基于Arduino的空氣質(zhì)量檢測(cè)器設(shè)計(jì)

游 猛，李 敏

(樂(lè)山師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院， 四川 樂(lè)山 614000)

?

基于Arduino的空氣質(zhì)量檢測(cè)器設(shè)計(jì)

游 猛，李 敏

(樂(lè)山師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院， 四川 樂(lè)山 614000)

研究開(kāi)發(fā)了基于Arduino的空氣質(zhì)量檢測(cè)器，能對(duì)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(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以便環(huán)保部門(mén)及時(shí)了解周?chē)諝赓|(zhì)量狀況。該檢測(cè)器能通過(guò)藍(lán)牙將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給用戶手機(jī)，具有小巧輕便、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

Arduino開(kāi)發(fā)板；PM2.5顆粒；有害氣體；濕度；物聯(lián)網(wǎng)

1　引言

清潔的空氣是由氮?dú)?、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?dú)庹伎諝饪偭康?8.06%、氧氣占20.95%、稀有氣體占0.93%。但是，隨著工業(yè)及交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，大量的有害物質(zhì)(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(zhì)量變差，人民的健康受到的影響日益嚴(yán)重。如何能實(shí)時(shí)掌握生活環(huán)境的空氣質(zhì)量，為環(huán)保部門(mén)提供實(shí)時(shí)信息，以做出相應(yīng)的治理，對(duì)提高人民居住環(huán)境的空氣質(zhì)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(shè)計(jì)了一個(gè)基于Arduino開(kāi)發(fā)板的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)器。傳感器將采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)：總懸浮顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等發(fā)送給Arduino。Arduino將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出質(zhì)量好壞的結(jié)論，并將結(jié)論送手機(jī)和液晶顯示器顯示。

2　設(shè)計(jì)原理

為了實(shí)時(shí)掌握周?chē)h(huán)境的空氣質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Arduino芯片的空氣質(zhì)量檢測(cè)器。該檢測(cè)器由8個(gè)模塊組成：Arduino UNO開(kāi)發(fā)板、空氣質(zhì)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(shí)鐘芯片、HC-06藍(lán)牙模塊、LCD1602液晶顯示器和手機(jī)。Arduino為核心控件，將各種傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送液晶顯示，或送藍(lán)牙模塊再發(fā)送手機(jī)。DS3231為Arduino提供時(shí)鐘信號(hào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

3　系統(tǒng)硬件介紹

3.1Arduino UNO簡(jiǎn)介

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子平臺(tái)，包含硬件(各種型號(hào)的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)，具有開(kāi)放性、發(fā)展迅速、跨平臺(tái)、簡(jiǎn)單清晰等特點(diǎn)。

圖1　空氣質(zhì)量檢測(cè)器原理

Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本(圖2)，作為Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口(其中6路可作為PWM輸出)，6路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。UNO已經(jīng)發(fā)布到第三版，與前兩版相比有以下新的特點(diǎn)：①在AREF處增加了兩個(gè)管腳SDA和SCL，支持I2C接口；②增加IOREF和一個(gè)預(yù)留管腳，將來(lái)擴(kuò)展板將能兼容5V和3.3V核心板；③改進(jìn)了復(fù)位電路設(shè)計(jì)；④USB接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2。

圖2　Arduino UNO開(kāi)發(fā)板

3.2空氣質(zhì)量傳感器QS-01

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

圖3是QS-01傳感器的工作電路?？烧{(diào)或定值負(fù)載RI上電壓的變化體現(xiàn)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(fù)載RI必須符合參數(shù)表1中的數(shù)據(jù)。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(duì)數(shù)關(guān)系。

圖3　QS-01標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字溫濕度傳感器由一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)，常運(yùn)用于暖通空調(diào)、濕度調(diào)節(jié)器、家電、氣象站、醫(yī)療、除濕器等測(cè)量溫濕度的地方。其溫濕度測(cè)量范圍及精度如表2所示。

表2　可測(cè)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(fù)極；N/A:不接；DATA:數(shù)字信號(hào)輸出。

