AVR系列

制作灵感来源于国外一个叫做 urban feeds 的项目。仪器能够采集：

• 温度
• 湿度
• CO2浓度
• O3浓度
• 光照强度
• 人流量
• 大于1微米空气悬浮粒子
• 大于2.5微米空气悬浮粒子
• 日期时间
• 位置信息
  

采用SD卡存储数据，锂电池供电，外观如图：

2011-12-10 09:06 上传
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全部配件包括：

• 密封盒 1个 115×90×55
  
  
  2011-12-10 10:08 上传
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• arduino UNO核心板 1块
  
  
  2011-12-10 10:12 上传
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• SD卡模块1个及SD卡1张(容量不限，但由于FAT16文件分区格式的限制单个分区应小于2G)
  
  
  2011-12-10 10:18 上传
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  2011-12-10 10:18 上传
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  2011-12-10 23:43 上传
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• SHT10温湿度传感器 1个
  
  
  2011-12-10 10:34 上传
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• BH1750FVI光照传感器 1个
  
  
  2011-12-10 10:37 上传
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• MG811二氧化碳(CO2)传感器(无需底板) 1个
  
  
  2011-12-10 11:29 上传
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• MQ131臭氧(O3)传感器(无需底板) 1个
  
  
  2011-12-10 11:29 上传
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• 七星座 2个
  
  
  2011-12-10 11:29 上传
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• DSM501A粉尘传感器 1个
  
  
  2011-12-10 11:32 上传
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• SIRF II GPS模块 1个
  
  
  2011-12-10 11:50 上传
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• HC-SR501 人体红外感应模块 1个
  
  
  2011-12-10 11:50 上传
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• 0.5A 单锂电池充电、升压板(保护+充电+升压+充电指示)  1块
  
  
  2011-12-10 11:55 上传
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• 606168P 聚合物锂电池 3.7V 2800mAH 1块
  
  
  2011-12-10 11:51 上传
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• CA3140 阻抗变换 1个
• 二极管1N4007 1个
• 3mm 发光二极管LED 绿(颜色随意) 1个
• 电容 10nF(104贴片) 1个
• 电阻 220 1个、10K(104贴片) 1个、22K 1个、10K 2个、1K 1个
• 双面洞洞板 2×8cm 1块
• 单排针 间距2.54mm 高11mm和高17mm 若干
• 彩色杜邦线建议最短20cm 若干
• KN3-3 拨动开关(六脚) 1个
• M3螺母 若干
• 6+12 M3铜柱子 若干
• M3螺丝 包括10mm和6mm(非必需) 若干
• M3空心铜柱(非必需) 若干
  

电路部分：

• SD卡接法请参考：arduino学习笔记18 - SD卡读写实验
• SHT10 data脚接D8,clock脚接D9
• BH1750FVI 是I2C协议，参见：arduino学习笔记27 - DS1307 RTC时钟芯片与DS18B20数字温度传感器实验中DS1307 与UNO板的接法
• MG811二氧化碳传感器阻抗变换电路如图，接A3：
  
  
  2011-12-10 22:17 上传
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  2011-12-10 22:20 上传
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• MQ131臭氧传感器辅助电路如图，接A2：
  
  
  2011-12-10 22:24 上传
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• DSM501A粉尘传感器接线如图，接输出1接D7，输出2接D6：
  
  
  2011-12-10 22:30 上传
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• SIRF II GPS模块TX接D0,RX接D1
• HC-SR501 人体红外感应模块输出接A1
• 发光二极管串联220欧姆电阻接在电源地和D2之间
• 锂电池充电、升压板与锂电池接法按板子说明连接
• 六角拨动开关一组控制仪器电源开关，一组控制锂电池充电开关，两组控制状态互斥如示意图：
  
  
  2011-12-10 22:47 上传
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• 电源供电从锂电池充电、升压板升压输出端+5v经拨动开关仪器电源一组连接到UNO Vin脚；电池充电从UNO +5v输出经拨动开关仪器充电一组接到锂电池充电、升压板充电输入端
• 从锂电池充电、升压板充电输入端引出线到A0并为A0设置10K下拉电阻
• 所有传感器(除SD卡、温湿度)的+5v输入接UNO Vin脚，SD卡和温湿度传感器接UNO +5v输出脚；所有传感器的GND和锂电池充电、升压板的充电输入、+5V升压输出的GND接UNO GND脚
  

