MQ-7 Sensorundan istifadə edən Arduino CO Monitoru: 8 Addım (Şəkillərlə birlikdə)

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:46

Bu təlimatın niyə yaradıldığına dair bir neçə kəlmə: bir gün rəfiqəmin anası həqiqətən özünü pis hiss etdiyi üçün gecə yarısı bizə zəng etdi - başgicəllənmə, taxikardiya, ürəkbulanma, yüksək təzyiq, hətta naməlum vaxta qədər huşunu itirdi (ehtimal ~ 5) dəqiqələrdir, amma deməyin bir yolu yoxdur), hamısı heç bir səbəb olmadan. Xəstəxanalardan uzaq olan kiçik bir kənddə yaşayır (yerimizdən 60 km, ən yaxın xəstəxanaya 30 km, aralarında heç bir normal yol olmadığı üçün 10 km), ona görə qaçdıq və təcili yardımdan dərhal sonra ora çatdıq. Xəstəxanaya yerləşdirildi və səhər özünü yaxşı hiss etdi, amma həkimlər bunun səbəbini tapa bilmədilər. Ertəsi gün bir fikrimiz oldu: qazlı su qazanı olduğu üçün CO-dan zəhərlənmə ola bilərdi (fotoşəkildə) və baş verdikdə bütün axşam ona yaxın oturmuşduq. Bu yaxınlarda MQ-7 CO sensoru aldıq. lakin bunun üçün sxemləri toplamaq üçün heç vaxt olmadı, buna görə də bunu etmək üçün mükəmməl vaxt idi. Hər hansı bir təlimat üçün internetdə bir saat axtardıqdan sonra başa düşdüm ki, eyni vaxtda məlumat istehsalçısının sensor istehsalçısının göstərişlərinə əməl edən və heç nəyi izah edən heç bir bələdçi tapa bilmirəm (bir nümunədə olduqca yaxşı kod var idi, amma necə tətbiq ediləcəyi aydın deyildi, digərləri çox sadələşdirilmişdi və yaxşı işləməyəcəkdi). Beləliklə, sxemlərin hazırlanması, 3d qutunun hazırlanması və çap edilməsi, sensorun sınanması və kalibrlənməsi üçün təxminən 12 saat vaxt sərf etdik və ertəsi gün şübhəli qazana getdik. Orada CO səviyyəsinin son dərəcə yüksək olduğu ortaya çıxdı və CO -ya məruz qalma müddəti daha uzun olsaydı ölümcül ola bilərdi. Buna görə də inanıram ki, oxşar vəziyyətə malik olan hər kəs (yaşayış yerində qaz qazanı və ya digər yanma kimi) pis bir şeyin baş verməməsi üçün belə bir sensora sahib olmalıdır.

İki həftə əvvəl baş verənlərin hamısı, o vaxtdan bəri sxemləri və proqramı xeyli təkmilləşdirdim və indi olduqca yaxşı və nisbətən sadə görünür (kodun 3 sətri sadə deyil, amma yenə də). Ümid edirəm ki, dəqiq CO sayğacı olan biri mənə eskizdə qoyduğum standart kalibrləmə ilə bağlı bəzi rəylər verəcəkdir - yaxşı olduğunu düşünmürəm. Burada bəzi eksperimental məlumatlar olan tam bir bələdçi var.

Addım 1: Materiallar Bill

Lazım olacaq: 0. Arduino lövhəsi. 3 dollarlıq üstün qiymətə görə Arduino Nanonun Çin klonuna üstünlük verirəm, amma hər hansı bir 8 bitlik arduino burada işləyəcək. Sketch, bəzi inkişaf etmiş taymerlər əməliyyatından istifadə edir və yalnız atmega328 mikrokontrolöründə sınaqdan keçirildi - yəqin ki, digərlərində də yaxşı işləyəcək.1. MQ-7 CO sensoru. Ən çox bu Uçan Balıq sensoru modulu ilə əldə edilə bilər, kiçik bir dəyişiklikdən keçməlidir, sonrakı addımda detallar və ya ayrı bir MQ-7sensor istifadə edə bilərsiniz.

