مانیتور CO آردوینو با استفاده از سنسور MQ-7: 8 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

چند کلمه چرا این دستورالعمل ایجاد شد: یک روز مادر دوست دخترم با ما تماس گرفت نصف شب چون احساس می کرد واقعاً بیمار است - سرگیجه ، تاکی کاردی ، تهوع ، فشار خون بالا داشت ، حتی برای مدت زمان نامعلومی بیهوش شد (احتمالاً 5 پوند دقیقه ، اما راهی برای گفتن وجود ندارد) ، همه بدون هیچ دلیل مشخص. او در یک روستای کوچک دور از بیمارستان ها زندگی می کند (60 کیلومتری محل ما ، 30 کیلومتر تا نزدیکترین بیمارستان ، 10 کیلومتر بدون هیچ راه عادی در بین راه) ، بنابراین ما به سرعت به سراغ او رفتیم و بلافاصله پس از آمبولانس به آنجا رسیدیم. او در بیمارستان بستری شد و صبح تقریباً احساس خوبی داشت ، اما پزشکان نتوانستند علت آن را بیابند. روز بعد ما ایده ای داشتیم: ممکن است مسمومیت با CO باشد ، زیرا او دارای دیگ آب گاز است (روی عکس) ، و تمام عصر هنگام وقوع آن نزدیک آن نشسته بود. ما اخیراً سنسور MQ-7 CO را خریداری کردیم ، اما هرگز وقت نداشتم که برای آن طرح هایی را جمع آوری کنم ، بنابراین این زمان مناسب برای انجام این کار بود. پس از یک ساعت جستجو در اینترنت برای هرگونه دستورالعمل ، متوجه شدم که هیچ راهنمایی نمی توانم پیدا کنم که در همان زمان از دستورالعمل های سازنده سنسور که در برگه داده آن ارائه شده پیروی کرده و اصلاً هر چیزی را توضیح دهد (یک مثال به نظر می رسید دارای کد بسیار خوبی است ، اما نحوه استفاده از آن مشخص نیست ، دیگران بیش از حد ساده شده اند و به خوبی کار نمی کنند). بنابراین ما حدود 12 ساعت برای توسعه شماتیک ، ساخت و چاپ قاب 3 بعدی ، آزمایش و کالیبراسیون سنسور صرف کردیم و روز بعد به دیگ بخار مشکوک رفتیم. مشخص شد که سطح CO در آنجا بسیار زیاد است و اگر زمان قرار گرفتن در معرض CO بیشتر باشد می تواند کشنده باشد. بنابراین من معتقدم هرکسی که شرایط مشابهی دارد (مانند دیگ بخار گاز یا احتراق دیگر در یک فضای زندگی) باید چنین سنسوری را دریافت کند تا از اتفاق بد جلوگیری کند.

همه آنچه که دو هفته پیش اتفاق افتاد ، از آن زمان به بعد من طرح و برنامه را بسیار بهبود بخشیدم ، و اکنون به نظر می رسد که نسبتاً خوب و نسبتاً ساده است (نه 3 خط کد ساده ، اما هنوز هم). اگرچه امیدوارم کسی با CO متر دقیق بازخوردی را در مورد کالیبراسیون پیش فرض که در طرح قرار داده ام به من ارائه دهد - من گمان می کنم این خیلی خوب نیست. در اینجا یک راهنمای کامل با برخی از داده های تجربی است.

مرحله 1: صورتحساب مواد

شما نیاز دارید: 0. برد آردوینو. من کلون چینی آردوینو نانو را با قیمت فوق العاده 3 دلار ترجیح می دهم ، اما هر آردوینو 8 بیتی در اینجا کار می کند. Sketch از برخی از تایمرهای پیشرفته استفاده می کند و فقط روی میکروکنترلر atmega328 آزمایش شده است - اگرچه احتمالاً روی بقیه نیز به خوبی کار خواهد کرد. سنسور CO MQ-7 معمولاً با این ماژول سنسور Flying Fish موجود است ، باید در یک مرحله کوچک ، جزئیات را در مرحله بعدی اجرا کنید ، یا می توانید از یک سنسور جداکننده MQ-7 استفاده کنید.

