夏普GP2Y1010AU0F灰塵傳感器在STM32平台上的使用
一、傳感器的概述
GP2Y1010AUOF是日本夏普公司開發的一款光學灰塵濃度檢測傳感器。此傳感器内部成對角分布的紅外發光二極管和光電半導體，利用光敏原理來工作。用于檢測特别細微的顆粒，如香煙顆粒、細微灰塵。依靠輸出脈沖的高度來判斷顆粒濃度。
二、傳感器的一些參數
三、傳感器的工作原理
圖（1）
圖（2）
夏普GP2Y1010AU0F灰塵傳感器價格較便宜，隻能檢測出室内空氣中的灰塵和煙塵含量.并不能測出所謂的PM2.5濃度，然而現在市面上有好多紅外發光二極管的傳感器都稱自己是PM2.5傳感器，能測PM2.5的值，其實并不是，真正能測PM2.5濃度的是那種上百的雷射傳感器，這種紅外的連PM10都測不了，隻能用來玩玩，或者大概描述空氣品質的等級而已，經我多次實驗，發現這傳感器顯示的灰塵濃度與網上公布的AQI空氣品質指數比較接近，跟真實的PM2.5濃度有很大的差別，這測出的灰塵濃度其實就是所有不同直徑的顆粒物總和，裡面包含了PM1.0，PM2.5，PM10
其原理如上圖（2）所示，傳感器中心有個洞可以讓空氣自由流過，定向發射LED光，通過檢測經過空氣中灰塵折射過後的光線來判斷灰塵的含量。
四、傳感器與STM32的連接配接
（注：把圖中的430單片機直接換成STM32就行，接線順序跟電阻、電容的大小都不變）
在這裡簡單地說一下，為什麼要這樣接？
1. 電阻R1和電容C1：因為V-LED和LED-GND是給紅外發光二極管供電的，是以不能直接接上5V,需要串一個150歐的電阻來限流，另外為了穩定供電，還需要在給發光二極管供電的正極和負極上并一個220uf的電容。
2. 三極管：可以增加LED的驅動能力（建議加上，加上後比較穩定）
3. 電阻R2：起到限流作用，因為該傳感器的最大工作電流為20mA
4. 電阻R3和R4：起分壓作用（因為該傳感器是5V供電，而32單片機的AD采樣最大電壓為3.3V）
5. 上圖中的P1.2為脈沖輸入腳，為傳感器提供輸入信号（該PWM的占空比規定為0.032）
6. 上圖中的P6.5為單片機的ADC模拟輸入腳，用來輸出信号的
（圖1） （圖2）
圖1為脈沖輸入波形，周期為10ms，高電平為0.32ms
圖2為AD采樣時序，由圖可知，在輸入上升沿到輸出的峰值，時間為280us左右，就在此時進行采樣，因為整個高電平持續的時間為320us，是以在打開紅外發光二極管280us後采樣，然後延時40us後關閉紅外發光二極管，最後再延時9680us(輸入波形的周期為10ms)，這就實作了一次完整的工作
資料手冊上面有關電壓值與灰塵濃度的關系比例圖
由圖可知，該曲線在前半部分是有一定的斜率的，大約到0.6mg/m3左右，該曲線不再增長，此時輸出的電壓最大為3.6V左右，但是在曲線的前半部分，是可以得出電壓值與灰塵濃度的關系：Dust density = 0.17 * Output Voltage
根據技術手冊可知，當空氣潔淨的時候，Vo的範圍是0~1.5V，典型值是0.9V
當空氣灰塵濃度很高的時候，Vo的數值大于3.6V。但是該傳感器輸出的最大電壓為3.6V，是以當灰塵濃度再增加時，我們這款傳感器已經測不出了
0.9V表示空氣潔淨，3.6V表示空氣灰塵很多。由于空氣中不可能一點灰塵都沒有，是以取個正常值0.9V，換成灰塵濃度就是0.053mg/m3
當達到最大電壓值3.6V時，此時的灰塵濃度為0.512mg/m3
是以我們這個傳感器的範圍就是0~512ug/m3（這個512隻是一個估算大約的值，實際情況中還是有可能超出這值的）
五、主要的程式代碼
Main.c
#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_SysTick.h"
#include "bsp_usart1.h"
#include "bsp_GP2Y.h"
#include "bsp_pwm_output.h"
#include "bsp_TiMbase.h"
#define FILTER_N 7
int A[32];
volatile u32 time = 0; // ms 計時變量
void Delay(__IO uint32_t nCount)
{
for(; nCount != 0; nCount--);
}
voidTIM3_Configuration(void);
void TIM3_NVIC_Configuration(void);
int main(void)
{
float calcVoltage ;
int filter_sum, i ,j ,dust;
