近年来，全国各大城市雾霾的问题越来越严重，已经显著影响到大家的健康，到了必须引起重视的时刻了。为了让家人对PM2.5的情况有个了解，心中有数，虎哥专门研究了一下PM2.5检测器。研究之后，发现目前PM2.5检测器完全可以自己动手制作。虎哥作为一个DIY爱好者，自然心痒难耐，要自己动手搞一搞了。

经过一段时间的摸索，我总算完成了DIY PM2.5检测器的设计和制作。独乐乐不如众乐乐，为了让朋友们有一个健康的生活环境，以最便宜的价格获得一个PM2.5检测器，也为了让大家在制作过程中学习到一点单片机软硬件设计，以及一点点外观结构设计知识，我决定把PM2.5检测器的全部原始资料开源，作为2017年新春的礼物送给大家。源代码包下载链接在文章的末尾处，不想看文章的朋友可以直接把滚动条拉到最后下载。

第一节， 在Arduino UNO上实现创意

在介绍设计细节之前，我们还是先说一下PM2.5检测器的设计需求。首先，我们需要的是一个PM2.5检测器。因此，具有测量PM2.5数值的功能，并且测试数值相对准确，是我们这个设计的第一项需求。第二，我希望设计一个结构简单、易于理解、易于制作、面向教学的PM2.5检测器。因此，“简易”这个条件可以算是另一项需求了。仔细想想，大概也就是这两项设计需求。在满足这些要求的前提下，我们的设计就要开始了。

电路方面，为了让整个设计简单易学，我采用了Arduino UNO作为电路设计基础。在第一节和第二节中，我会首先使用Arduino UNO对这个项目进行原始设计和测试，当测试通过之后，我会再进行PCB电路板的设计（第三节），以及外壳的设计（第四节）。这也就决定了，这个项目的MCU，将使用Arduino UNO的核心元器件ATMega328P。

作为一个PM2.5检测器，必然需要有PM2.5的检测模块。在这个项目中，我采用了国产的攀藤G7作为PM2.5检测模块。这个模块尺寸比较小，测量精度似乎也还可以。有了PM2.5检测模块，还需要一个显示屏输出信息。因为我们并没有太多信息需要展示出来，因此我选择的简单的1602LCD，这个屏幕可以显示16列2行字母或数字信息，足够用了。

总体来说，这个项目的结构非常简单，如图所示。

在面包板上搭建电路的话，需要如下元器件：

上图给出了一个示意图。右上角的2*5针接口代表了攀藤G7的输出接口。攀藤G7的实际上是这个样子的：

这里有一个需要注意的问题：攀藤G7的接口，并不是2.54mm的接口，而是更小的1.27mm接口。为了用杜邦线接上这个接口，我们需要一个转接板：

这样的转接板，我们不使用中间的2.0mm的部分，只使用1.27mm以及2.54mm的部分。焊接上两个2x5pin的母头之后，攀藤G7就可以用杜邦线连接了。

按照上面的介绍，就可以搭建面包板试验环境了。如果稍懂一些数字电路知识的话，可以看出这个连接非常简单，其中包括了电源和地的连接，以及数据线的连接。对于LCD1602来说，我们连接了所有的数据线，至单片机的GPIO端口。之后我们会在软件中通过操作这些端口电平高低的方式，把内容输出到LCD1602上。对于攀藤G7来说，我们只连接了它的串口输出，至单片机的串口输入（RXD，端口0），这样，我们就可以接收到从攀藤G7串口输出的所有内容了。

更具体的细节信息，可以参考Arduino UNO的设计文档，以及ATMega328P、攀藤G7、LCD1602的说明书（数据手册）。在这些资料中，详细说明了模块每一个引脚的功能。详细介绍需要大量的篇幅，有兴趣的朋友可以找说明书以及介绍单片机编程的书籍来深入学习，我们这里就略过了。攀藤G7以及LCD1602这两个说明书，包含在了PM2.5源代码包中，文章末尾处有下载链接，可以下载。

第二节， Arduino软件刷入

如果你按照上一节的方式，连接好了电路板，就可以使用Arduino提供的软件环境，给Arduino UNO刷入软件了。我们提供的软件源代码，可以在PM2.5源代码包中的PM2.5目录下找到，文件名是pm2.5.ino，可以用Arduino打开。我用的是Arduino 1.6.13版，如果最新的1.8.x版使用有问题的话，可以下载这个旧版本使用。

软件刷入非常简单，把Arduino主板插入电脑的USB端口之后，Windows会自动安装驱动（如果是正版Windows）。如果驱动安装有问题，可以百度查询Arduino驱动安装的方法。驱动安装完成之后，在Windows设备管理器中可以看到：

你的COM端口号数字可能与我不同，没有关系，等一会刷入的时候，在Arduino软件中可以选择这个端口号。

然后是安装、启动Arduino。当然，如果你还没有下载Arduino的话，要先下载。如何下载、安装Arduino这里就不讲了，如果有需要可以百度。因为Arduino安装包尺寸比较大，源代码包里面也不包含Arduino安装包。