2. ترانزیستور دوقطبی NPN. تقریباً هر ترانزیستور NPN که می تواند 300 میلی آمپر یا بیشتر تحمل کند در اینجا کار می کند. ترانزیستور PNP با ماژول Flying Fish کار نمی کند (زیرا دارای پین بخاری است که به خروجی سنسور لحیم شده است) ، اما می توان با سنسور MQ-7 گسسته استفاده کرد.

3. مقاومتها: 2 x 1k (از 0.5k تا 1.2k خوب کار می کند) ، و 1 x 10k (که بهترین آن دقیق است - اگرچه اگر شما مطلقا باید از مقدار متفاوتی استفاده کنید ، متناسب با آن متغیر reference_resistor_kOhm را در طرح تنظیم کنید).

4. خازنها: 2 x 10uF یا بیشتر. تانتال یا سرامیک مورد نیاز است ، الکترولیتیک به دلیل ESR بالا به خوبی کار نمی کند (آنها نمی توانند جریان کافی را برای صاف شدن موج جریان بالا فراهم کنند).5. LED های سبز و قرمز برای نشان دادن سطح CO فعلی (همچنین می توانید از یک LED دو رنگ با 3 پایانه ، همانطور که در نمونه جعبه زرد استفاده کردیم) استفاده کنید. زنگ Piezo برای نشان دادن سطح بالای CO 7. تخته نان و سیم (همچنین می توانید همه چیز را به پین های نانو بچسبانید یا در سوکت Uno فشار دهید ، اما اشتباه کردن از این طریق آسان است).

مرحله 2: اصلاح ماژول یا سیم کشی سنسور گسسته

برای ماژول ، شما باید مقاومت و خازن را همانطور که در عکس نشان داده شده است ، جدا کنید. اگر بخواهید اساساً می توانید همه چیز را جدا کنید - ماژول الکترونیکی کاملاً بی فایده است ، ما از آن فقط به عنوان نگهدارنده خود سنسور استفاده می کنیم ، اما این دو جزء از خواندن صحیح شما جلوگیری می کند ،

اگر از سنسور گسسته استفاده می کنید ، پین های بخاری (H1 و H2) را به 5 ولت و کلکتور ترانزیستور متصل کنید. یک طرف حسگر (هر یک از پایه های A) را به 5 ولت ، یک طرف دیگر (هر یک از پایه های B) را به مقاومت 10k وصل کنید ، درست مانند پین آنالوگ ماژول در نمودارها.

مرحله 3: اصل عملیات

چرا ما به همه این عوارض احتیاج داریم ، چرا نباید 5 ولت ، زمین را متصل کرده و فقط قرائت کرد؟ خوب ، متأسفانه از این راه هیچ چیز مفیدی دریافت نخواهید کرد. طبق برگه اطلاعات MQ-7 ، سنسور باید از طریق بالا کار کند و چرخه های گرمایش کم به منظور اندازه گیری مناسب. در مرحله دمای پایین ، CO در صفحه جذب می شود و داده های معنی داری تولید می کند. در فاز درجه حرارت بالا ، CO جذب شده و سایر ترکیبات از صفحه حسگر تبخیر می شود و برای اندازه گیری بعدی آن را تمیز می کند.

بنابراین در عملکرد کلی ساده است:

1. 5 ولت را به مدت 60 ثانیه اعمال کنید ، از این اندازه گیری ها برای اندازه گیری CO استفاده نکنید.

2. 1.4 ولت را برای 90 ثانیه اعمال کنید ، از این اندازه گیری ها برای اندازه گیری CO استفاده کنید.

3. به مرحله 1 بروید.

اما مشکل اینجاست: آردوینو نمی تواند قدرت کافی را برای اجرای این سنسور از پین های خود فراهم کند - بخاری سنسور به 150 میلی آمپر نیاز دارد ، در حالی که پین آردوینو نمی تواند بیش از 40 میلی آمپر داشته باشد ، بنابراین اگر مستقیماً متصل شود ، پین آردوینو می سوزد و سنسور همچنان برنده می شود کار نمی کند بنابراین ما باید از نوعی تقویت کننده فعلی استفاده کنیم که جریان ورودی کمی را برای کنترل جریان خروجی بزرگ نیاز دارد. مشکل دیگر بدست آوردن 1.4 ولت است. تنها راهی که می توان با اطمینان از این مقدار بدون معرفی بسیاری از اجزای آنالوگ استفاده کرد ، استفاده از روش PWM (مدولاسیون عرض پالس) با بازخوردی است که ولتاژ خروجی را کنترل می کند.

