智慧家庭:PM2.5 空氣感測器(硬體組裝上篇)

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智慧家庭:PM2.5 空氣感測器(硬體組裝上篇)

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作者:曹永忠/vMaker

本篇主要是教大家如何組立空氣粒子感測裝置硬體組裝,但是為了讓讀者簡化實驗,並不讓讀者自行設計與製作空氣粒子感測裝置外部產品硬體結構,而是採用市面上各個相關模組來設計出空氣粒子感測裝置。

空氣粒子感測裝置基本組成要素

首先,我們先將購買所需的元件,由下圖可以見到以下所有零件的一覽圖:

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本文所有的零件都會以零件包的方式出版,並跟國內最大的電子零件供應商 iCShop 合作,讀者若有任何需要,請逕行與該公司接洽。對於零件使用上,若讀者仍不熟悉,可以參考文末的參考資料。

安裝阿米巴開發板

首先,我們先行安裝瑞昱半導體公司的阿米巴(Ameba)開發板(圖(b)),如下圖所示,我們先拿出外殼(圖(z))的四顆塑膠螺絲柱與四顆塑膠螺絲。

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(圖 2)阿米巴開發板固定柱

如下圖所示,我們先拿出外殼底板,並將上圖所示之的四顆塑膠支柱與四顆塑膠螺絲,鎖於如下圖所示之底板上。

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(圖 3)將固定柱鎖於外殼底板

將瑞昱半導體公司的阿米巴(Ameba)開發板置於上圖所示之的塑膠支柱上,並拿出與四顆塑膠螺絲帽,將之固定鎖緊。

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(圖 4)將阿米巴開發板鎖於外殼底板

如上圖所示,我們完成出瑞昱半導體公司的阿米巴(Ameba)開發板之裝設。

安裝偵測空氣懸浮粒子感測器

下一步我們將裝設明攀藤科技(Plantower)的 PMS3003 空氣懸浮粒子感測器(註 1),首先我們拿出外殼元件內的小螺絲與小螺絲帽,如下圖所示,先放於桌面上。

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(圖 5)固定 PM 感測器之螺絲

如下圖所示,我們拿出如圖(a)所示之偵測空氣懸浮粒子感測器(PMS3003),並且先將塑膠膜拆開,可以看到如下圖所示之對稱的兩個螺絲孔。

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(圖 6)空氣懸浮粒子感測器

如下圖所示,我們將如上圖所示之對稱的兩個螺絲孔,對齊外殼底板之右上方兩個螺孔,位置如下圖所示之位置。

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(圖 7)安裝空氣懸浮粒子感測器於底板上

如下圖所示,我們將螺絲由外殼底板之右上方兩個螺孔往上插入後,如下圖所示,將螺絲帽旋緊。

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(圖 8)鎖緊空氣懸浮粒子感測器螺絲

完成裝置偵測空氣懸浮粒子感測器(PMS3003)之後,整個外觀如下圖所示。

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(圖 9)空氣懸浮粒子感測器安裝完成

安裝麵包板

下一步我們將裝設小型麵包板(圖(f)),因為我們必須裝設許多元件,如果所有元件都直接連接到阿米巴開發板,恐怕無法同時間連接這麼多必要的元件,所以我們必須透過麵包板來擴充可以連接的元件,特別是每一個元件都需要電力供應,而阿米巴開發板無法同時供應這麼多的元件電源插孔。

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(圖 10)麵包板

為了擴充麵包板,我們先拿出單心線(圖(g)),如下圖所示,先將單心線進行裁剪。

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(圖 11)單心線

如下圖所示,我們先把上圖所示之單心線,進行裁剪單心線為五條 45 mm~55 mm 長度,並使用撥線鉗或斜口鉗將五條單心線雙邊各剝去 6 mm~8 mm 長度的外皮,使之露出金屬的單心銅線。

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(圖 12)五條單心線

將五條剝去外皮單心線依序插入下圖所示之麵包板,使之橫跨五個雙邊通道,使之導通。

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(圖 13)裝置單心線於麵包板

如下圖所示,我們再剪單心線一條 25 mm~35 mm 長度,並使用撥線鉗或斜口鉗將一條單心線雙邊各剝去 6 mm~8 mm 長度的外皮,使之露出金屬的單心銅線。