仪器组装：

2011-12-10 23:39 上传
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DSM501A粉尘传感器 需垂直安装
仪器内部：

2011-12-10 23:48 上传
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2011-12-10 23:51 上传
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程序代码：

• //davidce 20111211
• 
  
• // Include
• #include <SHT1x.h>
• #include <SD.h>
• #include <Wire.h>
• 
  
• // Digital pin
• // SHT1x
• #define ShtDataPin  8  //data
• #define ShtClockPin 9  //clock
• SHT1x sht1x(ShtDataPin, ShtClockPin);
• // system light
• #define systemLightPin 2
• //DSM501A DUST
• #define DSMPin2_5  6
• #define DSMPin1_0  7
• //SD card
• File myFile;
• #define SD_CSPin  10
• char filename[] = "result.txt";
• String order= "";
• //GPS
• #define rxPin 0                    // RX PIN
• #define txPin 1                    // TX TX
• 
  
• // Analog pin
• const int powerInPin = A0;    // check power state for the bettery charge
• const int infrRayPin = A1;    //infrared ray
• const int o3Pin = A2;          //MQ131
• const int co2Pin = A3;          //MQ811
• 
  
• // Variable
• boolean inCharge = false;      //bettery charging mark
• const unsigned long warmTime = 60000;     //system warmming 60000 ms
• const unsigned long scanTime = 0;     //get data fre scanTime = scanTime + flashTime
• const unsigned long flashTime = 250;
• unsigned long previousMillis = 0;        //前一次判断时间点
• unsigned long partMillis=0;              //到溢出时计算的时间
• const unsigned long sectev = 30;           // 时间间隔(秒)
• const unsigned long interval = 30000;           // 时间间隔(毫秒) = sectev * 1000
• const unsigned long mintev = 30000000; // 时间间隔(微秒) =interval * 1000
• //BH1750 IIC Mode
• const int BH1750address = 0x23; //setting i2c address
• byte buff[2];
• //GPS
• int byteGPS = -1;
• char linea[300] = "";
• char comandoGPR[7] = "$$GPRMC";
• int cont=0;
• int bien=0;
• int conta=0;
• int indices[13];
• 
  
• void setup() {
•   if(!SD.begin(SD_CSPin))
•   {
•     return;
•   }
•   // read the value from the power
•   int powerValue = analogRead(powerInPin); // variable to store the value coming from the power
•   if(powerValue>1000)
•   {
•     inCharge=true;
•     Serial.begin(4800);  //port speed for GPS
•   }
•   else
•   {
•     //check if the log file exists and add name of items to the new file
•     if (!SD.exists(filename))
•     {
•       myFile = SD.open(filename, FILE_WRITE);
•       if (myFile)
•       {
•         myFile.print("date_UTC");
•         myFile.print(9,BYTE);
•         myFile.print("time_UTC");
•         myFile.print(9,BYTE);
•         myFile.print("lat");
•         myFile.print(9,BYTE);
•         myFile.print("lon");
•         myFile.print(9,BYTE);
•         myFile.print("temp_C");
•         myFile.print(9,BYTE);
•         myFile.print("hum_PER");
•         myFile.print(9,BYTE);
•         myFile.print("pcs_1");
•         myFile.print(9,BYTE);
•         myFile.print("pcs_2_5");
•         myFile.print(9,BYTE);
•         myFile.print("peop_tra");
•         myFile.print(9,BYTE);
•         myFile.print("O3");
•         myFile.print(9,BYTE);
•         myFile.print("CO2");
•         myFile.print(9,BYTE);
•         myFile.println("light_lx");
•         myFile.close();
•       }
•     }
•     for (int i=0;i<300;i++)
•     {       // Initialize a buffer for received data
•       linea=' ';
•     }
•     pinMode(systemLightPin, OUTPUT);
•     pinMode(DSMPin2_5, INPUT);
•     pinMode(DSMPin1_0, INPUT);
•     pinMode(rxPin, INPUT);
•     pinMode(txPin, OUTPUT);
•     Wire.begin();
•     Serial.begin(4800);  //port speed for transform
•     digitalWrite(systemLightPin, HIGH);
•     delay(warmTime);
•   }
• }
• 
  
• void loop(){
•   if(!inCharge)                  // work state
•   {
•     float temp_c =sht1x.readTemperatureC();
•     float humidity = sht1x.readHumidity();
• 
  