2. NPN bipolyar tranzistor. 300 mA və ya daha çox tuta bilən demək olar ki, hər hansı bir NPN tranzistoru burada işləyəcək. PNP tranzistoru qeyd olunan Uçan Balıq modulu ilə işləməyəcək (çünki sensorun çıxışına lehimlənmiş qızdırıcı pimi var), ancaq diskret MQ-7 sensoru ilə istifadə oluna bilər.

3. Rezistorlar: 2 x 1k (0,5k -dan 1,2k -a qədər yaxşı işləyəcək) və 1x10k (ən yaxşısı dəqiq saxlanılır - əgər tamamilə fərqli bir dəyər istifadə etməlisinizsə, eskizdə referans_resistor_kOhm dəyişənini buna uyğun olaraq düzəldin).

4. Kondansatörler: 2 x 10uF və ya daha çox. Tantal və ya keramika tələb olunur, yüksək ESR səbəbindən elektrolitik yaxşı işləməyəcək (yüksək cərəyan dalğalanmasını hamarlamaq üçün kifayət qədər cərəyan verə bilməyəcəklər).5. Cari CO səviyyəsini göstərmək üçün yaşıl və qırmızı LEDlər (sarı qutu prototipimizdə istifadə etdiyimiz kimi 3 terminallı tək rəngli bir LED istifadə edə bilərsiniz).6. Piezo siqnalı yüksək CO səviyyəsini göstərir.7. Çörək taxtası və tellər (hər şeyi Nano sancaqlarına lehimləyə və ya Uno yuvalarına sıxa bilərsiniz, ancaq bu şəkildə səhv etmək asandır).

Addım 2: Modul Modifikasiyası və ya Diskret Sensor Kabloları

Modulda, fotoşəkildə göstərildiyi kimi rezistor və kondansatörü sökməlisiniz. İstəsəniz əsasən hər şeyi silə bilərsiniz - modul elektronikası tamamilə yararsızdır, biz onu yalnız sensorun özü üçün tutacaq kimi istifadə edirik, lakin bu iki komponent düzgün oxunuş əldə etməyinizə mane olacaq, Diskret sensordan istifadə edirsinizsə, müvafiq olaraq 5V -ə qızdırıcı pinlərini (H1 və H2) və tranzistor kollektorunu bağlayın. Bir hissəni (A pinlərindən hər hansı birini) 5V -ə, digər hissəni (B pinlərindən hər hansı birini) 10k rezistora bağlayın, eynilə sxemdəki modulun analog pimi kimi.

Addım 3: Əməliyyat Prinsipi

Niyə bütün bu komplikasiyalara ehtiyacımız var, niyə 5V, zəmin əlavə etməyək və sadəcə oxunuşlar etməyək? Təəssüf ki, bu şəkildə faydalı bir şey əldə etməyəcəksiniz. MQ-7 məlumat cədvəlinə görə, sensor yüksək və düzgün ölçülər əldə etmək üçün aşağı istilik dövrləri. Aşağı temperatur mərhələsində CO, lövhədə əmilir və mənalı məlumatlar verir. Yüksək temperatur mərhələsində, udulmuş CO və digər birləşmələr sensor lövhəsindən buxarlanır və növbəti ölçü üçün təmizlənir.

Beləliklə, ümumiyyətlə əməliyyat sadədir:

1. 60 saniyə ərzində 5V tətbiq edin, bu ölçmələri CO ölçümü üçün istifadə etməyin.

2. 90 saniyə ərzində 1.4V tətbiq edin, CO ölçülməsi üçün bu oxunuşlardan istifadə edin.

3. 1 -ci addıma keçin.

Ancaq problem budur: Arduino bu sensoru sancaqlarından işə salmaq üçün kifayət qədər güc təmin edə bilməz - sensorun qızdırıcısı 150 mA tələb edir, Arduino pimi 40 mA -dan çox olmamalıdır, buna görə də birbaşa qoşulduqda Arduino pimi yanacaq və sensor hələ də qalib gələcək işləmir. Böyük çıxış cərəyanını idarə etmək üçün kiçik giriş cərəyanı alan bir növ cərəyan gücləndiricisindən istifadə etməliyik. Başqa bir problem 1.4V alır. Bir çox analoq komponent təqdim etmədən bu dəyəri etibarlı şəkildə əldə etməyin yeganə yolu, çıxış gərginliyini idarə edəcək geribildirimlə PWM (Pulse Width Modulation) yanaşmasından istifadə etməkdir.

