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塵埃捕捉網
第十二屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 林華川教授、簡士欽、王遠瑞】   2018年09月21日 星期五

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1. 前言

1.1 創作動機與目的

現今工業發展快速使得工廠林立,伴隨而來的環境汙染向來是最受關注的議題,為改善空氣品質問題,市面上出現各式各樣不同功能的空氣清淨機。下雨過後空氣變得清新,主要原因是因為空氣中的微塵粒子被雨水帶走,因此我們模擬雨天清淨空氣中微塵粒子的概念,利用水循環製作不使用濾網的環保空氣清淨機。


表一:空氣品質監測細懸浮微粒百分比統計表

測站名稱

平均值

PM2.5指標

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(%)

板橋

2

89.60

8.96

1.45

0

桃園

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

崙背

3

71.47

20.50

6.09

1.94

麥寮

3

77.78

19.37

1.99

0.85

嘉義

3

69.47

21.57

7.84

1.12

台南

3

72.45

18.73

6.89

1.93

左營

3

61.88

24.86

11.05

2.21

屏東

3

72.02

21.61

4.71

1.66

根據表1顯示,各地區在105年測定日數空氣品質指標比例[1],其中PM2.5濃度低的百分比,以左營空品區61.88%最低、嘉義空品區69.47%次之。


圖1 : 歷年懸浮微粒平均濃度趨勢圖
圖1 : 歷年懸浮微粒平均濃度趨勢圖

圖1為96年~105年微塵粒子平均濃度趨勢圖,微塵粒子濃度於96年起逐漸呈下降趨勢,以96年59.8μg/m3為最高,105年43.5μg/m3為最低。各測站類型濃度歷年皆以交通測站為最高,公園測站為最低。



圖2 : 微塵粒子指標等級
圖2 : 微塵粒子指標等級

有逐年下降的趨勢,但以圖2的微塵粒子指標等級來看,仍然是中濃度偏高濃度,因此我們所製作的「微塵捕捉網」目的就是要降低微塵粒子濃度值,且使用的水循環系統較環保也對環境負擔更小。


表2在價格及環境負擔與其他種類的空氣清淨機相比來得少許多,且本作品增加智慧開關系統與雲端儲存的功能,十分方便。


表2:市面上的空氣清淨機與本作品之比較

種類

電子

集塵

活性碳

負離子

微塵捕捉網

價格

「打勾」的圖片搜尋結果

濾網成本

「打勾」的圖片搜尋結果

環境負擔

需耗材

需耗材

需耗材

不需耗材「打勾」的圖片搜尋結果

空氣品質偵測


2.工作原理

2.1 工作原理介紹

我們採用微塵粒子能附著在水滴的特性,如圖3所示,經由抽風口的風扇吹進水桶內部,使用沉水馬達抽水,將水送到出水口,為模擬下雨的環境,以灑水器噴灑,最後再由APP把溫度、濕度和微塵粒子濃度三筆資料透過網路傳送到雲端平台(ThingSpeak)做儲存,以供外出的人隨時監控在家裡空氣品質的狀況。


2.1.1 噴霧捕捉粉塵原理

微噴灑水器在沉水馬達的作用下,擁有數公斤的壓力,通過灑水器噴嘴產生水霧,將水霧化成與粉塵顆粒大小相當的水珠,因此蒸發表面積大大提高,提高空氣相對濕度,使微塵粒子附著在水滴上,已達到過濾空氣、淨化空氣的效果。



圖3 : 水滴捕捉粉塵原理
圖3 : 水滴捕捉粉塵原理

2.2作品功能

本作品有兩大系統:硬體系統及APP系統。


● 硬體系統


1.利用藍牙來傳送周遭的數值至APP系統。


2.不須使用者手動開關系統。


3.若不超標的話,系統保持睡眠狀態。


● APP系統


1.能夠顯示環境的溫度、溼度、微塵濃度。


2.可上傳至雲端平台(ThingSpeak)以供使用者做歷史查詢。


3.若數值超標即開啟系統。


4.可調整自動模式或手動模式


5.自動模式下可調整開啟/關閉系統之上下限濃度



圖4 : 作品功能示意圖
圖4 : 作品功能示意圖
圖5 : APP功能示意圖
圖5 : APP功能示意圖

2.2.1 APP系統

APP系統分兩大介面,一個為APP數值顯示介面,另一個為APP遠端使用者介面。如圖6所示,為APP數值顯示介面,可以看見狀態、啟動/關閉條件、入風處及出風處的溫度、濕度、微塵粒子的數值,並將數值上傳至雲端平台Thingspeak。狀態分成三大種,第一個為ON(常開系統),不管是否達到啟動與關閉條件都將開啟系統、OFF(常關系統),則不管啟動與關閉條件都將關閉系統以及Auto(自動)的模式,當狀態為Auto時,若微塵粒子的濃度大於開啟條件時,則為Auto:ON,小於關閉條件時,則為Auto:OFF,其中在Auto模式下可由APP遠端使用者介面自行設定的啟動/關閉條件及目前的狀態。