圖5　溫濕度傳感器DHT11

3.4時(shí)鐘芯片DS3231

DS3231是低成本、高精度I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，具有集成的溫補(bǔ)晶振(TCXO)和晶體。該器件包含電池輸入端，斷開(kāi)主電源時(shí)仍可保持精確的計(jì)時(shí)。集成晶振提高了器件的長(zhǎng)期精確度，并減少了生產(chǎn)線的元件數(shù)量。RTC保存秒、分、時(shí)、星期、日期、月和年信息。少于31 d的月份，將自動(dòng)調(diào)整月末的日期，包括閏年的修正。時(shí)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(gè)可設(shè)置的日歷鬧鐘和一個(gè)可設(shè)置的方波輸出。片上控制電路可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電源檢測(cè)，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(xù)提供精確的計(jì)時(shí)和溫度，性能不受影響(圖6)。

圖6　DS3231時(shí)鐘芯片

3.5SDS011 PM2.5傳感器

在此項(xiàng)目中，由于激光能測(cè)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(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；內(nèi)置風(fēng)扇，數(shù)字化輸出，集成度高等特點(diǎn)。其相關(guān)參數(shù)如表3。

表3　技術(shù)指標(biāo)

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(hào)引腳說(shuō)明符號(hào)引腳說(shuō)明VSS電源地D2DataI/OVDD電源正極D3DataI/OVL液晶顯示偏壓信號(hào)D4DataI/ORS數(shù)據(jù)/命令選擇端(V/L)D5DataI/OR/W讀/寫(xiě)選擇端(H/L)D6DataI/OE使能信號(hào)D7DataI/OD0DataI/OBLA背光源正極D1DataI/OBLK背光源負(fù)極

3.7HC-06藍(lán)牙模塊

選用HC-06藍(lán)牙模塊(圖9)將傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給手機(jī)。由于藍(lán)牙具有低功耗、快速連接、配置簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。HC-06引腳功能：VCC：3.3V電源接入端;GND：接地端;RXD：接收數(shù)據(jù)段；TXD：發(fā)送數(shù)據(jù)段。

圖9　HC-06藍(lán)牙模塊

3.8系統(tǒng)總體硬件電路

空氣質(zhì)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(zhì)量數(shù)據(jù)發(fā)送給Arduino。Arduino將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出質(zhì)量好壞的結(jié)論，并將結(jié)論送手機(jī)和液晶顯示器顯示(圖10)。

圖10　空氣質(zhì)量檢測(cè)器實(shí)物

4　系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

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

圖11　系統(tǒng)主程序流程

圖12　LCD顯示程序流程

圖13　MQ-135程序流程

5　結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用多種傳感器采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送給Arduino分析處理，得出質(zhì)量好壞的結(jié)論，并將結(jié)論用液晶顯示器顯示且通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送手機(jī)。設(shè)計(jì)特色為采用Arduino開(kāi)發(fā)板為核心控件，具有功能強(qiáng)大、編程簡(jiǎn)單、容易上手的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)手機(jī)與Arduino的通信，即Arduino能將傳感器采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)發(fā)送給手機(jī)。

圖14　藍(lán)牙程序流程

[1]陳呂洲.Arduino程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]2版.北京:航空航天大學(xué)出版社,2015.

[2]溫江濤，張煜.物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺(tái)DIY——Arduino+Xively+手機(jī)+微信[M].北京：科學(xué)出版社,2015.

[3]張志勇.現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2014.

[4]孫駿榮.Arduino互動(dòng)設(shè)計(jì)入門(mén) 計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2015.

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

[6]朱世豪,彭克勤,彭絡(luò)峰. 基于arduino的室內(nèi)空氣檢測(cè)器[J]. 無(wú)線互聯(lián)科技,2015(1):191～216.

[7]李彤. 基于Arduino的便攜式能見(jiàn)度儀的設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué),2013.

[8]陳媛,韓星晨,高鴻波. 基于Arduino的空氣細(xì)微顆粒物檢測(cè)器設(shè)計(jì)[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(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(編號(hào)：201510649024)

游猛(1993—)，男，樂(lè)山師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院學(xué)生。

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

X51

A

1674-9944(2016)14-0250-04