基于Arduino的空氣質量檢測器設計

游 猛，李 敏

(樂山師范學院 物理與電子工程學院， 四川 樂山 614000)

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基于Arduino的空氣質量檢測器設計

游 猛，李 敏

(樂山師范學院 物理與電子工程學院， 四川 樂山 614000)

研究開發了基于Arduino的空氣質量檢測器，能對空氣中的香煙氣味、氨氣、硫化物等有害氣體、懸浮顆粒PM2.5和空氣溫濕度進行實時檢測，以便環保部門及時了解周圍空氣質量狀況。該檢測器能通過藍牙將檢測結果發送給用戶手機，具有小巧輕便、操作簡單等特點。

Arduino開發板；PM2.5顆粒；有害氣體；濕度；物聯網

1　引言

清潔的空氣是由氮氣、氧氣和稀有氣體等組成，這3種氣體約占空氣總量99.94%，其它氣體總和不到1 ‰。其中氮氣占空氣總量的78.06%、氧氣占20.95%、稀有氣體占0.93%。但是，隨著工業及交通運輸業的不斷發展，大量的有害物質(例如，重金屬、微生物、粉塵顆粒物PM2.5等)被排放到空氣中，空氣的正常組份被改變，空氣質量變差，人民的健康受到的影響日益嚴重。如何能實時掌握生活環境的空氣質量，為環保部門提供實時信息，以做出相應的治理，對提高人民居住環境的空氣質量，提高人民的健康水平具有重要意義。

基于以上原因，筆者設計了一個基于Arduino開發板的空氣質量實時檢測器。傳感器將采集的空氣質量數據：總懸浮顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等發送給Arduino。Arduino將采集到的數據進行分析，得出質量好壞的結論，并將結論送手機和液晶顯示器顯示。

2　設計原理

為了實時掌握周圍環境的空氣質量，設計了一個基于Arduino芯片的空氣質量檢測器。該檢測器由8個模塊組成：Arduino UNO開發板、空氣質量傳感器(QS-01)、激光PM2.5粉塵傳感器SDS011、DHT11溫濕度傳感器、DS3231時鐘芯片、HC-06藍牙模塊、LCD1602液晶顯示器和手機。Arduino為核心控件，將各種傳感器采集的數據進行處理后發送液晶顯示，或送藍牙模塊再發送手機。DS3231為Arduino提供時鐘信號。系統結構原理如圖1所示。

3　系統硬件介紹

3.1Arduino UNO簡介

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子平臺，包含硬件(各種型號的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)，具有開放性、發展迅速、跨平臺、簡單清晰等特點。

圖1　空氣質量檢測器原理

Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本(圖2)，作為Arduino平臺的參考標準模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時具有14路數字輸入/輸出口(其中6路可作為PWM輸出)，6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。UNO已經發布到第三版，與前兩版相比有以下新的特點：①在AREF處增加了兩個管腳SDA和SCL，支持I2C接口；②增加IOREF和一個預留管腳，將來擴展板將能兼容5V和3.3V核心板；③改進了復位電路設計；④USB接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2。

圖2　Arduino UNO開發板

3.2空氣質量傳感器QS-01

空氣質量傳感器選用日本原裝進口的二氧化錫半導體氣體傳感器QS-01，QS-01對空氣污染源(諸如：VOC)都有很高的靈敏度，并且響應時間很快，可以在極地功耗的情況下獲得極好的感應特性，對香煙氣味、硫化物、氨氣這類異味氣體，對酒精、一氧化碳等較高濃度的有機氣體也有很好的靈敏度，非常適合應用于空氣品質控制系統、空氣清新機和排風電扇。

圖3是QS-01傳感器的工作電路?？烧{或定值負載RI上電壓的變化體現了傳感器阻值Rs的變化。為了保證好的工作特性，加熱電壓Vh、工作電壓Vc和負載RI必須符合參數表1中的數據。圖4是QS-01的靈敏度曲線，傳感器阻值減少與氣體濃度增加之間呈對數關系。

圖3　QS-01標準電路

注：CO(一氧化碳)、ethanol(酒精) 、hygrogen(氫氣)、ISP-butane methane(異丁烷)(甲烷)、 anmonia(氨氣)

圖4　靈敏度特性

3.3溫濕度傳感器DHT11

DHT11數字溫濕度傳感器由一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點，常運用于暖通空調、濕度調節器、家電、氣象站、醫療、除濕器等測量溫濕度的地方。其溫濕度測量范圍及精度如表2所示。

表2　可測溫濕度范圍及精度

圖5為傳感器DHT11，VCC:接電源正極(5V)；GND:接電源負極；N/A:不接；DATA:數字信號輸出。

圖5　溫濕度傳感器DHT11

3.4時鐘芯片DS3231

DS3231是低成本、高精度I2C實時時鐘(RTC)，具有集成的溫補晶振(TCXO)和晶體。該器件包含電池輸入端，斷開主電源時仍可保持精確的計時。集成晶振提高了器件的長期精確度，并減少了生產線的元件數量。RTC保存秒、分、時、星期、日期、月和年信息。少于31 d的月份，將自動調整月末的日期，包括閏年的修正。時鐘的工作格式可以是24 h或帶/AM/PM指示的12 h格式。提供兩個可設置的日歷鬧鐘和一個可設置的方波輸出。片上控制電路可實現自動電源檢測，并管理主電源和備用電源(即低壓電池)之間的電源切換。如果主電源掉電，該器件仍可繼續提供精確的計時和溫度，性能不受影響(圖6)。

