ESP32 で PM2.5 濃度測定

ESP32 でシャープの埃センサーを制御して，PM2.5 の濃度を測定する方法を紹介します．

はじめに
必要な部品
1. AliExpress で入手するもの
2. 秋月電子で入手するもの
回路
センシング方法
ソフト
ケース
設置
参考文献

はじめに

ESP32 でのセンシング事例としては I2C 通信や A/D 変換器を使ったものが多い気がしますが，ここでは PWM と A/D 変換器を組み合わせて，PM2.5 のノイズを計測する方法を紹介します．

作るものは左のような感じ．

ペリフェラルてんこ盛りの ESP32 の活用の場を広げる一例として参考にしてもらえば幸いです．

回路，ソフト，ケースの順で説明していきます．

必要な部品

必要な部品はこんな感じ．代表的なもののみ記載しています．

AliExpress で入手するもの

DN7C3CA006: シャープの PM2.5 センサーです．より新しいバージョンである DN7C3CA007 でも OK です．送料含めると $28 程度です．

秋月電子で入手するもの

BS170: PM2.5 センサーの LED 制御用の Nch MOSFET です．
B6B-XH-A: PM2.5 センサー接続用のコネクタです．
220uF 電解コンデンサー: PM2.5 センサーの LED 用電源に接続するコンデンサです．データシートでこの容量が指定されています．150Ω の抵抗も必要になります．

回路

PM2.5 センサーのデータシート [キャッシュ] は正直わかりやすいとは言えないので，その内部で使われている GP2Y1010AU のアプリケーションノート [キャッシュ] を参照するのがオススメです．掲載されている下記の回路図の通りに回路を組めば OK です．

ここに載っていないものとして，PM2.5 センサ特有のファンがありますが，こちらは電源制御用の MOSFET を介して 5V に接続すれば OK です．

センシング方法

センサーの制御内容としては，データシートに記載されている下図の通りに LED を制御し，Vo の電圧を A/D 変換する形になります．

注意点が一つだけあります．

データシートに記載されている 10ms 周期ののパルス波形は LED 端子に電流が流れるときに H になる形で書かれています．そのため，Nch MOSFET を使う場合は，H のタイミングでゲートを H にしてやる形になります．(図は LED 端子の電圧波形ではありません)

ソフト

ソフト全体は，github に上げてありますので，ここではポイントとなる部分のみ抜粋していきます．

まず，パルス出力から．dust_sense_start を呼ぶと 100s 周期で 0.32ms のパルスを出力し，パルス出力から 0.28ms 後に割り込みが発生するようにします．cmpr_b は周期に対する割合(%)で設定するので注意．dust_sense_stop ではパルス出力を停止し，端子を L に設定します．

static void dust_sense_start()
{
    mcpwm_config_t pwm_config;
    pwm_config.frequency    = 100; // period is 10ms
    pwm_config.cmpr_a       = 0;
    pwm_config.cmpr_b       = 2.8; // sampling timing is 0.28ms (= 10ms * 2.8%) later
    pwm_config.counter_mode = MCPWM_UP_COUNTER;
    pwm_config.duty_mode    = MCPWM_DUTY_MODE_0;

    ESP_ERROR_CHECK(mcpwm_init(MCPWM_UNIT_0, MCPWM_TIMER_0, &pwm_config));
    ESP_ERROR_CHECK(mcpwm_set_duty_in_us(MCPWM_UNIT_0, MCPWM_TIMER_0,
                                         MCPWM_OPR_A, 320)); // pulse width is 320us
    ESP_ERROR_CHECK(mcpwm_start(MCPWM_UNIT_0, MCPWM_TIMER_0));
}

static void dust_sense_stop()
{
    ESP_ERROR_CHECK(mcpwm_stop(MCPWM_UNIT_0, MCPWM_TIMER_0));
    ESP_ERROR_CHECK(mcpwm_set_signal_low(MCPWM_UNIT_0, MCPWM_TIMER_0, MCPWM_OPR_A));
}

static void dust_sense_start()

{

mcpwm_config_t pwm_config;

pwm_config.frequency = 100; // period is 10ms

pwm_config.cmpr_a = 0;

pwm_config.cmpr_b = 2.8; // sampling timing is 0.28ms (= 10ms * 2.8%) later

pwm_config.counter_mode = MCPWM_UP_COUNTER;

pwm_config.duty_mode = MCPWM_DUTY_MODE_0;

ESP_ERROR_CHECK(mcpwm_init(MCPWM_UNIT_0, MCPWM_TIMER_0, &pwm_config));

ESP_ERROR_CHECK(mcpwm_set_duty_in_us(MCPWM_UNIT_0, MCPWM_TIMER_0,

MCPWM_OPR_A, 320)); // pulse width is 320us

ESP_ERROR_CHECK(mcpwm_start(MCPWM_UNIT_0, MCPWM_TIMER_0));

}

static void dust_sense_stop()

{

ESP_ERROR_CHECK(mcpwm_stop(MCPWM_UNIT_0, MCPWM_TIMER_0));

ESP_ERROR_CHECK(mcpwm_set_signal_low(MCPWM_UNIT_0, MCPWM_TIMER_0, MCPWM_OPR_A));

}

続いて，A/D 変換．割り込みハンドラ isr_handler の中で A/D 変換を行います．割り込みハンドラは，初期化中に呼ぶ init_gpio の中で登録します．

static void IRAM_ATTR isr_handler()
{
    signed portBASE_TYPE task_woken;

    // clear interrupt
    MCPWM[MCPWM_UNIT_0]->int_clr.val = MCPWM[MCPWM_UNIT_0]->int_st.val;

    uint32_t dust_ad = adc1_to_voltage(DUST_ADC_CH, &adc_char);
}

static void init_gpio()
{
    ESP_ERROR_CHECK(mcpwm_gpio_init(MCPWM_UNIT_0, MCPWM0A, DUST_LED_GPIO));

    MCPWM[MCPWM_UNIT_0]->int_ena.val = 1 << 18;
    ESP_ERROR_CHECK(mcpwm_isr_register(MCPWM_UNIT_0, isr_handler,
                                       NULL, ESP_INTR_FLAG_IRAM, NULL));
}