NPN tranzistoru hər iki problemi həll edir: daim açıldıqda, sensordakı gərginlik 5V-dir və yüksək temperatur fazası üçün qızdırılır. Girişinə PWM tətbiq etdikdə, cərəyan pulsasiya edir, sonra kondansatör tərəfindən hamarlanır və orta gərginlik sabit saxlanılır. Yüksək tezlikli PWM (eskizdə 62.5KHz tezliyinə malikdir) və bir çox analoji oxu (eskizdə ~ 1000 -dən çox oxunuş) istifadə etsək, nəticə olduqca etibarlıdır.

Sxemlərə görə kondansatörlərin əlavə edilməsi vacibdir. Buradakı şəkillər C2 kondansatörlü və onsuz olan siqnal fərqini göstərir: onsuz PWM dalğalanması aydın görünür və oxunuşları əhəmiyyətli dərəcədə təhrif edir.

Addım 4: Şematik və Breadboard

Budur sxemlər və çörək taxtası montajı.

XƏBƏRDARLIQ! Standart bir kəsmə modulunun dəyişdirilməsi tələb olunur! Dəyişiklik olmadan modul yararsızdır. Modifikasiya ikinci mərhələdə təsvir edilmişdir

LEDlər üçün D9 və D10 sancaqlarından istifadə etmək vacibdir, çünki orada Timer1 aparatının çıxışları var, rənglərini rəvan dəyişməyə imkan verəcəkdir. D5 və D6 sancaqları səs siqnalı üçün istifadə olunur, çünki D5 və D6 hardware Timer0 -un çıxışlarıdır. Onları bir -birinə tərs olaraq konfiqurasiya edəcəyik, buna görə də (5V, 0V) və (0V, 5V) vəziyyətləri arasında keçid edəcəklər və beləliklə səs siqnalında səs çıxaracaqlar. Xəbərdarlıq: bu, Arduinonun əsas zamanlama kəsilməsini təsir edir, buna görə də bütün vaxta bağlı funksiyalar (millis () kimi) bu eskizdə düzgün nəticələr verməyəcək (bu barədə daha sonra). Pin D3-də ona bağlı hardware Timer2 çıxışı var. D11 - lakin D11 -ə tel çəkmək D3 -dən daha az rahatdır) - buna görə gərginliyi idarə edən tranzistor üçün PWM təmin etmək üçün istifadə edirik. Rezistor R1 LED -lərin parlaqlığını idarə etmək üçün istifadə olunur. 300 ilə 3000 Ohm arasında ola bilər, 1k parlaqlıq/enerji istehlakı baxımından optimaldır. R2 rezistoru tranzistorun əsas cərəyanını məhdudlaşdırmaq üçün istifadə olunur. 300 Ohm -dən aşağı olmamalıdır (Arduino pinini çox yükləməmək üçün) və 1500 Ohm -dan yüksək olmamalıdır. 1k təhlükəsiz bir seçim var.

Rezistor R3, gərginlik bölücü yaratmaq üçün sensor lövhə ilə birlikdə istifadə olunur. Sensorun çıxışındakı gərginlik R3 / (R3 + Rs) * 5V -ə bərabərdir, burada Rs cari sensorun müqavimətidir. Sensor müqaviməti CO konsentrasiyasından asılıdır, buna görə də gərginlik müvafiq olaraq dəyişir. C1 kondansatörü, MQ -7 sensorunda PWM girişini hamarlaşdırmaq üçün istifadə olunur, onun tutumu nə qədər yüksəkdirsə, bir o qədər yaxşı ESR -yə malikdir - keramika (və ya tantal) kondansatör burada üstünlük təşkil edir, elektrolitik yaxşı işləməyəcək.