启动Arduino之后，可以看到这样一个界面。

在这个界面上，点击菜单“文件”-“打开…”，并找到源代码包中的pm2.5.ino文件，打开这个文件。观察窗口的右下角，如果显示的是Arduino/Genuino Uno，以及刚才在设备管理器中看到的COM端口号，那就可以按下向右的箭头，开始刷入软件了。否则，要先通过菜单“工具”-“开发板”以及“工具”-“端口”进行调整。

按下箭头之后等一会，一般需要一分钟左右，可以看到Arduino UNO主板上的一些LED闪烁，再之后，就可以看到Arduino软件显示“上传成功”。

如果这里有失败信息，最常见的问题是你的USB线接触不良，或者使用的Arduino版本不对导致的。检查一下再重试吧。

这里需要特别提示一点，由于Arduino UNO刷入固件的时候，需要用RXD端口，因此这时候RXD端口不能与攀藤G7连接。要把连接Arduino UNO以及攀藤G7的数据线（上面示意图中的蓝色线）拔下之后，才能正确刷入软件。刷入完成之后，再连接上，这时应该可以看到显示屏上的输出信息了！

下面，给对软件开发有兴趣的朋友，简单解释一下软件的结构，方便大家对软件的学习和改造。如果对C语言还不了解，或者对软件开发不感兴趣，可以略过这一段。首先是开头的数据引脚的定义。可以看到，从数据引脚2到13，全部使用上了。其中引脚2到12连接到了攀藤G7，引脚13对应的是Arduino板子上的LED灯，与输入的攀藤G7或者输出的LCD1602并没有连接。

下面的5个函数，包括WriteLCM, WriteDataLCM, WriteCommandLCM, DisplayOneChar, DisplayListChar，都是用于输出内容到LCD1602的。具体的写入协议，请查看其它相关的教程，或者LCD1602的数据手册，这里就不细讲了。这一组函数的对外接口，是DisplayListChar，用于将一个字符串显示在屏幕上。其他4个函数，都为DisplayListChar服务。

再下面是setup函数。Setup函数是Arduino的入口函数，负责初始化运行环境。在这个函数中，可以看到对所有数据引脚进行了初始化操作，然后使用一系列WriteCommandLCM调用，初始化了LCD1602。如果想知道这一系列调用起到了什么作用，可以查看数据手册，在数据手册中找到详细的解释。在setup函数的最后，还初始化了串口，等会我们要从串口中读取数据。

最后一个函数是loop函数。Loop函数也是Arduino的入口函数，负责执行程序循环。在这个函数中的内容，会被Arduino反复调用，直到单片机断电为止。对于我们的程序来说，这里面的内容，就是从串行口读入数据，然后显示在LCD1602上。这个过程循环往复，就完成了PM2.5检测器的功能。从代码来看，也不复杂。显示采用一系列Serial类的函数，完成从串行口读取数据的工作。读入的数据是什么格式？这个问题又得去问数据手册了。这次，攀藤G7的数据手册，会解释这个问题。拿到PM2.5的测量数据，我们在数组dispbuf中组成了一个字符串，然后通过刚才提到的DisplayListChar函数，显示在屏幕上。这样，我们就完成了这个单片机上所需的所有软件功能了。

第三节， PCB电路板的设计和制作

做完了以上两节的工作，实际上PM2.5检测器（的核心功能）已经运行起来了。只是工作在面包板上，不仅不够美观，也非常不可靠。很容易碰到某一根线，整个系统就不工作了。为了让家人也能放心使用，我决定要做一个PCB板，解决这些问题。

想做一个独立的PCB电路板，首先一个问题就是，是不是整张Arduino电路板都要复制过来呢？如果仔细观察就会发现，Arduino电路板还是很复杂的，如果整张Arduino电路板都要复制过来，那些贴片元件，特别是USB转串口模块的ATMega16U2芯片，是极难手工焊接的。如果用了这样的方案，就只能请代工厂完成焊接工作，不能自己手工DIY了。

经过研究之后，我发现实际上Arduino电路板上，只有少数几个元器件是工作所必须的，而这些元器件，都可以采用直插元件，这样就大大方便了我们的后续焊接工作，让没有什么焊接经验的同学也可以参与到其中了。

经过简化之后的Arduino电路图，如下所示。

简单说明一下。MCU部分，只保留了晶振和晶振匹配电容C2/C3，以及一个给电源稳压的电容C1。LCD1602的V0引脚，通过一个1.5K电阻接地，可以得到最好的对比度效果。另外整个系统的电源，我设计为使用常见的Micro USB接口提供。这样，每天早上起床之后，或者晚上给手机充电之前，可以使用手机充电器连接PM2.5检测器看一下当天的PM2.5值，就不需要再配其他的电源了。从电路设计图上也可以看到，这个口虽然是USB口，但只使用了USB口上提供的+5V电源，并没有USB通讯功能，所以也就不需要USB通讯相关的芯片、软件了。