圖6　DS3231時鐘芯片

3.5SDS011 PM2.5傳感器

在此項目中，由于激光能測量PM2.5更小的灰塵顆粒，采用的是SDS011傳感器(圖7)，利用激光散射原理，能夠得到空氣中0.3～10 μm懸浮顆粒物濃度，數據穩定可靠；內置風扇，數字化輸出，集成度高等特點。其相關參數如表3。

表3　技術指標

圖7　SDS011 PM2.5傳感器

3.6LCD1602

LCD1602液晶顯示器如圖8，引腳功能如表4。

圖8　LCD1602 液晶顯示器

符號引腳說明符號引腳說明VSS電源地D2DataI/OVDD電源正極D3DataI/OVL液晶顯示偏壓信號D4DataI/ORS數據/命令選擇端(V/L)D5DataI/OR/W讀/寫選擇端(H/L)D6DataI/OE使能信號D7DataI/OD0DataI/OBLA背光源正極D1DataI/OBLK背光源負極

3.7HC-06藍牙模塊

選用HC-06藍牙模塊(圖9)將傳感器采集的數據實時傳送給手機。由于藍牙具有低功耗、快速連接、配置簡單等特點。HC-06引腳功能：VCC：3.3V電源接入端;GND：接地端;RXD：接收數據段；TXD：發送數據段。

圖9　HC-06藍牙模塊

3.8系統總體硬件電路

空氣質量傳感器(QS-01)、激光PM2.5粉塵傳感器SDS011、溫濕度傳感器DHT11將采集的空氣質量數據發送給Arduino。Arduino將采集到的數據進行分析處理，得出質量好壞的結論，并將結論送手機和液晶顯示器顯示(圖10)。

圖10　空氣質量檢測器實物

4　系統程序設計

系統程序主要由主程序，LCD液晶顯示子程序，空氣質量傳感器子程序和藍牙子程序，以及手機APP子程序組成。流程圖如圖11～14.

圖11　系統主程序流程

圖12　LCD顯示程序流程

圖13　MQ-135程序流程

5　結語

本設計采用多種傳感器采集空氣質量數據，數據發送給Arduino分析處理，得出質量好壞的結論，并將結論用液晶顯示器顯示且通過藍牙發送手機。設計特色為采用Arduino開發板為核心控件，具有功能強大、編程簡單、容易上手的特點。設計的創新點在于實現手機與Arduino的通信，即Arduino能將傳感器采集的空氣質量數據，實時發送給手機。

圖14　藍牙程序流程

[1]陳呂洲.Arduino程序設計基礎[M]2版.北京:航空航天大學出版社,2015.

[2]溫江濤，張煜.物聯網智能家居平臺DIY——Arduino+Xively+手機+微信[M].北京：科學出版社,2015.

[3]張志勇.現代傳感器原理及應用[M].北京：電子工業出版社,2014.

[4]孫駿榮.Arduino互動設計入門 計算機與互聯網[M]. 北京：科學出版社，2015.

[5]許曉明,王海濱,伍迪,等. 一種基于Arduino平臺的家庭空氣質量檢測加濕凈化器[J]. 森林工程,2016(2):61～64.

[6]朱世豪,彭克勤,彭絡峰. 基于arduino的室內空氣檢測器[J]. 無線互聯科技,2015(1):191～216.

[7]李彤. 基于Arduino的便攜式能見度儀的設計[D].南京：南京理工大學,2013.

[8]陳媛,韓星晨,高鴻波. 基于Arduino的空氣細微顆粒物檢測器設計[J]. 電子世界,2014(7):156.

Design of Air Quality Detector Based on Arduino

You Meng, Li Min

(SchoolofPhysicsandElectronicEngineering,LeshanNormalUniversity,Leshan,Sichuan614000,China)

In this study, we developed an air quality detector based on the Arduino.It couldbe used for the real-time detection of the smell of cigarettes, ammonia, sulfur and other harmful gases, suspended particles PM2.5and air temperature and humidity so that the environmental protection department couldtimely obtain ambient air quality status. The detector could send the detection result to the user’s mobile phone by Bluetooth, which was compact, portable and simple tooperate.

Arduino Development Board;Suspended Particles PM2.5;Harmful Gases;Temperature and Humidity; the Internet of Things

2016-06-02

國家級大學生創新創業訓練項目(編號：201510649024)

游猛(1993—)，男，樂山師范學院物理與電子信息工程學院學生。

李敏(1977—)，女，教授，主要從事電路與系統、數字信號處理等方面的研究。

X51

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1674-9944(2016)14-0250-04