Màn hình Arduino CO sử dụng cảm biến MQ-7: 8 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Một vài từ tại sao hướng dẫn này được tạo ra: một ngày, mẹ của bạn gái tôi gọi điện cho chúng tôi vào lúc nửa đêm vì bà ấy cảm thấy thực sự ốm - bà ấy bị chóng mặt, nhịp tim nhanh, buồn nôn, huyết áp cao, thậm chí bà ấy ngất xỉu không rõ lúc nào (có lẽ là ~ 5 phút, nhưng không có cách nào để nói), tất cả đều không có lý do rõ ràng. Cô ấy sống ở một ngôi làng nhỏ cách xa bệnh viện (cách nơi chúng tôi ở 60 km, bệnh viện gần nhất 30 km, không có con đường bình thường nào ở giữa), vì vậy chúng tôi vội vã đến chỗ cô ấy và đến đó ngay sau khi xe cấp cứu. Cô ấy phải nhập viện và vào buổi sáng, cô ấy gần như khỏe lại, nhưng các bác sĩ không thể tìm ra nguyên nhân của nó. Ngày hôm sau, chúng tôi nảy ra ý tưởng: đó có thể là do ngộ độc khí CO, vì cô ấy có nồi đun nước bằng khí gas (trong ảnh) và đã ngồi gần nó cả buổi tối thì sự việc xảy ra. nhưng chưa bao giờ có thời gian để tập hợp một sơ đồ cho nó, vì vậy đây là thời điểm hoàn hảo để làm điều đó. Sau một giờ tìm kiếm trên Internet để tìm bất kỳ hướng dẫn nào, tôi nhận ra rằng tôi không thể tìm thấy bất kỳ hướng dẫn nào đồng thời làm theo hướng dẫn của nhà sản xuất cảm biến được cung cấp trong biểu dữ liệu và giải thích bất kỳ điều gì (một ví dụ dường như có mã khá tốt, nhưng nó không rõ ràng làm thế nào để áp dụng nó, những người khác đã được đơn giản hóa quá mức và sẽ không hoạt động tốt). Vì vậy, chúng tôi đã dành khoảng 12 giờ để phát triển sơ đồ, tạo và in trường hợp 3d, thử nghiệm và hiệu chỉnh cảm biến, và ngày hôm sau đi đến lò hơi khả nghi. Hóa ra mức CO ở đó rất cao và có thể gây tử vong nếu thời gian tiếp xúc với CO lâu hơn. Vì vậy, tôi tin rằng bất cứ ai gặp trường hợp tương tự (như lò hơi đốt gas hoặc quá trình đốt cháy khác xảy ra bên trong không gian sống) nên có cảm biến như vậy để ngăn chặn điều tồi tệ xảy ra.

Tất cả những gì đã xảy ra cách đây hai tuần, kể từ đó tôi đã cải thiện sơ đồ và chương trình khá nhiều, và bây giờ nó có vẻ khá ổn và tương đối đơn giản (không phải 3 dòng mã đơn giản, nhưng vẫn vậy). Mặc dù tôi hy vọng rằng ai đó có máy đo CO chính xác sẽ cung cấp cho tôi một số phản hồi về hiệu chuẩn mặc định mà tôi đưa vào bản phác thảo - tôi nghi ngờ rằng nó còn lâu mới tốt. Đây là hướng dẫn đầy đủ với một số dữ liệu thử nghiệm.

Bước 1: Hóa đơn nguyên vật liệu

Bạn sẽ cần: 0. Bảng Arduino. Tôi thích bản sao Arduino Nano của Trung Quốc hơn vì giá nổi bật của nó là 3 đô la, nhưng bất kỳ arduino 8 bit nào cũng sẽ hoạt động ở đây. Sketch sử dụng một số hoạt động hẹn giờ nâng cao và chỉ được thử nghiệm trên vi điều khiển atmega328 - mặc dù có thể nó cũng sẽ hoạt động tốt trên các bộ điều khiển khác.1. Cảm biến CO MQ-7. Phổ biến nhất có sẵn với mô-đun cảm biến Flying Fish này, nó phải chạy qua một sửa đổi nhỏ, chi tiết trong bước tiếp theo hoặc bạn có thể sử dụng cảm biến MQ-7 riêng biệt.