•     unsigned long currentMillis;
•     boolean goloop=true;
•     partMillis=0;
•     unsigned long duration1_0=0;
•     unsigned long duration2_5=0;
•     long temp1_0=0;
•     long temp2_5=0;
•     unsigned long rayMark=0;        //人流量计数
•     double rayFreq = 0.0;        //人流量频率
• 
  
•     while(goloop)      //loop
•     {
•       currentMillis = micros();
•       if(currentMillis<previousMillis)
•       {
•         partMillis = 4294967295 -  previousMillis +1;
•         previousMillis = 0;
•       }
•       if(currentMillis - previousMillis - partMillis < mintev)
•       {
•         //1.0
•         if(temp1_0==0)
•         {
•           temp1_0=-1;
•           temp1_0=pulseIn(DSMPin1_0, LOW);
•         }
•         if(temp1_0>0)
•         {
•           duration1_0 =duration1_0 + temp1_0;
•           temp1_0=0;
•         }
•         //2.5
•         if(temp2_5==0)
•         {
•           temp2_5=-1;
•           temp2_5=pulseIn(DSMPin2_5, LOW);
•         }
•         if(temp2_5>0)
•         {
•           duration2_5 =duration2_5 + temp2_5;
•           temp2_5=0;
•         }
•       }
•       else
•       {
•         goloop=false;
•         previousMillis=currentMillis;
•       }
•       //human transform
•       int rayState = analogRead(infrRayPin);
•       if(rayState>500)
•       {
•         rayMark = rayMark + 1;
•       }
•     }
•     double per =double(duration1_0)/double(interval);// had multiply 1000
•     int pcs1_0 = -1;
•     pcs1_0 =  per * 50.0;
•     per =double(duration2_5)/double(interval);// had multiply 1000
•     int pcs2_5 = -1;
•     pcs2_5 =  per * 50.0;
•     rayFreq = double(rayMark) /double(sectev);
• 
  
•     // light
•     uint16_t lightval=0;
•     BH1750_Init(BH1750address);
•     delay(200);
•     if(2==BH1750_Read(BH1750address))
•     {
•       lightval=((buff[0]<<8)|buff[1])/1.2;
•     }
• 
  
•     //MQ131
•     int O3v=analogRead(o3Pin);
•     float O3ppb=float(O3v) * 0.0049;    //not realy value
•     float O3mg_m3 = O3ppb * 48 / 22.4 / 1000;  //need ajaust
•     //MG811
•     int CO2v=analogRead(co2Pin);
•     float CO2ppb=float(CO2v) * 0.0049;    //not realy value
• 
  
•     //GPS
•     String datestr = "";    //date UTC (ddmmyy)
•     String timestr = "";    //time UTC (hhmmss.sss)
•     String latstr = "";    //Latitude (ddmm.mmmm)
•     String lonstr = "";    //Longitude (dddmm.mmmm)
•     boolean isGPSOK = false;
•     bien=0;
•     while(bien!=6)
•     {
•       byteGPS=Serial.read();
•       if(byteGPS == -1)
•       {
•         delay(100);
•       }
•       else
•       {
•         linea[conta]=byteGPS;        // If there is serial port data, it is put in the buffer
•         conta++;
•         if(byteGPS==13)
•         {
•           cont=0;
•           bien=0;
•           for (int i=1;i<7;i++)
•           {     // Verifies if the received command starts with $$GPRMC
•             if (linea==comandoGPR[i-1])
•             {
•               bien++;
•             }
•           }
•           if(bien==6)  // If yes, continue and process the data
•           {
•             for (int i=0;i<300;i++)
•             {
•               if (linea==',')
•               {    // check for the position of the  "," separator
•                 indices[cont]=i;
•                 cont++;
•               }
•               if (linea=='*')
•               {    // ... and the "*"
•                 indices[12]=i;
•                 cont++;
•               }
•             }
•             String dataString;
•             int outindex;
•             outindex=1;
•             for (int j=indices[outindex];j<(indices[outindex+1]-1);j++)
•             {
•               if(linea[j+1]=='A')
•               {
•                 isGPSOK = true;
•               }
•             }
•             outindex=8;  //Date UTC (ddmmyy)
•             dataString="";
•             for (int j=indices[outindex];j<(indices[outindex+1]-1);j++)
•             {
•               dataString = dataString + linea[j+1];
•             }
•             datestr=dataString;
•             outindex=0;  //time UTC (hhmmss.sss)
•             dataString="";
•             for (int j=indices[outindex];j<(indices[outindex+1]-1);j++)
•             {
•               dataString = dataString + linea[j+1];
•             }
•             timestr=dataString;
•             outindex=2;  //Latitude (ddmm.mmmm)
•             dataString="";
•             for (int j=indices[outindex];j<(indices[outindex+1]-1);j++)
•             {
•               dataString = dataString + linea[j+1];
•             }
•             latstr=dataString;
•             outindex=4;  //Longitude (dddmm.mmmm)
•             dataString="";
•             for (int j=indices[outindex];j<(indices[outindex+1]-1);j++)
•             {
•               dataString = dataString + linea[j+1];
•             }
•             lonstr=dataString;
•           }
•           // Reset the buffer
•           conta=0;
•           for (int i=0;i<300;i++)
•           {
•             linea=' ';
•           }
•         }
•       }
•     }
• 
  
