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第十二届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告━微尘捕捉网
 

【作者: 林華川教授、簡士欽、王遠瑞】2018年09月21日 星期五

浏览人次:【2702】
  


1. 前言

1.1 创作动机与目的

现今工业发展快速使得工厂林立,伴随而来的环境污染向来是最受关注的议题,为改善空气品质问题,市面上出现各式各样不同功能的空气清净机。下雨过後空气变得清新,主要原因是因为空气中的微尘粒子被雨水带走,因此我们模拟雨天清净空气中微尘粒子的概念,利用水循环制作不使用滤网的环保空气清净机。


表一:空气品质监测细悬浮微粒百分比统计表

测站名称

平均值

PM2.5指标

1-3

(低)

4-6

(中)

7-9

(高)

10

(非常高)

百分比(%)

百分比(%)

百分比(%)

百分比(%)

板桥

2

89.60

8.96

1.45

0

桃园

2

89.81

9.09

1.10

0

新竹

2

93.44

5.74

0.82

0

大里

3

83.89

12.22

3.89

0

南投

3

73.37

23.23

2.55

0.85

竹山

3

77.22

20.28

1.94

0.56

斗六

3

72.33

19.45

6.58

1.64

仑背

3

71.47

20.50

6.09

1.94

麦寮

3

77.78

19.37

1.99

0.85

嘉义

3

69.47

21.57

7.84

1.12

台南

3

72.45

18.73

6.89

1.93

左营

3

61.88

24.86

11.05

2.21

屏东

3

72.02

21.61

4.71

1.66

根据表1显示,各地区在105年测定日数空气品质指标比例[1],其中PM2.5浓度低的百分比,以左营空品区61.88%最低、嘉义空品区69.47%次之。


图1 : 历年悬浮微粒平均浓度趋势图
图1 : 历年悬浮微粒平均浓度趋势图

图1为96年~105年微尘粒子平均浓度趋势图,微尘粒子浓度於96年起逐渐呈下降趋势,以96年59.8μg/m3为最高,105年43.5μg/m3为最低。各测站类型浓度历年皆以交通测站为最高,公园测站为最低。



图2 : 微尘粒子指标等级
图2 : 微尘粒子指标等级

有逐年下降的趋势,但以图2的微尘粒子指标等级来看,仍然是中浓度偏高浓度,因此我们所制作的「微尘捕捉网」目的就是要降低微尘粒子浓度值,且使用的水循环系统较环保也对环境负担更小。


表2在价格及环境负担与其他种类的空气清净机相比来得少许多,且本作品增加智慧开关系统与云端储存的功能,十分方便。


表2:市面上的空气清净机与本作品之比较

种类

电子

集尘

活性碳

负离子

微尘捕捉网

价格

「打勾」的图片搜寻结果

滤网成本

「打勾」的图片搜寻结果

环境负担

需耗材

需耗材

需耗材

不需耗材「打勾」的图片搜寻结果

空气品质侦测


2.工作原理

2.1 工作原理介绍

我们采用微尘粒子能附着在水滴的特性,如图3所示,经由抽风囗的风扇吹进水桶内部,使用沉水马达抽水,将水送到出水囗,为模拟下雨的环境,以洒水器喷洒,最後再由APP把温度、湿度和微尘粒子浓度三笔资料透过网路传送到云端平台(ThingSpeak)做储存,以供外出的人随时监控在家里空气品质的状况。


2.1.1 喷雾捕捉粉尘原理

微喷洒水器在沉水马达的作用下,拥有数公斤的压力,通过洒水器喷嘴产生水雾,将水雾化成与粉尘颗粒大小相当的水珠,因此蒸发表面积大大提高,提高空气相对湿度,使微尘粒子附着在水滴上,已达到过滤空气、净化空气的效果。



图3 : 水滴捕捉粉尘原理
图3 : 水滴捕捉粉尘原理

2.2作品功能

本作品有两大系统:硬体系统及APP系统。


● 硬体系统


1.利用蓝牙来传送周遭的数值至APP系统。


2.不须使用者手动开关系统。


3.若不超标的话,系统保持睡眠状态。


● APP系统


1.能够显示环境的温度、湿度、微尘浓度。


2.可上传至云端平台(ThingSpeak)以供使用者做历史查询。


3.若数值超标即开启系统。


4.可调整自动模式或手动模式


5.自动模式下可调整开启/关闭系统之上下限浓度



图4 : 作品功能示意图
图4 : 作品功能示意图
图5 : APP功能示意图
图5 : APP功能示意图

2.2.1 APP系统

APP系统分两大介面,一个为APP数值显示介面,另一个为APP远端使用者介面。如图6所示,为APP数值显示介面,可以看见状态、启动/关闭条件、入风处及出风处的温度、湿度、微尘粒子的数值,并将数值上传至云端平台Thingspeak。状态分成三大种,第一个为ON(常开系统),不管是否达到启动与关闭条件都将开启系统、OFF(常关系统),则不管启动与关闭条件都将关闭系统以及Auto(自动)的模式,当状态为Auto时,若微尘粒子的浓度大於开启条件时,则为Auto:ON,小於关闭条件时,则为Auto:OFF,其中在Auto模式下可由APP远端使用者介面自行设定的启动/关闭条件及目前的状态。