ترانزیستور NPN هر دو مشکل را حل می کند: هنگامی که دائما روشن است ، ولتاژ سنسور 5 ولت است و برای فاز درجه حرارت بالا گرم می شود. وقتی PWM را به ورودی آن اعمال می کنیم ، جریان تپنده است ، سپس توسط خازن صاف می شود و ولتاژ متوسط ثابت نگه داشته می شود. اگر از فرکانس بالا PWM (در طرح دارای فرکانس 62.5 کیلوهرتز) و میانگین تعداد زیادی از خوانش های آنالوگ (در طرح به طور متوسط بیش از 1000 ings خوانده شده) استفاده کنیم ، نتیجه کاملاً قابل اعتماد است.

افزودن خازن ها مطابق نمودارها بسیار مهم است. تصاویر در اینجا تفاوت سیگنال را با و بدون خازن C2 نشان می دهند: بدون آن ، موج PWM به وضوح قابل مشاهده است و به طور قابل توجهی خواندن را مخدوش می کند.

مرحله 4: شماتیک و Breadboard

در اینجا مونتاژ شماتیک و تخته نان است.

هشدار! اصلاح یک ماژول شکست استاندارد لازم است! بدون تغییر ماژول بی فایده است. اصلاح در مرحله دوم توضیح داده شده است

استفاده از پین های D9 و D10 برای LED ها بسیار مهم است ، زیرا در آنجا خروجی های سخت افزاری Timer1 داریم ، به شما این امکان را می دهد که رنگ آنها را به آرامی تغییر دهید. پین D5 و D6 برای زنگ استفاده می شود ، زیرا D5 و D6 خروجی سخت افزار Timer0 هستند. ما آنها را طوری تنظیم می کنیم که معکوس با یکدیگر باشند ، بنابراین بین حالت های (5V ، 0V) و (0V ، 5V) تغییر حالت می دهند و در نتیجه در زنگ صدا تولید می شود. هشدار: این بر وقفه اصلی زمان بندی آردوینو تأثیر می گذارد ، بنابراین همه توابع وابسته به زمان (مانند millis ()) نتایج درستی در این طرح ایجاد نمی کنند (در ادامه بعداً). پین D3 دارای خروجی سخت افزار Timer2 متصل به آن (و همچنین D11 - اما قرار دادن سیم روی D11 نسبت به D3 راحت نیست) - بنابراین ما از آن برای ارائه PWM برای ترانزیستور کنترل ولتاژ استفاده می کنیم. مقاومت R1 برای کنترل روشنایی LED ها استفاده می شود. می تواند از 300 تا 3000 اهم باشد ، 1k در روشنایی/مصرف برق بهینه است. مقاومت R2 برای محدود کردن جریان پایه ترانزیستور استفاده می شود. نباید کمتر از 300 اهم (برای بارگیری بیش از حد پین آردوینو) و از 1500 اهم بیشتر نباشد. 1k یک انتخاب امن وجود دارد.

مقاومت R3 به صورت سری با صفحه حسگر به منظور ایجاد تقسیم ولتاژ استفاده می شود. ولتاژ خروجی سنسور برابر با R3 / (R3 + Rs) * 5V است که Rs مقاومت سنسور فعلی است. مقاومت سنسور به غلظت CO بستگی دارد ، بنابراین ولتاژ بر این اساس تغییر می کند. خازن C1 برای روان کردن ولتاژ ورودی PWM در سنسور MQ -7 استفاده می شود ، هرچه ظرفیت آن بیشتر باشد بهتر است ، اما همچنین باید ESR کم داشته باشد - بنابراین سرامیکی (یا تانتالیوم) خازن در اینجا ترجیح داده می شود ، الکترولیتی خوب عمل نمی کند.