•     //output result
•     Serial.print(datestr);
•     Serial.print(9,BYTE);
•     Serial.print(timestr);
•     Serial.print(9,BYTE);
•     Serial.print(latstr);
•     Serial.print(9,BYTE);
•     Serial.print(lonstr);
•     Serial.print(9,BYTE);
•     Serial.print(temp_c);
•     Serial.print(9,BYTE);
•     Serial.print(humidity);
•     Serial.print(9,BYTE);
•     Serial.print(pcs1_0);
•     Serial.print(9,BYTE);
•     Serial.print(pcs2_5);
•     Serial.print(9,BYTE);
•     Serial.print(rayFreq);
•     Serial.print(9,BYTE);
•     Serial.print(O3ppb);
•     Serial.print(9,BYTE);
•     Serial.print(CO2ppb);
•     Serial.print(9,BYTE);
•     Serial.println(lightval,DEC);
• 
  
•     //writer the result to SD card
•     myFile = SD.open(filename, FILE_WRITE);
•     if (myFile)
•     {
•       // to sd file
•       myFile.print(datestr);
•       myFile.print(9,BYTE);
•       myFile.print(timestr);
•       myFile.print(9,BYTE);
•       myFile.print(latstr);
•       myFile.print(9,BYTE);
•       myFile.print(lonstr);
•       myFile.print(9,BYTE);
•       myFile.print(temp_c);
•       myFile.print(9,BYTE);
•       myFile.print(humidity);
•       myFile.print(9,BYTE);
•       myFile.print(pcs1_0);
•       myFile.print(9,BYTE);
•       myFile.print(pcs2_5);
•       myFile.print(9,BYTE);
•       myFile.print(rayFreq);
•       myFile.print(9,BYTE);
•       myFile.print(O3ppb);
•       myFile.print(9,BYTE);
•       myFile.print(CO2ppb);
•       myFile.print(9,BYTE);
•       myFile.println(lightval,DEC);
•       myFile.close();
• 
  
•       //flash the light
•       if(isGPSOK)
•       {
•         digitalWrite(systemLightPin, HIGH);
•         delay(flashTime);
•         digitalWrite(systemLightPin, LOW);
•       }
•       else
•       {
•         digitalWrite(systemLightPin, LOW);
•         delay(flashTime);
•         digitalWrite(systemLightPin, HIGH);
•       }
•     }
•     delay(scanTime);
•   }
•   else               //bettery charging and data translation
•   {
•     while(Serial.available() > 0)
•     {
•       int incomingByte = Serial.read();
•       if(incomingByte==10)    //order end
•       {
•         if(order == "list")
•         {
•           myFile = SD.open(filename);
•           if (myFile)
•           {
•             while (myFile.available())
•             {
•               Serial.write(myFile.read());
•             }
•             myFile.close();
•           }
•           else
•           {
•             Serial.println("open file failure.");
•           }
•         }
•         else if(order.length()>0)
•         {
•           Serial.println("The available command is:");
•           Serial.println("list");
•         }
•         //reset order
•         order="";
•       }
•       else
•       {
•         if(incomingByte!=13)
•         {
•           order = order + char(incomingByte);
•         }
•       }
•     }
•   }
• }
• 
  
• int BH1750_Read(int address)
• {
•   int i=0;
•   Wire.beginTransmission(address);
•   Wire.requestFrom(address, 2);
•   while(Wire.available())
•   {
•     buff = Wire.receive();  // receive one byte
•     i++;
•   }
•   Wire.endTransmission();
•   return i;
• }
• void BH1750_Init(int address)
• {
•   Wire.beginTransmission(address);
•   Wire.send(0x10);//1lx reolution 120ms
•   Wire.endTransmission();
• }
  