2. Transistor lưỡng cực NPN. Hầu như bất kỳ bóng bán dẫn NPN nào có thể xử lý 300 mA trở lên sẽ hoạt động ở đây. Bóng bán dẫn PNP sẽ không hoạt động với mô-đun Flying Fish đã đề cập (vì nó có chân cắm nhiệt được hàn vào đầu ra của cảm biến), nhưng có thể được sử dụng với cảm biến MQ-7 rời rạc.

3. Điện trở: 2 x 1k (từ 0,5k đến 1,2k sẽ hoạt động tốt), và 1 x 10k (cái đó tốt nhất được giữ chính xác - mặc dù nếu bạn nhất thiết phải sử dụng một giá trị khác, hãy điều chỉnh biến tham chiếu_resistor_kOhm trong bản phác thảo cho phù hợp).

4. Tụ điện: 2 x 10uF trở lên. Tantali hoặc gốm là bắt buộc, điện phân sẽ không hoạt động tốt do ESR cao (chúng sẽ không thể cung cấp đủ dòng điện để làm phẳng gợn sóng cao).5. Đèn LED màu xanh lá cây và màu đỏ để cho biết mức CO hiện tại (bạn cũng có thể sử dụng đèn LED màu kép đơn với 3 đầu cuối, như chúng tôi đã sử dụng trong nguyên mẫu hộp màu vàng của mình).6. Còi Piezo để báo mức CO cao. Bảng mạch và dây (bạn cũng có thể hàn mọi thứ vào chân Nano hoặc ép vào ổ cắm Uno, nhưng rất dễ mắc lỗi theo cách này).

Bước 2: Sửa đổi mô-đun hoặc đấu dây cảm biến rời rạc

Đối với mô-đun, bạn phải giải nhiệt điện trở và tụ điện, như thể hiện trên ảnh. Về cơ bản, bạn có thể phá hủy mọi thứ nếu bạn muốn - thiết bị điện tử mô-đun hoàn toàn vô dụng, chúng tôi chỉ sử dụng nó làm giá đỡ cho chính cảm biến, nhưng hai thành phần này sẽ ngăn bạn nhận được kết quả đọc chính xác, Nếu bạn đang sử dụng cảm biến rời, hãy gắn các chân gia nhiệt (H1 và H2) vào 5V và bộ thu của bóng bán dẫn tương ứng. Gắn một mặt cảm biến (bất kỳ chân A nào) vào 5V, một mặt cảm biến khác (bất kỳ chân B nào) vào điện trở 10k, giống như chân analog của mô-đun trong sơ đồ.

Bước 3: Nguyên lý hoạt động

Tại sao chúng ta cần tất cả những phức tạp này, tại sao không gắn 5V, nối đất và chỉ nhận các kết quả đọc? Chà, thật không may, bạn sẽ không nhận được bất cứ thứ gì hữu ích theo cách này. và các chu kỳ gia nhiệt thấp để có được các phép đo thích hợp. Trong giai đoạn nhiệt độ thấp, CO được hấp thụ trên đĩa, tạo ra dữ liệu có ý nghĩa. Trong giai đoạn nhiệt độ cao, CO hấp thụ và các hợp chất khác bay hơi khỏi tấm cảm biến, làm sạch nó cho lần đo tiếp theo.

Vì vậy, hoạt động chung rất đơn giản:

1. Áp dụng 5V trong 60 giây, không sử dụng các giá trị này để đo CO.

2. Áp dụng 1,4V trong 90 giây, sử dụng các số đọc này để đo CO.