Kondansatör C2, sensorun analog çıxışını hamarlaşdırmaq üçün istifadə olunur (çıxış gərginliyi giriş gərginliyindən asılıdır - və burada bütün sxemləri təsir edən kifayət qədər yüksək cərəyan PWM -ə sahibik, buna görə də C2 lazımdır). Ən sadə həll, C1. NPN tranzistoru ilə eyni kondansatördən istifadə etməkdir və ya sensorun qızdırıcısına yüksək cərəyan vermək üçün daim cərəyan keçirir və ya PWM rejimində işləyir, beləliklə istilik cərəyanını azaldır.

Addım 5: Arduino Proqramı

XƏBƏRDARLIQ: SENSOR HƏR HANGİ PRAKTİK İSTİFADƏ ÜÇÜN MANUAL KALİBRASİYA TƏLƏB EDİR. KALİBRASİYASIZ SİZİN XÜSUSİ SENSÖRÜNÜZÜN PARAMETRİLƏRİNƏ BAĞLI, BU SKET TƏMİZ HAVA ALARMINI Yandıra bilər və ya LETAL KARBON MONOKSİD KONSANTRASİYASINI SÖZLƏMƏZ

Kalibrləmə aşağıdakı addımlarda təsvir edilmişdir. Kobud kalibrləmə çox sadədir, dəqiq olduqca mürəkkəbdir.

Ümumiyyətlə, proqram olduqca sadədir:

Əvvəlcə sensor tərəfindən tələb olunan sabit 1.4V istehsal etmək üçün PWM -ni kalibr edirik (düzgün PWM genişliyi dəqiq müqavimət dəyərləri, bu xüsusi sensorun müqaviməti, tranzistorun VA əyrisi və s. Kimi bir çox parametrdən asılıdır - buna görə ən yaxşı yol müxtəlif dəyərləri sınamaqdır. və ən uyğun olanı istifadə edin). Sonra, davamlı olaraq 60 saniyəlik qızdırma və 90 saniyəlik ölçmə dövrəsini keçiririk. Həyata keçirərkən bir qədər çətinləşir. Təchizat taymerlərindən istifadə etməliyik, çünki burada olan hər şeyin düzgün işləməsi üçün yüksək tezlikli sabit PWM-ə ehtiyacı var. Kod burada əlavə olunur və github-dan, Fritzing-dəki sxemlərin mənbəyindən yüklənə bilər. Proqramda Taymerləri idarə edən 3 funksiya: setTimer0PWM, setTimer1PWM, setTimer2PWM. Hər biri PWM rejimində taymeri verilən parametrlərlə təyin edir (kodda şərh olunur) və giriş dəyərlərinə görə nəbz genişliyini təyin edir. Ölçmə mərhələləri startMeasurementPhase və startHeatingPhase funksiyalarından istifadə edərək dəyişdirilir içindəki hər şeyi idarə edin. və 5V və 1.4V istilik arasında keçid üçün uyğun timer dəyərlərini təyin edin. LED-lərin vəziyyəti, girişində yaşıl və qırmızı parlaqlığı qəbul edən (xətti 1-100 miqyaslı) funksiyası setLED-lər tərəfindən təyin edilir və onu müvafiq timer parametrinə çevirir.

Buzzer vəziyyəti buzz_on, buzz_off, buzz_beep funksiyalarından istifadə etməklə idarə olunur. Açma/söndürmə funksiyaları səsi yandırır və söndürür, bip funksiyası vaxtaşırı çağırıldıqda 1,5 saniyəlik xüsusi bir siqnal ardıcıllığı yaradır (bu funksiya dərhal geri qayıdır, beləliklə əsas proqramı durdurmur - ancaq təkrar -təkrar zəng etməlisiniz. bip səsi çıxarmaq).

Proqram əvvəlcə ölçmə mərhələsində 1.4V əldə etmək üçün düzgün PWM dövrü genişliyini tapan pwm_adjust funksiyasını yerinə yetirir. Sonra sensorun hazır olduğunu bildirmək üçün bir neçə dəfə səs siqnalı verir, ölçmə mərhələsinə keçir və əsas döngəni işə salır.