از خازن C2 برای صاف کردن خروجی آنالوگ سنسور استفاده می شود (ولتاژ خروجی بستگی به ولتاژ ورودی دارد - و ما در اینجا جریان PWM بسیار بالایی داریم که بر روی همه نمودارها تأثیر می گذارد ، بنابراین ما به C2 نیاز داریم). ساده ترین راه حل این است که از همان خازن ترانزیستور C1. NPN استفاده کنید یا جریان را به طور مداوم برای ایجاد جریان زیاد در بخاری سنسور هدایت کنید ، یا در حالت PWM کار می کند و در نتیجه جریان گرمایش را کاهش می دهد.

مرحله 5: برنامه آردوینو

هشدار: سنسور نیاز به کالیبراسیون دستی برای هرگونه استفاده عملی دارد. بدون کالیبراسیون ، بسته به پارامترهای سنسور ویژه شما ، این طرح ممکن است در هوای تمیز هشدار را روشن یا غیر متمرکز کند

کالیبراسیون در مراحل زیر توضیح داده شده است. کالیبراسیون خشن بسیار ساده است ، دقیقاً کاملاً پیچیده است.

در سطح کلی ، برنامه نسبتاً ساده است:

ابتدا PWM خود را کالیبره می کنیم تا 1.4 ولت پایدار مورد نیاز سنسور را تولید کنیم (عرض مناسب PWM به پارامترهای زیادی مانند مقادیر دقیق مقاومت ، مقاومت این حسگر خاص ، منحنی VA ترانزیستور و غیره بستگی دارد - بنابراین بهترین راه این است که مقادیر مختلف را امتحان کنید. و از یکی که مناسب ترین است استفاده کنید). سپس ، ما به طور مداوم چرخه 60 ثانیه گرمایش و اندازه گیری 90 ثانیه را اجرا می کنیم. در اجرا ، تا حدودی پیچیده می شود. ما باید از تایمرهای سخت افزاری استفاده کنیم زیرا همه چیزهایی که در اینجا داریم برای عملکرد مناسب نیاز به PWM پایدار با فرکانس بالا دارد. کد در اینجا ضمیمه شده است و می توان از github ما و همچنین منبع شماتیک در Fritzing بارگیری کرد. در برنامه 3 عملکردی که تایمرها را کنترل می کند: setTimer0PWM ، setTimer1PWM ، setTimer2PWM. هر یک از آنها تایمر را در حالت PWM با پارامترهای داده شده (در کد توضیح داده شده) تنظیم می کند و عرض پالس را با توجه به مقادیر ورودی تنظیم می کند. مراحل اندازه گیری با استفاده از توابع startMeasurementPhase و startHeatingPhase تغییر می کنند ، همه چیز را در داخل اداره کنید و مقادیر تایمر مناسب را برای تغییر بین گرمایش 5 ولت و 1.4 ولت تنظیم کنید. وضعیت LED ها توسط تابع setLEDs تنظیم می شود که روشنایی سبز و قرمز را در ورودی خود (در مقیاس خطی 1-100) می پذیرد و آن را به تنظیمات تایمر مربوطه تبدیل می کند.

حالت Buzzer با استفاده از توابع buzz_on ، buzz_off ، buzz_beep کنترل می شود. عملکردهای روشن/خاموش صدا را روشن و خاموش می کنند ، عملکرد بوق در صورت فراخوانی دوره ای یک سری بوق خاص را با فاصله 1.5 ثانیه تولید می کند (این عملکرد بلافاصله باز می گردد تا برنامه اصلی را متوقف نکند - اما باید بارها و بارها آن را صدا کنید برای تولید الگوی بوق).

برنامه ابتدا عملکرد pwm_adjust را اجرا می کند که عرض چرخه PWM مناسب را برای دستیابی به 1.4V در مرحله اندازه گیری می یابد. سپس چند بار بوق می زند تا نشان دهد که سنسور آماده است ، وارد مرحله اندازه گیری می شود و حلقه اصلی را شروع می کند.