圖6 : 數值APP顯示介面圖
圖6 : 數值APP顯示介面圖

如圖7所示,為APP遠端使用者介面,使用者可在外透過此APP達到監控的效果。在此APP中使用者可依照周圍的環境來設定系統的狀態或開啟/關閉條件,即圖8。此APP點選中間任一顆按鈕即可連結雲端平台Thingspeak供使用者作歷史查詢,如圖9所示。



圖7 : 遠端APP介面圖
圖7 : 遠端APP介面圖

圖8 : 遠端APP介面圖
圖8 : 遠端APP介面圖

圖9 : 連結至雲端平台thingspeaks做歷史查詢
圖9 : 連結至雲端平台thingspeaks做歷史查詢

3.作品結構

3.1硬體架構

本作品之硬體架構如圖10所示,電路圖如圖11,其過濾系統共分為三個部分。第一部分為抽風口,微塵粒子之濃度最高,我們放置抽風扇,將微塵粒子抽入系統中,第二部分為過濾區,有馬達及灑水器,馬達將水從下方抽至灑水器,並過濾從抽風口吸入的微塵粒子,第三部分是系統最上方的排風口,放置排風扇,將乾淨的空氣從系統內排出,並偵測過濾後之空氣的微塵粒子濃度。



圖10 : 硬體外觀架構圖
圖10 : 硬體外觀架構圖

圖11 : 作品電路圖
圖11 : 作品電路圖

本作品透過感測系統,感測周遭的環境,透過串列傳輸至HT66F70A微處理器,再利用藍牙模組HC-05無線傳輸到手機APP介面作顯示,倘若數值超標,系統則自動開啟風扇系統及馬達系統,如圖12表示。


圖12 : HT66F70A微處理器為主控之系統架構圖
圖12 : HT66F70A微處理器為主控之系統架構圖

3.1.1溫溼度感測器DHT11

溫溼度感測器[2],將量測到的溫度與溼度數值利用溫濕度感測器DHT11內部的數位類比轉換器轉換成數位訊號後傳送至HT66F70A微處理器儲存,一次完整的資料傳輸為40bit,資料格式為8bit溼度整數資料 + 8bit溼度小數資料 + 8bit溫度整數資料 +8bit溫度小數資料 + 8bit校正資料,其中校正資料為前四個byte的資料加總。使用者MCU發送一次開始信號後,溫溼度感測器(DHT11)從低功耗模式轉換到高速模式,等待主機開始信號結束後,DHT11發送回應信號,送出40bit的資料。



圖13 : 溫濕度感測器DHT11觸發流程
圖13 : 溫濕度感測器DHT11觸發流程

溫溼度感測器之前置觸發作業如圖13所示,匯流排空閒狀態為高電位,主機把匯流排拉低等待溫濕度感測器DHT11觸發,觸發時間必須大於18ms,以溫濕度感測器DHT11便能夠接收到響應訊號。當溫濕度感測器DHT11接收到主機的開始信號後,等待主機開始信號結束,然後發送80μs低電位回應信號。主機發送開始信號結束後,延遲等待20-40μs,再讀取溫濕度感測器DHT11的響應信號之後,溫濕度感測器DHT11便開始傳送資料。



圖14 : 顯示0的數據圖
圖14 : 顯示0的數據圖

圖15 : 顯示1的數據圖
圖15 : 顯示1的數據圖

如圖14及圖15所示,每一bit數據都是以50μs低電位時序開始,高電位的時序長短代表數據是“0”或是“1”。如果高電位時序為26-28μs,代表的是數據“0”。說明DHT11發送響應信號,DHT11發送響應信號後,再把匯流排拉高80μs,準備發送數據,每一bit資料都以50μs低電位時隙開始,高電位的長短決定了數據位元是0或1。


3.1.2微塵感測器GP2Y1051AU0F

偵測微塵粒子的感測器[3],波特率為2400bit/s,其感測方式為當煙灰或室內灰塵等空氣中的粉塵處於檢測的範圍內時,這些粉塵會因為光的特性將光散射四處,而散射的光進入檢測元件內,會因為散射的程度不同,光強度也因此不同,利用此特徵做為檢測依據,用類比採樣光強度轉成數位電壓的高低做為輸出。其工作原理為上電後,以數位採樣的方式進行串列傳輸。