int filter_max, filter_min;
int filter_buf[FILTER_N];
SysTick_Init();
USART1_Config();
TIM3_Configuration();
TIM3_NVIC_Configuration();
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3 , ENABLE);
Adc_Init();
TIM3_PWM_Init();
Delay_ms(200); //等待傳感器穩定工作//
while(1)
{
if(time==200) //10ms發生一次中斷，等到中斷200次後，即2s//
{
time=0;
for(i = 0; i < FILTER_N; i++)
{
GP2Y_Low; //打開紅外二極管//
Delay_us(280); //延時280us//
filter_buf[i]=Get_Adc(ADC_Channel_10); //采樣，讀取AD值//
Delay_us(19); //延時19us，因為這裡我設了AD采樣的周 期為239.5，是以AD轉換一次需耗時21us，19加21再加280剛好是320us,這跟上面說的高電平持續的時間為0.32ms//
GP2Y_High; //關閉紅外二極管//
Delay_us(9680); //延時9680us//
}
filter_max = filter_buf[0];
filter_min = filter_buf[0];
filter_sum = filter_buf[0];
for(i = FILTER_N - 1; i > 0; i--)
{
if(filter_buf[i] > filter_max)
filter_max=filter_buf[i];
else if(filter_buf[i] < filter_min)
filter_min=filter_buf[i];
filter_sum = filter_sum + filter_buf[i];
filter_buf[i] = filter_buf[i - 1];
}
i = FILTER_N - 2;
filter_sum = filter_sum - filter_max - filter_min + i/2; //加上i/2是為了四舍五入//
filter_sum = filter_sum / i;
calcVoltage=filter_sum*(3.3/ 4096)*2; /因為上面采集到的是AD值，這裡要把它轉換為電壓值//
（注：為什麼我在公式的最後要乘以2呢？這個2是一定不能少的，因為我們将它與32單片機連接配接的時候，加了兩個10K的電阻分壓，讀取到的電壓值已減小了一半，但這不是實際采取到的電壓，是以要在最後乘以2傳回原來的電壓值）
dust=(0.17*calcVoltage-0.1)*1000; //乘以1000機關換成ug/m3//
if (dust<0)
dust=0; //限位//
if (dust>500)
dust=500;
printf("\r\n電壓值:%fV\n",calcVoltage);
printf("\r\n灰塵濃度:%dug/m3\n",dust);
}
}
}
以上就是主要的一些程式，由于該傳感器不太穩定，輸出波形抖動較大，是以在程式裡我加上了數字濾波算法，我采用那種去極值取平均的中位值濾波法，在傳感器工作一次時，取輸出波形的連續幾個波峰的峰值，存到數組裡，然後進行去掉最大值，最小值的操作，剩下的取平均
六、實際操作
實物連接配接圖如下：
把程式燒進單片機，觀察其輸出的值
對比右圖可知，一般室内的灰塵濃度所對應的電壓值都是0.9V左右
再對比一下網上公布的空氣指數
對比可知，該傳感器測出的值與網上公布的AQI指數比較接近
我們再來看看這輸入波形和輸出波形
黃色的是輸入波形，藍色的是輸出波形
（注：這圖像上顯示的電壓值是分壓後的）
當我往傳感器的中心孔裡放根杜邦線時，可以看到其輸出波形立馬飙升，說明這傳感器還是挺靈敏的
當往孔裡插根杜邦線或者一支筆時，測出的值立馬到達最大值3.6V左右，這是對顆粒物的靈敏度，對于煙霧類型的也很敏感，我利用電烙鐵焊錫時産生的煙霧，經傳感器測量也能到達最大值，顯示的灰塵濃度達530ug/m3.
由于這傳感器的内部存有空隙，是以當你外加煙霧給它時，會有少量的煙霧殘留在内部的空隙裡，才會出現為什麼我把煙霧撤去之後，顯示的濃度依然很大，這時你需往孔裡吹口氣，将裡面殘留的煙霧吹走，這時才恢複你室内正常的濃度，否則的話，你得等待一段時間，待裡面的煙霧慢慢散去.