基于Arduino的空氣細微顆粒物檢測器設計

南昌航空大學 陳 媛 韓星晨 高鴻波

基于Arduino的空氣細微顆粒物檢測器設計

南昌航空大學 陳 媛 韓星晨 高鴻波

基于Arduino對傳感器的處理和控制原理，制作了一個以SHARP粉塵傳感器為傳感器，Arduino Ethernet為控制中心的實時空氣細微顆粒物檢測器。利用Arduino對SHARP粉塵傳感器的控制，將采集到的空氣細微顆粒物數據進行處理，把Arduino Ethernet板作為PC板的接口，將實時數據傳輸到xively網站上，除了能夠利用互聯網共享數據外，借助xively網站對傳感器采集的數據處理的優勢，將檢測器周圍的空氣質量更直觀的呈現給人們。

Arduino；Ethernet板；SHARP粉塵檢測器；xively網站

1.引言

在各大城市，由于“不起眼”的空氣細微顆粒物(pm2.5)所造成的霧霾天氣越來越嚴重，進而引發各種嚴重的呼吸道疾病以及心血管疾病危及人們的身體健康。空氣細微顆粒物的檢測也引起了人們的重視。然而對于衛生環保局定期公布大范圍城市的空氣為顆粒物的檢測情況已經遠遠不能滿足人們的日常生活。我們需要的是隨時，隨地了解我們周圍環境(如在汽車中，在工廠或者家中的環境)的pm2.5(空氣細微顆粒物)，從而做好各種預防以及清潔措施。雖然國內外有各種對粉塵檢測器的研究，但從現有的粉塵器看來，它們大都價格昂貴，且不適合家具個人，常用于工廠，再者體積龐大，所以一個能夠普及大眾經濟實惠小型且又能精確檢測出我們周邊的pm2.5的檢測器變得十分的有必要。在這一背景下，我們制作了一個簡單，攜帶方便，經濟實惠，且適合家具個人的空氣細微顆粒物檢測器。

本文主要介紹現有的研究，基于Arduino的空氣細微顆粒物的傳感器的檢測原理即sharp粉塵器，sharp粉塵器與Arduino板的電路簡單搭建，該款傳感器的核心控制—Arduino，xively網站，實現實時共享數據不可或缺的部分，以及液晶顯示模塊DS1307。

2.現有研究

從國內外文獻研究，現在常用的測細微顆粒物的方法有：重量法；β射線吸收法；微量振蕩天法。

(1)重量法：將細微顆粒物直接截留到濾膜上，然后用天平稱重，這就是重量法。

(2)β射線吸收法：將細微顆粒物收集到濾紙上，然后照射一束beta射線，射線穿過濾紙和顆粒物時由于被散射而衰減，衰減的程度和細微顆粒物的重量成比。

(3)微量振蕩天平法：一頭粗一頭細的空心玻璃管，粗頭固定，細頭裝有濾芯。空氣從粗頭進，細頭出，細微顆粒物就被截留在濾芯上。在電場的作用下，細頭以一定頻率振蕩，該頻率和細頭重量的平方根成反比。于是，根據振蕩頻率的變化，就可以算出收集到的細微顆粒物的重量。

基于上述的研究方法，國內外研究了幾款傳感器，國內比較好的粉塵傳感器以GCG1000粉塵傳感器為代表，但該傳感器主要用于煤礦不適用家居以及個人使用，以及體型龐大，價格昂貴。國外Dylos公司生產的DC1100 Pro Air Quality空氣細微顆粒檢測儀是一個真正的激光顆粒檢測器，帶兩種不同的測量范圍。小的通道(0.5微米)應該可以看到細菌和霉菌。高一點的通道(2.5微米)可以看到灰塵和花粉。本設備能保存長達30天的空氣質量數據。雖然具有各方面的優勢，但價格較貴，不適家居。

3.空氣細微顆粒物檢測器的制做

3.1 硬件電路設計

制作一個小型經濟實惠的空氣細微顆粒物檢測器，選取粉塵傳感器是十分重要的。通過對空氣細微顆粒物檢測的原理學習，考慮到檢測的精度，經濟成本，我們選取sharp粉塵器(夏普粉塵傳感器)。夏普粉塵器的傳感器精度0.1mg/cm3，在5v的激勵電壓下即可使用，同時也適用于常溫之下。這塊檢測電路的主要核心為Arduino Ethenet板，它是以Arduino為核心處理器的一塊板子，Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環境，Arduino Ethenet特別之處：(1)數字口10、11、12、13是預留作為與Ethernet模塊通訊，因此可用的數字IO口只有9個，其中4個可以作為PWM輸出；(2)還有接USB轉串口通信。利用這兩個特性作pc的接口，同時它附帶的w5100能夠實現以太網的功能，即連接電腦，實現可聯網，將數據傳輸到xively上去。xively是一種網(http://www.xively.com)，它幫助你在世界范圍連接和共享來自物體、設備、建筑和環境的感應裝置實時數據，并且創建標簽。綜上所述，我們可以利用Arduino作為底層的感知點，而xively則可以作為上層的網絡服務。夏普粉塵傳感器的原理是：如果空氣中的塵埃流入感測器的的中央孔穴時，紅外發光二極管的光線會散射，此時利用光檢測器檢測散射光，就能達到檢測塵埃的目的。

其次我們將夏普粉塵傳感器與Arduino Ethenet連接，圖3.1為連接管腳圖以及粉塵器內部檢測電路。

最后在顯示模塊中，我們利用了DS1307的能夠實時顯示時刻的特性，以Arduino作為核心控制器器，LM1602液晶作為顯示器，制作顯示電路模塊。圖3.2為最終成型電路。

圖3.1 連接管腳圖以及粉塵器內部檢測電路(該圖摘自夏普粉塵器的說明書)

圖3.2 最終成型電路

3.2 實物成型及實驗檢測結果

現在我們利用空氣細微顆粒物檢測器首先在無煙環境下的顯示情況(如圖3.3所示)：

D(density)表示空氣中細微顆粒物的濃度(mg/m3)，由于是陰雨天的數據，故濃度值偏高。后面字母表示等級(A為濃度值小于150，B為濃度值在150-300，C為濃度值在300-1050，D為濃度值在1050-3000，E為濃度值大于3000)。

下面一幅圖為人為制造的煙霧(向傳感器吹的香煙煙霧)，并上傳到網站(圖3.4)從圖中可以看出該空氣質量為D并不好。

圖3.3

圖3.4

4.結束語

這款空氣細微顆粒物檢測器與其他的粉塵檢測器的不同之處在于它能夠利用Arduino與PC上的一些軟件相連接，在網上實現共享數據。Sharp粉塵器雖然達不到工業粉塵器的精確程度，但其精確程度足以滿家庭民用個人需求。因此，這是一款低成本，低能耗，可聯網，隨時檢測身邊的空氣質量的家居空氣細微顆粒物檢測器。

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