Əsas döngədə, proqram cari fazada kifayət qədər vaxt keçirdiyimizi yoxlayır (ölçü fazası üçün 90 saniyə, qızdırma fazası üçün 60 saniyə) və əgər varsa, cari fazanı dəyişir. Həm də eksponensial hamarlaşdırma istifadə edərək sensor oxunuşlarını daim yeniləyir: new_value = 0.999*old_value + 0.001*new_reading. Bu cür parametrlər və ölçmə dövrü ilə təxminən 300 milisaniyədən çox siqnal çəkir. KALİBRASİYASIZ SİZİN XÜSUSİ SENSÖRÜNÜZÜN PARAMETRİLƏRİNƏ BAXIŞ OLMADAN BU SKET TƏMİZ HAVADA ALARMI AÇIB YA LETAL KARBON MONOKSİD KONSANTRASİYASINI AYDIRMAYA BİLƏR.

Addım 6: İlk İş: Nə Gözləmək lazımdır

Hər şeyi düzgün yığsanız, eskiz işlədikdən sonra Serial monitorda belə bir şey görəcəksiniz:

PWM tənzimlənməsi w = 0, V = 4.93

tənzimləmə PWM w = 17, V = 3.57PWM nəticə: eni 17, gərginlik 3.57

və sonra cari sensor oxunuşlarını təmsil edən bir sıra ədədlər. Bu hissə, sensörün qızdırıcısının gərginliyini mümkün qədər 1.4V -ə yaxın istehsal etmək üçün PWM genişliyini tənzimləyir, ölçülmüş gərginlik 5V -dən çıxılır, buna görə də ideal ölçmə dəyərimiz 3.6V -dir. Bu proses bir addımdan sonra bitmirsə və ya bitmirsə (eni 0 və ya 254 -ə bərabərdir) - deməli bir şey səhvdir. Transistorunuzun həqiqətən NPN olub olmadığını və düzgün bağlandığını yoxlayın (baza, kollektor, emitör pinlərindən düzgün istifadə etdiyinizə əmin olun - baza D3 -ə gedir, kollektor MQ -7 -yə və emitent yerə düşür, Fritzing çörək taxtası görünüşünə inanmayın - bu Sensorun girişini Arduinonun A1 girişinə bağladığınızdan əmin olun. Hər şey qaydasındadırsa, Arduino IDE -dən Serial Plotter -də görüntüyə bənzər bir şey görməlisiniz. 60 və 90 saniyəlik istilik və ölçmə dövrləri ardıcıl olaraq davam edir, hər dövrün sonunda CO ppm ölçülür və yenilənir. Ölçmə dövrü başa çatdıqda sensora yaxın bir az açıq alov götürə bilərsiniz və bunun oxunuşlara necə təsir edəcəyini görə bilərsiniz (alov növündən asılı olaraq açıq havada 2000 ppm CO konsentrasiyasını istehsal edə bilər - buna görə də əslində sensora girir, yenə də həyəcanı açar və növbəti dövrün sonuna qədər sönməz). Şəkildə göstərdim, həm də alışqandan gələn atəşə cavabı.

Addım 7: Sensorun Kalibrlənməsi

İstehsalçının məlumat cədvəlinə görə, sensoru kalibr etməzdən əvvəl ardıcıl olaraq 48 saat ərzində qızdırıcı-soyutma dövrü işləməlidir. Uzun müddət istifadə etmək niyyətindəsinizsə bunu etməlisiniz: mənim vəziyyətimdə, təmiz havada sensorun oxunması 10 saat ərzində təxminən 30% dəyişdi. Bunu nəzərə almasanız, əslində 100 ppm CO olduğu yerdə 0 ppm nəticə əldə edə bilərsiniz. 48 saat gözləmək istəmirsinizsə, ölçü dövrünün sonunda sensor çıxışını izləyə bilərsiniz. Bir saatdan çox 1-2 nöqtədən çox dəyişməyəndə - orada istiləşməni dayandıra bilərsiniz.

Kobud kalibrləmə:

Təmiz havada ən az 10 saat eskiz işlədikdən sonra, istilik dövrünün başlamasından 2-3 saniyə əvvəl, ölçmə dövrünün sonunda xam sensor dəyərini götürün və sensor_reading_clean_air dəyişəninə yazın (sətir 100). Bu belədir. Proqram digər sensor parametrlərini təxmin edəcək, dəqiq olmayacaq, ancaq 10 ilə 100 ppm konsentrasiyasını ayırmaq üçün kifayət etməlidir.