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(圖 14)補上單心線

如下圖所示,將一條剝去外皮單心線依序插入麵包板,使之連接第二條與第三條單心線的通道,使之導通。

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(圖 15)連接 VCC 雙線

最後,我們將完成單心線布置的麵包板放置外殼底板之右下方,整個外觀如下圖所示。

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(圖 16)安裝麵包板於底殼上

安裝溫溼度模組

因為我們需要量測溫度、濕度,如果使用單一功能的感測器,會增加裝置元件,所以我們採用溫溼度合一感測元件:DHT22溫濕度模組(圖(e))。

首先,我們將外殼之右側板如下圖所示放置。

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(圖 17)外殼右側

如下圖所示,我們取出一個小螺絲與小螺帽以及 DHT22 溫濕度模組。

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(圖 18)DHT22 與螺絲

由於外殼設計因素,我們將 DHT22 溫濕度模組的接腳解焊,重新焊接一個 180 度的三 pin 的接腳。

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(圖 19)改裝腳位的 DHT22

將 DHT22 溫濕度模組塞入右側板的下方,並將 DHT22 溫濕度模組上方孔洞,對準右側板的孔洞,方便鎖螺絲。

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(圖 20)將 DHT22 裝於外殼上

如下圖所示,將 DHT22 溫濕度模組於右側板的孔洞,將螺絲鎖入後,用螺帽旋緊。

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(圖 21)將 DHT22 鎖緊於外殼上

取出三條一公一母杜邦線(圖(h)),準備連接 DHT22 溫濕度模組。

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(圖 22)取出 DHT22 的杜邦線

三條一公一母杜邦線,連接於 DHT22 溫濕度模組之電源接腳與訊號接腳。

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(圖 23)將杜邦線插於 DHT22 上

完成將 DHT22 溫濕度模組置於外殼右板上。

安裝 RTC 時鐘模組

由於本裝置需要精準的時間與持續不斷的時間資訊,如果耗用阿米巴開發板於計算時間會大材小用,而且可能增加程式的複雜度。所以我們引入了時鐘模組,採用 Tiny RTC DS1307 時鐘模組(圖(d))。

首先,我們將外殼的下側板如下圖所示放置。

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(圖 24)外殼下板

如下圖所示,我們取出一個 DS1307 RTC 時鐘模組,再取出如泡棉膠(圖(m))。

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(圖 25)取出 RTC 時鐘模組

我們將泡棉膠撕開一面,黏到 DS1307 RTC 時鐘模組上。

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(圖 26)黏上雙面膠於 RTC 時鐘模組

我們再將泡棉膠另一面撕開,黏到外殼的中間偏左方的位置上。

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(圖 27)將 RTC 時鐘模組黏到外殼

如下圖所示,我們取出四條一公一母杜邦線,準備連接 DS1307 RTC 時鐘模組。

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(圖 28)取出 RTC 用的杜邦線

我們將四條一公一母杜邦線,連接於 DS1307 RTC 時鐘模組之電源接腳與 I2C 訊號接腳。

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(圖 29)將杜邦線裝於 RTC 時鐘模組

預期完成組裝目標

當完成硬體、電路與軟體安裝後,只要再接上電源就可以完成 PM2.5 空氣感測器的裝置了。

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(圖 59)正常開機之成品圖

本文為『PM 2.5 空氣感測器』系列第二篇:硬體組裝篇上,主要介紹之裝置所有元件,並且一步一步教導讀者如何將這些元件組裝,完成 PM 2.5 空氣感測器的硬體安裝。後續筆者還會繼續發表『PM 2.5 空氣感測器』系列的文章,讓我們在未來可以創造出更優質、智慧化的家庭。

註 1:北京攀藤科技有限公司是一家專注於空氣品質感測器研發、生產與銷售的高科技企業,作為行業領跑者,公司通過不斷創新和品質追求,已與國內外多家知名企業建立了良好的戰略合作夥伴關係。

參考資料:

  • 曹永忠. (2016). 智慧家庭:PM2.5 空氣感測器(感測器篇).   Retrieved fromhttp://vmaker.tw/project/view/695
  • 曹永忠, 许智诚, & 蔡英德. (2014). Arduino 电风扇设计与制作: Using Arduino to Develop a Controller of the Electric Fan. 台湾、彰化: 渥玛数位有限公司.
  • 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2013). Arduino 電風扇設計與製作: The Design and Development of an Electronic Fan by Arduino Technology (初版 ed.). 台灣、彰化: 渥瑪數位有限公司.
  • 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2014a). Arduino EM-RFID 門禁管制機設計:The Design of an Entry Access Control Device based on EM-RFID Card (初版 ed.). 台灣、彰化: 渥瑪數位有限公司.
  • 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2014b). Arduino RFID 门禁管制机设计: Using Arduino to Develop an Entry Access Control Device with RFID Tags. 台湾、彰化: 渥瑪數位有限公司.
  • 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2014c). Arduino RFID 門禁管制機設計: The Design of an Entry Access Control Device based on RFID Technology (初版 ed.). 台灣、彰化: 渥瑪數位有限公司.
  • 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2015a). Ameba 空气粒子感测装置设计与开发(MQTT篇):Using Ameba to Develop a PM 2.5 Monitoring Device to MQTT (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥瑪數位有限公司.
  • 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2015b). Ameba 空氣粒子感測裝置設計與開發(MQTT篇)):Using Ameba to Develop a PM 2.5 Monitoring Device to MQTT (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥瑪數位有限公司.

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