3. Chuyển đến bước 1.

Nhưng đây là vấn đề: Arduino không thể cung cấp đủ năng lượng để chạy cảm biến này từ các chân của nó - bộ gia nhiệt của cảm biến yêu cầu 150 mA, trong khi chân Arduino có thể cung cấp không quá 40 mA, vì vậy nếu được gắn trực tiếp, chân Arduino sẽ bị cháy và cảm biến vẫn thắng. không hoạt động. Vì vậy, chúng ta phải sử dụng một số loại bộ khuếch đại dòng điện có dòng điện đầu vào nhỏ để điều khiển dòng điện đầu ra lớn. Một vấn đề khác là nhận được 1.4V. Cách duy nhất để nhận được giá trị này một cách đáng tin cậy mà không cần giới thiệu nhiều thành phần tương tự là sử dụng phương pháp PWM (Điều chế độ rộng xung) với phản hồi sẽ kiểm soát điện áp đầu ra.

Bóng bán dẫn NPN giải quyết được cả hai vấn đề: khi nó được bật liên tục, điện áp trên cảm biến là 5V và nó đang làm nóng cho pha có nhiệt độ cao. Khi chúng tôi áp dụng PWM vào đầu vào của nó, dòng điện sẽ phát xung, sau đó nó được làm mịn bởi tụ điện và điện áp trung bình được giữ không đổi. Nếu chúng tôi sử dụng PWM tần số cao (trong bản phác thảo nó có tần số 62,5KHz) và trung bình nhiều lần đọc tương tự (trong bản phác thảo, chúng tôi trung bình hơn ~ 1000 lần đọc), thì kết quả là khá đáng tin cậy.

Điều quan trọng là phải thêm tụ điện theo sơ đồ. Hình ảnh ở đây minh họa sự khác biệt về tín hiệu khi có và không có tụ điện C2: không có nó, gợn sóng PWM có thể nhìn thấy rõ ràng và nó làm sai lệch đáng kể kết quả đọc.

Bước 4: Sơ đồ và Breadboard

Đây là sơ đồ và lắp ráp breadboard.

CẢNH BÁO! Cần phải sửa đổi mô-đun đột phá tiêu chuẩn! Nếu không có mô-đun sửa đổi là vô ích. Việc sửa đổi được mô tả trong bước thứ hai

Điều quan trọng là sử dụng các chân D9 và D10 cho các đèn LED, vì ở đó chúng ta có các đầu ra của phần cứng Timer1, nó sẽ cho phép thay đổi màu sắc của chúng một cách mượt mà. Các chân D5 và D6 được sử dụng cho bộ rung, vì D5 và D6 là đầu ra của Timer0 phần cứng. Chúng tôi sẽ cấu hình chúng để nghịch đảo nhau, vì vậy chúng sẽ chuyển đổi giữa các trạng thái (5V, 0V) và (0V, 5V), do đó tạo ra âm thanh trên buzzer. Cảnh báo: điều này ảnh hưởng đến ngắt thời gian chính của Arduino, vì vậy tất cả các hàm phụ thuộc thời gian (như millis ()) sẽ không tạo ra kết quả chính xác trong bản phác thảo này (sẽ nói thêm về điều này sau). Pin D3 có đầu ra Timer2 phần cứng được kết nối với nó (cũng như D11 - nhưng việc đặt dây trên D11 kém thuận tiện hơn so với D3) - vì vậy chúng tôi đang sử dụng nó để cung cấp PWM cho bóng bán dẫn điều khiển điện áp. Bóng bán dẫn R1 được sử dụng để điều khiển độ sáng của đèn LED. Nó có thể ở bất cứ đâu từ 300 đến 3000 Ohm, 1k là khá tối ưu về độ sáng / công suất tiêu thụ. Resistor R2 được sử dụng để giới hạn dòng điện cơ bản của bóng bán dẫn. Nó không được thấp hơn 300 Ohms (để không làm quá tải chân Arduino) và không được cao hơn 1500 Ohms. 1k có một sự lựa chọn an toàn.