Dəqiq kalibrləmə:

Kalibrlənmiş CO sayğac tapmağı, 100 ppm CO nümunəsi hazırlamağı məsləhət görürəm (bunu baca qazını şprisə daxil etməklə etmək olar - CO konsentrasiyası asanlıqla bir neçə min ppm aralığında ola bilər və yavaş -yavaş qapalı bankaya qoyaraq kalibrlənmiş sayğac və MQ-7 sensoru), bu konsentrasiyada xam sensorun oxunmasını götürün və sensor_reading_100_ppm_CO dəyişəninə qoyun. Bu addım olmadan, ppm ölçməyiniz hər iki istiqamətdə bir neçə dəfə səhv ola bilər (evdə CO -nun olmaması ehtimal olunan, lakin heç bir sənaye tətbiqi üçün yaxşı olmayan təhlükəli CO konsentrasiyası üçün həyəcan siqnalı lazımdırsa yenə də tamam).

CO sayğacım olmadığı üçün daha mürəkkəb bir yanaşma tətbiq etdim. Əvvəlcə təcrid olunmuş həcmdə yanma istifadə edərək yüksək konsentrasiyalı CO hazırladım (ilk şəkil). Bu yazıda, fərqli alov növləri üçün CO məhsuldarlığı da daxil olmaqla, ən faydalı məlumatları tapdım - fotoşəkildə yoxdur, amma son təcrübədə eyni quruluşa malik olan, ~ 5000 ppm CO konsentrasiyası ilə nəticələnən propan qazının yanması istifadə edilmişdir. Sonra ikinci fotoda göstərildiyi kimi 100 ppm əldə etmək üçün 1:50 nisbətində seyreltildi və sensorun istinad nöqtəsini təyin etmək üçün istifadə edildi.

Addım 8: Bəzi Eksperimental Məlumatlar

Mənim vəziyyətimdə, sensor olduqca yaxşı işləyir - həqiqətən aşağı konsentrasiyalar üçün çox həssas deyil, ancaq 50 ppm -dən yüksək bir şey aşkar etmək üçün kifayət qədər yaxşıdır. Ölçmələr apararaq konsentrasiyanı tədricən artırmağa çalışdım və bir sıra qrafiklər qurdum. 0ppm xətlərinin iki dəsti var - CO təsirindən əvvəl saf yaşıl və sonra sarı yaşıl. Sensor məruz qaldıqdan sonra təmiz hava müqavimətini bir qədər dəyişir, amma bu təsir azdır. Göründüyü kimi 8 və 15, 15 və 26, 26 və 45 ppm konsentrasiyalarını aydın şəkildə ayırd edə bilmir-amma tendensiya çox aydındır, buna görə konsentrasiyanın 0-20 və ya 40-60 ppm aralığında olub olmadığını deyə bilər.. Daha yüksək konsentrasiyalarda asılılıq daha fərqli olur - açıq alovun tükənməsinə məruz qaldıqda, əyilmə heç aşağı düşmədən başlanğıcdan yuxarı qalxır və dinamikası tamamilə fərqlidir. Yüksək konsentrasiyalarda etibarlı işlədiyinə heç bir şübhə yoxdur, baxmayaraq ki, heç bir qiymətləndirilmiş CO sayğacım olmadığı üçün dəqiqliyini təsdiqləyə bilmərəm. Həmçinin, bu təcrübələr dəsti 20k yük müqavimətindən istifadə etməklə həyata keçirildi və bundan sonra qərar verdim. Varsayılan dəyər olaraq 10k tövsiyə etmək üçün bu şəkildə daha həssas olmalıdır. Etibarlı bir CO sayğacınız varsa və bu lövhəni yığmış olsanız, lütfən, sensor dəqiqliyi ilə bağlı bəzi fikirlərinizi bölüşün - müxtəlif sensorlar üzərində statistika toplamaq və standart eskiz fərziyyələrini yaxşılaşdırmaq əla olardı.