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代码说明：
• 传感器需要预热时间，在变量warmTime 中设置，这里设置为60秒
• 仪器根据inCharge 变量判断系统处于采集状态或充电状态，在采集状态时如插上usb可通过arduino IDE的串口监视实现数据显示；仪器通过arduino的usb口充电，在充电的同时可通过arduino IDE的串口监视实现交互，如输入list命令可列出SD卡存储的数据
• DSM501A灰尘传感器有两路输出分别对应不同的灰尘粒径检出量，检测到灰尘是在输出口产生时间不等的低脉冲，通过计算30秒内的低脉冲率和对于关系得到灰尘粒子量(请参考DSM501A datasheet)，程序中通过micros()函数提供计时，micros()每70分钟左右会归零，通过 4294967295 -  previousMillis +1 得出归零前的计数加到归零后的计数上实现连续计数
• 程序通过pulseIn()返回低脉冲时间，虽然pulseIn()函数可以设置超时(默认1秒)但并不产生中断，代码中通过轮询pulseIn()的返回变量的值判读pulseIn()是否完成读取
• 人体红外线模块的脉冲电平是3.3v,通过模拟读取时设置读数大于500为有输出
• 当GPS模块可靠定位时系统状态灯常灭，采集数据时亮250ms；GPS不可靠定位时系统状态灯常亮，采集数据时灭250ms，GPS上集成电池，定位可靠与非都有日期时间输出(UTC时间，中国时区 +8小时)
• BH1750光照传感器在太阳光直接照射的情况下有可能爆表(输出为0)，建议避免强光直射
  

关于传感器标定：
每个传感器在出厂后的性能是不同的，在实际的应用中需要进行标定。仪器中需要标定的传感器是MG811二氧化碳、MQ131臭氧和DSM501A灰尘传感器，其它的传感器是数字输出，在出厂前经过标定。标定方法参考：

• MG811二氧化碳标定可参考：http://www.instructables.com/id/ ... 12/C02-Calibration/ 中的方法，另外二氧化碳是温室气体，特性稳定，所以在全球很长时间都是均匀分布在同一水平，全球二氧化碳实时浓度见：http://co2now.org/，可以参考此网站上的值作为标定浓度之一，同时呼吁大家节能减排，减少温室气体排放
• MQ131臭氧传感器标定需要在标准条件50ppb浓度臭氧下进行，请参考datasheet中说明
• DSM501A灰尘传感器标定也可参考datasheet中的说明，需要注意的是DSM501A灰尘传感器测量粒子浓度与PM2.5、PM10和TSP(PM100)的检测原理和概念不同，不可混淆，只可做参考
  在仪器中以上传感器均未做标定，MQ131、MG811的输出值为对应的电压值
  

数据采集与展示：
固定采集：

• 温湿度曲线：
  
  
  2011-12-12 12:01 上传
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• 灰尘粒子曲线：
  
  
  2011-12-12 12:01 上传
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• 气体浓度曲线：
  
  
  2011-12-12 12:01 上传
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移动采集：

• 采集路线：
  
  
  2011-12-12 12:10 上传
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• 温度分布：
  
  
  2011-12-12 12:10 上传
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• 湿度分布：
  
  
  2011-12-12 12:10 上传
  下载附件 (45.04 KB)
  
  
  
• CO2分布：
  
  
  2011-12-12 12:10 上传
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• 1微米以上粒子：
  
  
  2011-12-12 12:10 上传
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图中红色代表高值，蓝色代表低值。

下一步工作：
MQ系列传感器辅助电路类似，仪器只需更换传感器探头和标定可实现其它气体测量
由于MQ131和MG811属于加热型传感器耗电量大，2800mAh的锂电池只能连续工作3.5小时左右，同时二氧化碳和臭氧气体不适合移动观测，下一步打算将两种气体传感器设置在固定监测仪器上，在留出的面板位置上安装1602液晶显示，仪器同时实现便携式GPS功能。

致谢：
仪器在制作过程中得到极客工坊论坛和Arduino 与 ADK(1277738)QQ群热心网友的大力帮助，他们早出晚归，谈天论地，不分主题，有问必答，畅所欲言，谢谢大家！！

完。