2Y1014_11

输入脉冲 320us,模拟高浓度

Arduino实验——GP2Y1014检测空气颗粒物浓度_GP2Y1014_12

输入脉冲 1Hz,模拟高浓度

于是有了以下几点思考:

  • 无论传感器模块 VCC 给 5V 还是 3.3V,AOUT的电压值并没有影响,可能是因为其内部有升压电路,所以 2.5V-5.5V 电源输入都可以工作。
  • ILED的上升沿和下降沿都会影响 AOUT,但 AOUT此后仍有明显波动,应该与传感器的工作机制有关。
  • 输入脉冲周期可在合适范围内自行选择,ILED高电平大于 280us 即可正确读数,是否保持 320us 影响不大。
  • AOUT的输出保持与 ILED脉冲宽度并无明显关系,不会一直保持输出采样值,因此万用表读数很低是正常的。

输出调试

Arduino实验——GP2Y1014检测空气颗粒物浓度_PM2.5_13

空气污染指数分级标准

PM2.5 浓度均值(μg/m3)

空气质量 AQI

空气质量级别

空气质量指数类别

0-35

0-50

一级


35-75

51-100

二级


75-115

101-150

三级

轻度污染

115-150

151-200

四级

中度污染

150-250

201-300

五级

重度污染

250-500

≥300

六级

严重污染


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