Điện trở R3 được sử dụng nối tiếp với tấm cảm biến để tạo ra một bộ chia điện áp. Điện áp trên đầu ra của cảm biến bằng R3 / (R3 + Rs) * 5V, trong đó Rs là điện trở của cảm biến hiện tại. Điện trở của cảm biến phụ thuộc vào nồng độ CO, do đó điện áp thay đổi tương ứng. Tụ C1 được sử dụng để làm mịn điện áp PWM đầu vào trên cảm biến MQ-7, điện dung của nó càng cao càng tốt, nhưng nó cũng phải có ESR thấp - do đó gốm (hoặc tantali) tụ điện được ưu tiên ở đây, tụ điện sẽ không hoạt động tốt.

Tụ điện C2 được sử dụng để làm trơn đầu ra tương tự của cảm biến (điện áp đầu ra phụ thuộc vào điện áp đầu vào - và chúng ta có PWM dòng điện khá cao ở đây, ảnh hưởng đến tất cả các sơ đồ, vì vậy chúng ta cần C2). Giải pháp đơn giản nhất là sử dụng cùng một tụ điện như bóng bán dẫn C1. NPN hoặc dẫn dòng điện mọi lúc để cung cấp dòng điện cao trên bộ gia nhiệt của cảm biến hoặc hoạt động ở chế độ PWM để giảm dòng điện làm nóng.

Bước 5: Chương trình Arduino

CẢNH BÁO: CẢM BIẾN YÊU CẦU HƯỚNG DẪN HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHO BẤT KỲ VIỆC SỬ DỤNG THỰC TIỄN nào. KHÔNG CÓ HIỆU QUẢ, PHỤ THUỘC VÀO CÁC THÔNG SỐ CỦA CẢM BIẾN CỤ THỂ CỦA BẠN, SKETCH NÀY BẬT CẢNH BÁO TRONG KHÔNG KHÍ SẠCH HOẶC KHÔNG PHÁT HIỆN SỰ TẬP TRUNG LETHAL CARBON MONOXIDE

Hiệu chuẩn được mô tả trong các bước sau. Hiệu chuẩn thô là rất đơn giản, chính xác là khá phức tạp.

Ở cấp độ chung, chương trình khá đơn giản:

Đầu tiên, chúng tôi hiệu chỉnh PWM của mình để tạo ra 1,4V ổn định theo yêu cầu của cảm biến (độ rộng PWM thích hợp phụ thuộc vào nhiều thông số như giá trị điện trở chính xác, điện trở của cảm biến cụ thể này, đường cong VA của bóng bán dẫn, v.v. - vì vậy cách tốt nhất là thử các giá trị khác nhau và sử dụng một cái phù hợp nhất). Sau đó, chúng tôi liên tục chạy qua chu kỳ làm nóng 60 giây và đo 90 giây. Chúng tôi phải sử dụng bộ hẹn giờ phần cứng vì mọi thứ chúng tôi có ở đây cần PWM ổn định tần số cao để hoạt động bình thường. Mã được đính kèm ở đây và có thể được tải xuống từ github của chúng tôi, cũng như nguồn sơ đồ trong Fritzing. 3 hàm xử lý bộ định thời: setTimer0PWM, setTimer1PWM, setTimer2PWM. Mỗi hàm trong số chúng đặt bộ hẹn giờ ở chế độ PWM với các thông số đã cho (được chú thích trong mã) và đặt độ rộng xung theo giá trị đầu vào. Các pha đo lường được chuyển bằng cách sử dụng các hàm startMeasurementPhase và startHeatingPhase, chúng xử lý mọi thứ bên trong. và đặt các giá trị hẹn giờ thích hợp để chuyển đổi giữa sưởi ấm 5V và 1.4V. Trạng thái củaED được thiết lập bởi chức năng setLEDs chấp nhận độ sáng màu xanh lá cây và màu đỏ trên đầu vào của nó (trong thang đo tuyến tính 1-100) và chuyển nó thành cài đặt hẹn giờ tương ứng.