电路板上一共只有9个独立元器件，需要焊接：

这样的设计，让即使是初次拿起电烙铁的同学，也完全可以顺利完成焊接，希望能让大家提高兴趣，深入学习了解电子知识。

整个电子设计，使用EAGLE软件完成。国内使用EAGLE软件的朋友相对比较少，但这个软件在国外开源社区非常流行，对于双面、80cm2以内的PCB电路板设计，可以使用免费版完成。我们这个PM2.5检测器，完全符合条件，大家可以直接使用免费版本进行研究和修改。掌握这个软件，还可以帮我们更好的与国际接轨，学习参考国外开源社区的优良设计。（特别提示，Arduino系列电路板，都是使用这个软件完成的设计。想玩转Arduino的朋友，一定要掌握这个软件哦~）

电路板的原始设计文件，也包含在了源代码包中，可以在pcb目录下找到。其中pmpcb.sch和pmpcb.brd文件是原始设计文件，可以直接在EAGLE软件中打开。Gerbers目录下的所有文件，是用于生产的导出后文件。电路板设计完成之后，可以拿到代工厂进行打样。一般一两周之后，我们就可以拿到打样之后的结果啦~

把PCB板上的所有的零件都焊接好，再做好以下几点：

1. 把LCD1602显示屏焊接在单排针上面。这个焊接需要比较注意，要把两层PCB板的对应孔位置对齐，如果歪得太多，安装外壳是螺丝很难穿过去。关键点在于，用电烙铁焊接第一个点和第二个点的时候，要特别注意对齐。焊完三个点以上，如果不借助专门的工具，就很难再调整了。

2. 把USB转DIP转接座焊在单排针上面。与上面第一条情况类似，不重复了。

3. 安装MCU ATMega328P。这里可能需要IC起拔器。这个工具不贵，建议买一个。如果没有这个工具，从IC座上取下芯片可能会比较困难。

4. 安装攀藤G7。这个模块没有安装孔位，如果只是简单插上这个模块，模块和PCB板中间会有一个小缝，而且整体晃动时模块会拍打在电路板上。因此我在模块和PCB板中间贴了一片2cm直径，1mm厚度的双面胶。如下图。

贴上这个双面胶之后，所有问题都解决了。

全部焊接完成之后，整个作品已经可以工作，接近完成了：

这样，在上面的表格之外，完成到这步还需要的元器件包括：

第四节， 外观设计与安装

最后，让我们给PM2.5检测器增加一个外壳，这样用起来就更加可靠了。这个外壳，我设计使用亚克力板作为前面和后面两面的面板，其他部分使用标准零件连接。这样，我们只需要找到能切割亚克力板的商家，进行一次切割就可以了。

前面和后面的面板，我使用QCAD软件（免费软件）进行设计。设计完成之后，保存为dxf文件，就可以发送给亚克力切割商家了。这个文件也保存在我们的源代码包中，下载后在frame目录下可以看到。使用QCAD打开这个文件如下图所示。

在这里，我们就不详细介绍QCAD的用法了。有兴趣改造目前设计的朋友，可以百度相关的教程。打印虎也曾经写过一个QCAD使用的教程，【打印虎】用QCAD修改RepRap Prusa i3 3D打印机框架设计图解，可以供大家参考。这个dxf文件实际上只有2D的设计。切割时，要跟商家说好，用4mm厚度的亚克力板进行切割。这个厚度数据是不包含在dxf文件中的。

切割完成之后，我们要先把背板和支撑板安装在一起：

下面，使用M3*8塑料螺丝、螺母以及2.5mm塑料柱，加固PCB电路板USB接口部分。这样，就不怕插拔力量太大对USB接口造成损坏了：

最后只要把前面板、中间的PCB电路板以及后面板组装到一起，就可以了：

总结一下，这一步中需要的零件包括：

到此为止，全部工作就完成了。是不是特别有成就感呢？

第五节， 结束语

以上所有工作完成之后，你就获得了一个与文章开始处第一张图一样的PM2.5检测器了。当然，所有读到这里的朋友，肯定都有非凡的聪明才智，一定想到了很多可以继续改进的主意。

文章结尾处，我们做一个小广告。最近宁波爱用推出了最新的迷你3D打印机，相比于目前市面上的机型，这个3D打印机特别小巧灵活，使用注塑外壳，可以达到很不错的精度。还使用了磁性柔性打印平面，让打印时更容易附着，打印完成后更容易取下。而且，最重要的是，这个3D打印机特别便宜，可以点击这个链接了解详情。

最后，当然不能忘记的是开源包的下载！点击这个链接，可以下载到所有的相关资料。祝大家玩得愉快。