表3:粉塵感測器GP2Y1051AU0F傳輸位元

起始位元

VoutH

VoutL

AAH

8bit

8bit

VrefH

VrefL

檢測位元

結束位元

8bit

8bit

8bit

FFH

起始位元為AAH,之後每10ms陸續發送一個字節,共七個字節,最後結束位元為FFH,其中檢測位元為Vout(H)+Vout(L)+Vref(H)+Vref(L)接著HT66F70A微處理器收到Vout(H)及Vout(L)的值之後按照公式計算,如圖16所示,後得到Vout的電壓值為真實電壓值,最後依圖17之轉換曲線將電壓值轉換成濃度指標並顯示在手機的APP的介面上。


圖16 : 真實電壓換算公式
圖16 : 真實電壓換算公式

圖17 : 輸出電壓與粉塵濃度曲線圖
圖17 : 輸出電壓與粉塵濃度曲線圖

3.1.3風扇

排風扇當微塵粒子的濃度超出高標時,HT66F70A會開啟抽風風扇及排風風扇,將家中的微塵粒子抽進作品中進行過濾,接著把乾淨的空氣排出,直到家中微塵粒子濃度降至低標時,HT66F70A就會關閉抽風風扇及排風風扇。


3.1.4沉水馬達CK181DC

我們在本次作品中所使用的沉水馬達[4],主要是為了將水桶內的水往上抽,透過微噴灑水器讓水霧噴灑藉此過濾抽風口抽入的微塵粒子。馬達的規格如下表4。


表4:沉水馬達CK181DC規格表

電壓

負載安培

最高揚程

(公尺)

最大流量

(公升/小時)

12 V

1.7 A

1.8 M

750 L/hr


3.2軟體流程

圖18為主程式軟體流程圖,主程式一開始時,溫濕度感測器DHT11、微塵感測器GP2Y1051AU0F做初始化的設定,等待上電穩定時,感測器將會偵測周遭的類比訊號,並由感測器內部的A/D轉換成電子訊號傳送至HT66F70A微處理器,再利用藍牙模組作無線傳輸至APP做顯示,而當感測器感測到濃度超出標準時,便開啟風扇及馬達進行空氣的過濾,若濃度達到低標時,即關閉系統。圖19為副程式軟體流程圖,當系統接收到使用者變更系統狀態的訊號時,則軟體進入副程式判斷狀態訊號,決定是否開關馬達及風扇。


圖18 : 主程式軟體流程圖
圖18 : 主程式軟體流程圖
圖19 : 副程式軟體流程圖
圖19 : 副程式軟體流程圖
圖20 : APP數值介面軟體流程圖
圖20 : APP數值介面軟體流程圖

圖20為APP數值介面軟體流程圖,當開啟手機APP時,APP會自動連接藍牙,連接後會開始接收溫度、濕度及微塵粒子的資料,顯示於APP的介面,同時將資料上傳至雲端平台ThingSpeak。


4. 測試方法

4.1微塵感測器與溫溼度感測器測試方法

本作品其過濾系統共分為三個部分。第一部分為抽風口,微塵粒子之濃度最高,我們放置抽風扇,其目的在於將微塵粒子抽入系統中。第二部分為過濾區,有馬達及灑水器,馬達將水從下方抽至灑水器,並過濾從抽風口吸入的微塵粒子。第三部分是系統最上方的排風口,放置排風扇,將乾淨的空氣從系統內排出,並偵測過濾後之空氣的微塵粒子濃度。為觀測結果,我們設計風扇抽風口及排風口分別配置有自己的微塵感測器GP2Y1051AU0F及溫溼度感測器DHT11。


測試方法如下:我們用線香燃燒之煙霧當作微塵粒子,當電源接上使系統運作後,將線香點燃並放置於抽風口使燃燒之煙霧被吸入後,此時系統檢測到超標,會啟動噴水頭射出水將懸浮粒子過濾到下方的儲水槽,乾淨空氣則會向上飄由上方的排風扇排出,檢測之一實施例結果,如圖21所示。



圖21 : 抽風口示意圖
圖21 : 抽風口示意圖

5.結論

本作品以HT66F70A為核心,利用水可以將微塵粒子過濾的特性,製作一無需濾網之空氣清淨機並且透過APP觀察微塵粒子濃度、環境溫度及濕度再透過無線系統儲存歷史紀錄,隨時掌控居家環境的空氣品質,並且較市面上之清淨機更加環保,在環保意識抬頭的現在,本作品擁有相對的優勢且更為便宜,並若能改善過濾微塵粒子之效率、延長使用時間,必能在未來市場佔有一席之地。


6. 參考文獻

[1] 行政院環保署-空氣品質監測網


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


[2] DHT11-Datasheet


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


[3] 粉塵偵測器GP2Y1051AU0F規格書


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


[4] 沉水馬達


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


[5] 鍾啟仁HT66Fxx Flash MCU 原理與實務-


C語言篇,全華圖書股份有限公司,民國


99年,初版。


[6] HT66F70A DataSheet


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


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