Arduino筆記(73)：GP2Y1010AU0F 灰塵感測器檢測PM2.5

有一段時間空污的問題被炒得很熱，感覺很像嚴重，雖然各地都有空污監測的設備，隨時上網就可以看到(https://waqi.info/tw/)，以實作感測系統的角度來看，試著用 Arduino搭配 Sharp 的 GP2Y1010AU0F 灰塵感測器，來實作一下我們家室內的空氣品質如何？

[SHARP灰塵/粉塵感測器 GP2Y1010AU0F]

GP2Y1010AU0F 是一款光學空氣品質感測器，設計用來檢測空氣中的塵埃粒子，其內部對角放著紅外線發光二極體和光電電晶體，能夠探測到空氣中塵埃反射光，即使非常細小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測到，通常應用在空氣淨化系統中，可測量0.8微米以上的粒子，感知花粉、房屋粉塵等。該傳感器具有非常低的電流消耗（最大20mA，典型值11mA），輸出為類比電壓，其值與粉塵濃度成正比。GP2Y1010AU0F 特性如下：

電源電壓：5~7V
輸出電壓（無灰塵）： 0.9V（TYP）
工作溫度：-10~65攝氏度
消耗電流：20mA最大
最小粒子檢出值：0.8微米
靈敏度：0.5V/(0.1mg/m3)
清潔空氣中電壓：0.9V 典型值
工作溫度：-10~65℃

根據夏普GP2Y1010AU0F空氣品質感測器datasheet中的採樣值曲線圖和電氣特性表所示，資料輸出電壓範圍在0~3.6v之間，檢測到的灰塵濃度為0~0.8mg/m3之間。如下圖：

來源：Sharp

從上面的採樣圖中我們可以看出，當曲線在輸出電壓為3.6v左右時，電壓變化趨緩，而灰塵濃度變化為0.5~0.8mg/m3。由於AQI指數中普遍將0.5mg/m3作為空氣污染的上限，所以我們將最高值定為0.5mg/m3，即輸出電壓為3.4v。當沒有灰塵時輸出的電壓最低為0v，最高為1.5v，典型值為0.9v。也就是說，我們可以認為當輸出電壓為0.9v 時灰塵濃度為 0mg/m3。依照上圖的電氣特性表其敏感度可以看出：灰塵濃度每增加0.1mg/m3，輸出電壓就會增加0.5v（按照典型值計算）。

[安裝GP2Y1010AU0F Library]

本實作需要安裝以下程式庫：

lixplor / arduino-GP2Y1010AU0F-lib

程式庫(Library)安裝方法請參考另一篇文章: Arduino筆記：安裝 Arduino IDE 程式庫(Library)。

有關GP2Y1010AU0F函式庫的函式說明如下：

double outputV = GP2Y1010AU0F.getOutputV(); //對空氣採樣並獲取輸出電壓
double ugm3 = GP2Y1010AU0F.getDustDensity(outputV); // 根據輸入電壓計算灰塵濃度（ug / m3）
double aqi = GP2Y1010AU0F.getAQI(ugm3); //根據灰塵濃度計算空氣質量指數aqi（是將所有粒度的灰塵都按照PM2.5的指標計算的，並不準確）

根據空氣品質指標計算空氣品質等級如下：

GRADE_PERFECT：優
GRADE_GOOD：良
GRADE_POLLUTED_MILD：輕度污染
GRADE_POLLUTED_MEDIUM：中度污染
GRADE_POLLUTED_HEAVY：重度污染
GRADE_POLLUTED_SEVERE：嚴重污染

參考維基百科說明台灣空氣污染指標的級別：

來源：維基百科/台灣空氣污染指標

[材料]

Arduino UNO x 1
GP2Y1010AU0F x 1
GP2Y1010AU0F 排線 x 1
150歐姆電阻 x 1
220uF 電容 x 1
連接線 x n條

[接線圖]

GP2Y1010AU0F	Arduino UNO	說明
V-LED	VIN(5V)	LED供電(連接22uf電容跟150歐姆電阻)
LED-GND	GND	接地
LED	Pin5	LED控制
S-GND	GND	傳感器接地
V0	A0	檢測結果電壓模擬量輸出
VCC	VIN(5V)	供電

[程式]

#include <GP2Y1010AU0F.h>
#define PIN_LED 5
#define PIN_OUTPUT A0

GP2Y1010AU0F GP2Y1010AU0F(PIN_LED, PIN_OUTPUT);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  double outputV = GP2Y1010AU0F.getOutputV(); //採樣獲取輸出電壓
  double ugm3 = GP2Y1010AU0F.getDustDensity(outputV); //計算灰塵濃度
  double aqi = GP2Y1010AU0F.getAQI(ugm3); //計算aqi
  int gradeInfo = GP2Y1010AU0F.getGradeInfo(aqi); //計算級別
  String grade;
  switch (gradeInfo) {
    case GRADE_PERFECT:
      grade = String("GRADE_PERFECT");
      break;
    case GRADE_GOOD:
      grade = String("GRADE_GOOD");
      break;
    case GRADE_POLLUTED_MILD:
      grade = String("GRADE_POLLUTED_MILD");
      break;
    case GRADE_POLLUTED_MEDIUM:
      grade = String("GRADE_POLLUTED_MEDIUM");
      break;
    case GRADE_POLLUTED_HEAVY:
      grade = String("GRADE_POLLUTED_HEAVY");
      break;
    case GRADE_POLLUTED_SEVERE:
      grade = String("GRADE_POLLUTED_SEVERE");
      break;
  }
  //列印到監控視窗
  Serial.println(String("outputV=") + outputV + "\tug/m3=" + ugm3 + "\tAQI=" + aqi + "\tgrade=" + grade);

  //間隔
  delay(1000);
}

[執行結果]

下圖中電壓變化比較大是我對著感測器吹氣，揚起少數灰塵的結果：

[參考資料]

Application note of Sharp dust sensor GP2Y1010AU0F
Standalone: Sharp Dust Sensor
Github：lixplor / arduino-GP2Y1010AU0F-lib