در حلقه اصلی ، برنامه بررسی می کند که آیا زمان کافی را در مرحله فعلی گذرانده ایم (90 ثانیه برای مرحله اندازه گیری ، 60 ثانیه برای مرحله گرمایش) و اگر بله ، سپس فاز فعلی را تغییر می دهد. همچنین دائماً قرائت سنسور را با استفاده از هموارسازی نمایی به روز می کند: new_value = 0.999*value_ Old_value + 0.001*new_reading. با چنین پارامترها و چرخه اندازه گیری ، به طور متوسط سیگنال را در حدود 300 میلی ثانیه گذشته نشان می دهد. بدون کالیبراسیون ، بستگی به پارامترهای سنسور ویژه شما ، این طرح ممکن است در هوای تمیز هشدار را روشن یا غیر متمرکز کند.

مرحله 6: اولین اجرا: چه چیزی انتظار می رود

اگر همه چیز را به درستی مونتاژ کرده باشید ، پس از اجرای طرح ، چیزی شبیه به این را در مانیتور سریال مشاهده خواهید کرد:

تنظیم PWM w = 0 ، V = 4.93

تنظیم PWM w = 17 ، V = 3.57PWM نتیجه: عرض 17 ، ولتاژ 3.57

و سپس مجموعه ای از اعداد نشان دهنده خوانش سنسور فعلی. این قسمت تنظیم عرض PWM به منظور تولید ولتاژ بخاری سنسور تا 1.4 ولت تا حد ممکن است ، ولتاژ اندازه گیری شده از 5 ولت کسر می شود ، بنابراین مقدار اندازه گیری ایده آل ما 3.6 ولت است. اگر این فرایند هرگز پس از یک مرحله تکمیل یا پایان نمی یابد (در نتیجه عرض آن برابر با 0 یا 254 است) - پس مشکلی پیش می آید. بررسی کنید که آیا ترانزیستور شما واقعاً NPN است و به درستی متصل شده است (مطمئن شوید که از پایه ، جمع کننده ، پینهای emitter به درستی استفاده کرده اید - پایه به D3 می رود ، کلکتور به MQ -7 و امیتر به زمین می رود ، روی نمای Fritzing breadboard حساب نکنید - این است برای برخی ترانزیستورها اشتباه است) و مطمئن شوید که ورودی سنسور را به ورودی A1 آردوینو وصل کرده اید. اگر همه چیز خوب است ، باید در Serial Plotter از Arduino IDE چیزی شبیه به تصویر را مشاهده کنید. چرخه های گرمایش و اندازه گیری با طول 60 و 90 ثانیه یکی پس از دیگری اجرا می شود و CO ppm اندازه گیری و در پایان هر چرخه به روز می شود. هنگامی که چرخه اندازه گیری تقریباً به پایان رسید می توانید شعله باز را نزدیک سنسور بگیرید و ببینید که چگونه بر خواندن تأثیر می گذارد (بسته به نوع شعله ، می تواند تا 2000 ppm غلظت CO در هوای آزاد ایجاد کند - بنابراین حتی اگر بخش کوچکی از در واقع به سنسور می رود ، زنگ هشدار را روشن می کند و تا پایان چرخه بعدی خاموش نمی شود). من آن را روی تصویر نشان دادم ، و همچنین پاسخ به آتش از فندک.

مرحله 7: کالیبراسیون سنسور

طبق برگه اطلاعات سازنده ، سنسور باید قبل از کالیبره شدن ، 48 ساعت متوالی چرخه های گرمایش و سرمایش را اجرا کند. و اگر قصد استفاده طولانی مدت از آن را دارید ، باید این کار را انجام دهید: در مورد من ، خواندن سنسور در هوای تمیز در مدت 10 ساعت حدود 30 درصد تغییر کرد. اگر این را در نظر نگیرید ، می توانید 0 ppm را در جایی که در واقع 100 ppm CO وجود دارد بدست آورید. اگر نمی خواهید 48 ساعت منتظر بمانید ، می توانید خروجی سنسور را در پایان چرخه اندازه گیری نظارت کنید. هنگامی که بیش از یک ساعت بیشتر از 1-2 نقطه تغییر نمی کند - می توانید گرمایش را در آنجا متوقف کنید.

