Arduino实验——GP2Y1014检测空气颗粒物浓度

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。

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

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。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）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。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。

ILED 端输入脉冲波形要求

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：

#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。

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。

传感器模块与 Arduino 接口的连接如下：

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 sensorconst 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）。

输入脉冲 280us，模拟高浓度

输入脉冲 320us，模拟低浓度

输入脉冲 320us，模拟高浓度

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

空气污染指数分级标准

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