图6 : 数值APP显示介面图
图6 : 数值APP显示介面图

如图7所示,为APP远端使用者介面,使用者可在外透过此APP达到监控的效果。在此APP中使用者可依照周围的环境来设定系统的状态或开启/关闭条件,即图8。此APP点选中间任一颗按钮即可连结云端平台Thingspeak供使用者作历史查询,如图9所示。



图7 : 远端APP介面图
图7 : 远端APP介面图

图8 : 远端APP介面图
图8 : 远端APP介面图

图9 : 连结至云端平台thingspeaks做历史查询
图9 : 连结至云端平台thingspeaks做历史查询

3.作品结构

3.1硬体架构

本作品之硬体架构如图10所示,电路图如图11,其过滤系统共分为三个部分。第一部分为抽风囗,微尘粒子之浓度最高,我们放置抽风扇,将微尘粒子抽入系统中,第二部分为过滤区,有马达及洒水器,马达将水从下方抽至洒水器,并过滤从抽风囗吸入的微尘粒子,第三部分是系统最上方的排风囗,放置排风扇,将乾净的空气从系统内排出,并侦测过滤後之空气的微尘粒子浓度。



图10 : 硬体外观架构图
图10 : 硬体外观架构图

图11 : 作品电路图
图11 : 作品电路图

本作品透过感测系统,感测周遭的环境,透过串列传输至HT66F70A微处理器,再利用蓝牙模组HC-05无线传输到手机APP介面作显示,倘若数值超标,系统则自动开启风扇系统及马达系统,如图12表示。


图12 : HT66F70A微处理器为主控之系统架构图
图12 : HT66F70A微处理器为主控之系统架构图

3.1.1温湿度感测器DHT11

温湿度感测器[2],将量测到的温度与湿度数值利用温湿度感测器DHT11内部的数位类比转换器转换成数位讯号後传送至HT66F70A微处理器储存,一次完整的资料传输为40bit,资料格式为8bit湿度整数资料 + 8bit湿度小数资料 + 8bit温度整数资料 +8bit温度小数资料 + 8bit校正资料,其中校正资料为前四个byte的资料加总。使用者MCU发送一次开始信号後,温湿度感测器(DHT11)从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束後,DHT11发送回应信号,送出40bit的资料。



图13 : 温湿度感测器DHT11触发流程
图13 : 温湿度感测器DHT11触发流程

温湿度感测器之前置触发作业如图13所示,汇流排空闲状态为高电位,主机把汇流排拉低等待温湿度感测器DHT11触发,触发时间必须大於18ms,以温湿度感测器DHT11便能够接收到响应讯号。当温湿度感测器DHT11接收到主机的开始信号後,等待主机开始信号结束,然後发送80μs低电位回应信号。主机发送开始信号结束後,延迟等待20-40μs,再读取温湿度感测器DHT11的响应信号之後,温湿度感测器DHT11便开始传送资料。



图14 : 显示0的数据图
图14 : 显示0的数据图

图15 : 显示1的数据图
图15 : 显示1的数据图

如图14及图15所示,每一bit数据都是以50μs低电位时序开始,高电位的时序长短代表数据是“0”或是“1”。如果高电位时序为26-28μs,代表的是数据“0”。说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号後,再把汇流排拉高80μs,准备发送数据,每一bit资料都以50μs低电位时隙开始,高电位的长短决定了数据位元是0或1。


3.1.2微尘感测器GP2Y1051AU0F

侦测微尘粒子的感测器[3],波特率为2400bit/s,其感测方式为当烟灰或室内灰尘等空气中的粉尘处於检测的范围内时,这些粉尘会因为光的特性将光散射四处,而散射的光进入检测元件内,会因为散射的程度不同,光强度也因此不同,利用此特徵做为检测依据,用类比采样光强度转成数位电压的高低做为输出。其工作原理为上电後,以数位采样的方式进行串列传输。


表3:粉尘感测器GP2Y1051AU0F传输位元

起始位元

VoutH

VoutL

AAH

8bit

8bit

VrefH

VrefL

检测位元

结束位元

8bit

8bit

8bit

FFH

起始位元为AAH,之後每10ms陆续发送一个字节,共七个字节,最後结束位元为FFH,其中检测位元为Vout(H)+Vout(L)+Vref(H)+Vref(L)接着HT66F70A微处理器收到Vout(H)及Vout(L)的值之後按照公式计算,如图16所示,後得到Vout的电压值为真实电压值,最後依图17之转换曲线将电压值转换成浓度指标并显示在手机的APP的介面上。


