Arduino制作PM2.5测量仪（使用GP2Y1010AU0F灰尘传感器）

2020年4月6日科技爱好者Arduino、硬件产品 / 热度：503℃

GP2Y1010AU0F灰尘传感器在STM32平台下使用夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器测量PM2.5空气污染指数中已经详细介绍过，本文使用Arduino连接GP2Y1010AU0F灰尘传感器，打造一个低成本的PM2.5测量仪，实时检测空气质量。以下是教程。

一、GP2Y1010AU0F灰尘传感器原理介绍

本文再详细介绍下这个传感器的测量原理。

这是传感器内部电路图传感器内部有红外发光管和光电晶体管，利用光敏原理来工作。传感器的3号引脚控制LED灯，通过发射红外光来检测特别细微的颗粒，如香烟颗粒、细微灰尘，依靠传感器输出脉冲的高度来判断颗粒浓度。

再看下脉冲波形：

这个表示传感器工作时需要一个驱动电平波，时间周期为10ms，其中低电平占时0.32ms（是低电平，没有写错）。
再看看电压取样脉冲：

根据上图可以得到传感器采样的时机，即要在低电平持续0.28ms后，马上取样（这时脉冲的高度最高，为最准确的输出值）。因为低电平长0.32ms，所以采样后再保持低电平0.04ms，然后将电平拉到高电平，持续9.68ms后完成一个工作周期（因为前文说过，一个工作周期为10ms）。

再看下传感器输出电压和粉尘浓度的关系。

根据关系图，我们要写出浓度和电压之间的关系，看下“斜截式方程：y=kx+b”怎么写：

选取电压和浓度关系图上斜线的两点，（0，0.6）、（0.4，3），根据“两点式”得到，浓度转化公式为：

浓度=[传感器输出模拟电压 * 0.1667 - 0.1] * 1000;

二、灰尘浓度与PM2.5指数转换

首先要说的是，PM2.5即细颗粒物是指直径在2.5微米以下的颗粒物，能长时间的悬浮在空气中。而夏普的GP2Y1010AU0F灰尘传感器只是用于检测特别细微的颗粒，如香烟颗粒、细微灰尘，并不能准确测量PM2.5数值，仅仅作为一个参考。

但是这里还将其对照中国的PM2.5指数标准进行转换。

首先看下PM2.5标准。

所以，我们通过传感器获得灰尘浓度后，按照PM2.5指数对应的浓度进行相应转换即可。参考来源：PM2.5指数的中美标准差异

三、传感器控制原理

传感器原理图：

从图中可以看到：

传感器的3号管脚要接单片机的数字输出脚。

当LED=0的时候，传感器内部的PNP三极管导通，红外光二极管发光。
当LED=1的时候，传感器内部的PNP三极管截止，红外光二极管停止发光

Vo需要接到单片机的ADC引脚，测试Vo的电压，就可以根据电压和灰尘浓度的比例图，得到灰尘浓度。

四、GP2Y1010AU0F灰尘传感器与Arduino连接

传感器和Arduino硬件连接：

Sharp pin 1 (V-LED) =>连接在 150欧姆电阻和 220uf电容的中间
Sharp pin 2 (LED-GND) => GND 接地
Sharp pin 3 (LED) => Arduino PIN 2 （开关LED）
Sharp pin 4 (S-GND) => GND 接地
Sharp pin 5 (Vo) => Arduino A0 pin （空气质量数据通过电压模拟信号输出）
Sharp pin 6 (Vcc) => 5V

实物图：

五、Arduino程序

代码如下：

int dustPin=0;
int ledPower=2;
int delayTime=280;
int delayTime2=40;
float offTime=9680;
float dustVal=0;
float dustVot=0;
float dustDensity=0;
int Pm2_5 = 0;

void setup(){
Serial.begin(9600);
pinMode(ledPower,OUTPUT);
pinMode(dustPin, INPUT);
}
 
void loop(){
// ledPower is any digital pin on the arduino connected to Pin 3 on the sensor
digitalWrite(ledPower,LOW);
delayMicroseconds(delayTime);
dustVal=analogRead(dustPin);
delayMicroseconds(delayTime2);
digitalWrite(ledPower,HIGH);
delayMicroseconds(offTime);
 
delay(1000);

//  将ADC输出值转换为模拟电压值
dustVot = dustVal*0.0049;   

/* 
 * 将采集到的电压值转换为粉尘浓度
 * 公式：浓度=[传感器输出模拟电压 * 0.1667 - 0.1] * 1000;
 * 公式根据根据官方规格书中的《Fig. 3 Output Voltage vs. Dust Density》图表计算得出
 * 公式未经过校准，仅为理论计算值
 * 得出粉尘的浓度，单位为微克每立方米  
 */
dustDensity = ((dustVot*0.1667)-0.1)*1000;  

//  将粉尘的浓度转换为PM2.5指数
//  参考标准为PM2.5中国标准
if (dustDensity < 35) {
  Pm2_5 = dustDensity * 1.4286;
  }
else if (dustDensity < 150) {
  Pm2_5 = (dustDensity - 35)* 1.25 + 50 ;
  }
else if (dustDensity < 250) {
  Pm2_5 = (dustDensity - 150)* 1 + 200 ;
  }
else Pm2_5 = (dustDensity - 250)* 0.8 + 300 ;

Serial.println(Pm2_5);
}

将程序编译后上传，打开串口，即可看到测量到的PM2.5数值。