Arduino制作PM2.5測量儀（使用GP2Y1010AU0F灰塵傳感器）

GP2Y1010AU0F灰塵傳感器在STM32平台下使用夏普GP2Y1010AU0F灰塵傳感器測量PM2.5空氣污染指數中已經詳細介紹過，本文使用Arduino連接GP2Y1010AU0F灰塵傳感器，打造一個低成本的PM2.5測量儀，實時檢測空氣質量。以下是教程。

一、GP2Y1010AU0F灰塵傳感器原理介紹

本文再詳細介紹下這個傳感器的測量原理。

這是傳感器內部電路圖傳感器內部有紅外發光管和光電晶體管，利用光敏原理來工作。傳感器的3號引腳控制LED燈，通過發射紅外光來檢測特別細微的顆粒，如香煙顆粒、細微灰塵，依靠傳感器輸出脈沖的高度來判斷顆粒濃度。

再看下脈沖波形：

這個表示傳感器工作時需要一個驅動電平波，時間周期為10ms，其中低電平占時0.32ms（是低電平，沒有寫錯）。
再看看電壓取樣脈沖：

根據上圖可以得到傳感器采樣的時機，即要在低電平持續0.28ms后，馬上取樣（這時脈沖的高度最高，為最准確的輸出值）。因為低電平長0.32ms，所以采樣后再保持低電平0.04ms，然后將電平拉到高電平，持續9.68ms后完成一個工作周期（因為前文說過，一個工作周期為10ms）。

再看下傳感器輸出電壓和粉塵濃度的關系。

根據關系圖，我們要寫出濃度和電壓之間的關系，看下“斜截式方程：y=kx+b”怎么寫：

選取電壓和濃度關系圖上斜線的兩點，（0，0.6）、（0.4，3），根據“兩點式”得到，濃度轉化公式為：

濃度=[傳感器輸出模擬電壓 * 0.1667 - 0.1] * 1000;

二、灰塵濃度與PM2.5指數轉換

首先要說的是，PM2.5即細顆粒物是指直徑在2.5微米以下的顆粒物，能長時間的懸浮在空氣中。而夏普的GP2Y1010AU0F灰塵傳感器只是用於檢測特別細微的顆粒，如香煙顆粒、細微灰塵，並不能准確測量PM2.5數值，僅僅作為一個參考。

但是這里還將其對照中國的PM2.5指數標准進行轉換。

首先看下PM2.5標准。

所以，我們通過傳感器獲得灰塵濃度后，按照PM2.5指數對應的濃度進行相應轉換即可。參考來源：PM2.5指數的中美標准差異

三、傳感器控制原理

傳感器原理圖：

從圖中可以看到：

傳感器的3號管腳要接單片機的數字輸出腳。

當LED=0的時候，傳感器內部的PNP三極管導通，紅外光二極管發光。
當LED=1的時候，傳感器內部的PNP三極管截止，紅外光二極管停止發光

Vo需要接到單片機的ADC引腳，測試Vo的電壓，就可以根據電壓和灰塵濃度的比例圖，得到灰塵濃度。

四、GP2Y1010AU0F灰塵傳感器與Arduino連接

傳感器和Arduino硬件連接：

Sharp pin 1 (V-LED) =>連接在 150歐姆電阻和 220uf電容的中間
Sharp pin 2 (LED-GND) => GND 接地
Sharp pin 3 (LED) => Arduino PIN 2 （開關LED）
Sharp pin 4 (S-GND) => GND 接地
Sharp pin 5 (Vo) => Arduino A0 pin （空氣質量數據通過電壓模擬信號輸出）
Sharp pin 6 (Vcc) => 5V

實物圖：

五、Arduino程序

代碼如下：

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);

//  將ADC輸出值轉換為模擬電壓值
dustVot = dustVal*0.0049;   

/* 
 * 將采集到的電壓值轉換為粉塵濃度
 * 公式：濃度=[傳感器輸出模擬電壓 * 0.1667 - 0.1] * 1000;
 * 公式根據根據官方規格書中的《Fig. 3 Output Voltage vs. Dust Density》圖表計算得出
 * 公式未經過校准，僅為理論計算值
 * 得出粉塵的濃度，單位為微克每立方米  
 */
dustDensity = ((dustVot*0.1667)-0.1)*1000;  

//  將粉塵的濃度轉換為PM2.5指數
//  參考標准為PM2.5中國標准
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);
}

將程序編譯后上傳，打開串口，即可看到測量到的PM2.5數值。