کالیبراسیون خشن:

پس از اجرای طرح به مدت حداقل 10 ساعت در هوای تمیز ، مقدار سنسور خام را در پایان چرخه اندازه گیری ، 2-3 ثانیه قبل از شروع مرحله گرمایش ، بگیرید و آن را در متغیر sensor_reading_clean_air (خط 100) بنویسید. خودشه. برنامه سایر پارامترهای حسگر را برآورد می کند ، آنها دقیق نیستند ، اما باید به اندازه ای باشند که بین غلظت 10 و 100 ppm تمایز قائل شوند.

کالیبراسیون دقیق:

من اکیداً توصیه می کنم یک متر سنج کالیبره شده پیدا کنید ، 100 ppm نمونه CO تهیه کنید (این را می توانید با استفاده از مقداری گاز دودکش در سرنگ انجام دهید - غلظت CO در محدوده چند هزار ppm وجود دارد) و به آرامی آن را در شیشه بسته با متر کالیبره شده و سنسور MQ-7) ، خواندن سنسور خام را در این غلظت بگیرید و آن را در متغیر sensor_reading_100_ppm_CO قرار دهید. بدون این مرحله ، اندازه گیری ppm شما می تواند چندین بار در هر دو جهت اشتباه باشد (در صورت نیاز به هشدار برای غلظت خطرناک CO در خانه ، جایی که معمولاً نباید CO وجود داشته باشد ، اما برای کاربردهای صنعتی خوب نیست) ، خوب است.

از آنجا که من هیچ متر CO نداشتم ، از یک روش پیچیده تر استفاده کردم. ابتدا غلظت بالای CO را با احتراق در حجم جداگانه تهیه کردم (عکس اول). در این مقاله من مفیدترین داده ها ، از جمله عملکرد CO برای انواع شعله های مختلف را پیدا کردم - در عکس نیست ، اما در آزمایش نهایی از احتراق گاز پروپان با همان تنظیمات استفاده شد ، که منجر به غلظت 5000 ppm CO CO2 شد. سپس به منظور دستیابی به 100 ppm ، همانطور که در عکس دوم نشان داده شده است ، 1:50 رقیق شد و برای تعیین نقطه مرجع سنسور استفاده شد.

مرحله 8: برخی از داده های تجربی

در مورد من ، سنسور بسیار خوب کار می کرد - برای غلظتهای بسیار کم حساس نیست ، اما برای تشخیص هر چیزی بالاتر از 50ppm خوب است. سعی کردم تمرکز را به تدریج افزایش دهم ، اندازه گیری ها را انجام دادم و مجموعه ای از نمودارها را ساختم. دو مجموعه خط 0ppm وجود دارد - سبز خالص قبل از قرار گرفتن در معرض CO و سبز زرد پس از آن. به نظر می رسد سنسور مقاومت هوای تمیز خود را پس از قرار گرفتن در معرض تغییر کمی می دهد ، اما این تأثیر ناچیز است. به نظر نمی رسد بتوان بین غلظت های 8 و 15 ، 15 و 26 ، 26 و 45 پی پی ام تمایز قائل شد-اما روند بسیار واضح است ، بنابراین می تواند تشخیص دهد که آیا غلظت در محدوده 0-20 یا 40-60 پی پی ام است به برای غلظت های بالاتر ، وابستگی بسیار متمایزتر است - هنگامی که در معرض دود شعله باز قرار می گیرد ، منحنی از ابتدا بدون اینکه پایین بیاید بالا می رود و پویایی آن کاملاً متفاوت است. بنابراین برای غلظت های بالا شکی نیست که به طور قابل اعتماد کار می کند ، اگرچه نمی توانم دقت آن را تأیید کنم زیرا هیچ متر سنج CO ندارم. همچنین ، این مجموعه آزمایشها با استفاده از مقاومت بار 20k انجام شد - و پس از آن تصمیم گرفتم برای توصیه 10k به عنوان مقدار پیش فرض ، باید از این طریق حساس تر باشد. همین. اگر یک CO CO قابل اعتماد دارید و این برد را مونتاژ کرده اید ، لطفاً در مورد دقت سنسور نظرات خود را به اشتراک بگذارید - جمع آوری آمار در مورد سنسورهای مختلف و بهبود فرض های طرح پیش فرض عالی خواهد بود.