图16 : 真实电压换算公式
图16 : 真实电压换算公式

图17 : 输出电压与粉尘浓度曲线图
图17 : 输出电压与粉尘浓度曲线图

3.1.3风扇

排风扇当微尘粒子的浓度超出高标时,HT66F70A会开启抽风风扇及排风风扇,将家中的微尘粒子抽进作品中进行过滤,接着把乾净的空气排出,直到家中微尘粒子浓度降至低标时,HT66F70A就会关闭抽风风扇及排风风扇。


3.1.4沉水马达CK181DC

我们在本次作品中所使用的沉水马达[4],主要是为了将水桶内的水往上抽,透过微喷洒水器让水雾喷洒藉此过滤抽风囗抽入的微尘粒子。马达的规格如下表4。


表4:沉水马达CK181DC规格表

电压

负载安培

最高扬程

(公尺)

最大流量

(公升/小时)

12 V

1.7 A

1.8 M

750 L/hr


3.2软体流程

图18为主程式软体流程图,主程式一开始时,温湿度感测器DHT11、微尘感测器GP2Y1051AU0F做初始化的设定,等待上电稳定时,感测器将会侦测周遭的类比讯号,并由感测器内部的A/D转换成电子讯号传送至HT66F70A微处理器,再利用蓝牙模组作无线传输至APP做显示,而当感测器感测到浓度超出标准时,便开启风扇及马达进行空气的过滤,若浓度达到低标时,即关闭系统。图19为??程式软体流程图,当系统接收到使用者变更系统状态的讯号时,则软体进入??程式判断状态讯号,决定是否开关马达及风扇。


图18 : 主程式软体流程图
图18 : 主程式软体流程图
图19 : ??程式软体流程图
图19 : ??程式软体流程图
图20 : APP数值介面软体流程图
图20 : APP数值介面软体流程图

图20为APP数值介面软体流程图,当开启手机APP时,APP会自动连接蓝牙,连接後会开始接收温度、湿度及微尘粒子的资料,显示於APP的介面,同时将资料上传至云端平台ThingSpeak。


4. 测试方法

4.1微尘感测器与温湿度感测器测试方法

本作品其过滤系统共分为三个部分。第一部分为抽风囗,微尘粒子之浓度最高,我们放置抽风扇,其目的在於将微尘粒子抽入系统中。第二部分为过滤区,有马达及洒水器,马达将水从下方抽至洒水器,并过滤从抽风囗吸入的微尘粒子。第三部分是系统最上方的排风囗,放置排风扇,将乾净的空气从系统内排出,并侦测过滤後之空气的微尘粒子浓度。为观测结果,我们设计风扇抽风囗及排风囗分别配置有自己的微尘感测器GP2Y1051AU0F及温湿度感测器DHT11。


测试方法如下:我们用线香燃烧之烟雾当作微尘粒子,当电源接上使系统运作後,将线香点燃并放置於抽风囗使燃烧之烟雾被吸入後,此时系统检测到超标,会启动喷水头射出水将悬浮粒子过滤到下方的储水槽,乾净空气则会向上飘由上方的排风扇排出,检测之一实施例结果,如图21所示。



图21 : 抽风囗示意图
图21 : 抽风囗示意图

5.结论

本作品以HT66F70A为核心,利用水可以将微尘粒子过滤的特性,制作一无需滤网之空气清净机并且透过APP观察微尘粒子浓度、环境温度及湿度再透过无线系统储存历史纪录,随时掌控居家环境的空气品质,并且较市面上之清净机更加环保,在环保意识抬头的现在,本作品拥有相对的优势且更为便宜,并若能改善过滤微尘粒子之效率、延长使用时间,必能在未来市场占有一席之地。


6. 叁考文献

[1] 行政院环保署-空气品质监测网


http://taqm.epa.gov.tw/taqm/tw/YearlyDataDownload.aspx


[2] DHT11-Datasheet


http://www.micropik.com/PDF/dht11.pdf


[3] 粉尘侦测器GP2Y1051AU0F规格书


https://www.taiwaniot.com.tw/wp-content/uploads/2016/04/GP2Y1051AU0F_ch_data.pdf


[4] 沉水马达


https://tw.bid.yahoo.com/tw/booth/%E5%84%AA%E8%B3%AA%E4%BA%94%E9%87%91-fky1747m-Y1885833256


[5] 锺启仁HT66Fxx Flash MCU 原理与实务-


C语言篇,全华图书股份有限公司,民国


99年,初版。


[6] HT66F70A DataSheet


http://www.holtek.com.tw/documents/10179/11842/HT66F60A_70Av140.pdf


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