Trạng thái buzzer được kiểm soát bằng các hàm buzz_on, buzz_off, buzz_beep. Chức năng bật / tắt bật và tắt âm thanh, chức năng tiếng bíp tạo ra chuỗi tiếng bíp cụ thể với khoảng thời gian 1,5 giây nếu nó được gọi định kỳ (chức năng này trả về ngay lập tức nên nó không tạm dừng chương trình chính - nhưng bạn phải gọi nó nhiều lần để tạo ra tiếng bíp).

Đầu tiên, chương trình chạy hàm pwm_adjust để tìm ra độ rộng chu kỳ PWM thích hợp để đạt được 1,4V trong giai đoạn đo. Sau đó, nó phát ra tiếng bíp một vài lần để chỉ ra rằng cảm biến đã sẵn sàng, chuyển sang giai đoạn đo và bắt đầu vòng lặp chính.

Trong vòng lặp chính, chương trình sẽ kiểm tra xem chúng ta đã dành đủ thời gian cho pha hiện tại chưa (90 giây cho pha đo, 60 giây cho pha nóng) và nếu có, sau đó thay đổi pha hiện tại. Ngoài ra, nó liên tục cập nhật các chỉ số cảm biến bằng cách sử dụng làm mịn theo cấp số nhân: new_value = 0,999 * old_value + 0,001 * new_reading. Với các thông số và chu kỳ đo như vậy, nó có tín hiệu trung bình trong khoảng 300 mili giây cuối cùng. KHÔNG CÓ HIỆU QUẢ, PHỤ THUỘC VÀO CÁC THÔNG SỐ CỦA CẢM BIẾN CỤ THỂ CỦA BẠN, SKETCH NÀY BẬT CẢNH BÁO TRONG KHÔNG KHÍ SẠCH HOẶC KHÔNG PHÁT HIỆN SỰ TẬP TRUNG LETHAL CARBON MONOXIDE.

Bước 6: Lần chạy đầu tiên: Điều gì sẽ xảy ra

Nếu bạn đã lắp ráp mọi thứ đúng cách, sau khi chạy sketch, bạn sẽ thấy một cái gì đó như thế này trong Serial monitor:

điều chỉnh PWM w = 0, V = 4,93

điều chỉnh PWM w = 17, V = 3,57PWM kết quả: độ rộng 17, điện áp 3,57

và sau đó là một loạt các số đại diện cho các giá trị đọc của cảm biến hiện tại. Phần này là điều chỉnh độ rộng PWM để tạo ra điện áp làm nóng của cảm biến càng gần 1,4V càng tốt, điện áp đo được bị trừ đi từ 5V, vì vậy giá trị đo lý tưởng của chúng tôi là 3,6V. Nếu quá trình này không bao giờ kết thúc hoặc kết thúc sau một bước duy nhất (dẫn đến chiều rộng bằng 0 hoặc 254) - thì có điều gì đó không ổn. Kiểm tra xem bóng bán dẫn của bạn có thực sự là NPN và được kết nối đúng cách hay không (đảm bảo bạn đã sử dụng chân đế, chân thu, chân bộ phát đúng - chân đế chuyển đến D3, bộ thu tới MQ-7 và bộ phát nối đất, không tính trên chế độ xem Fritzing breadboard - chính là sai đối với một số bóng bán dẫn) và đảm bảo rằng bạn đã kết nối đầu vào của cảm biến với đầu vào A1 của Arduino. Các chu kỳ làm nóng và đo có độ dài 60 và 90 giây đang chạy nối tiếp nhau, với CO ppm được đo và cập nhật vào cuối mỗi chu kỳ. Bạn có thể lấy ngọn lửa mở gần cảm biến khi chu kỳ đo gần kết thúc và xem nó sẽ ảnh hưởng như thế nào đến kết quả đọc (tùy thuộc vào loại ngọn lửa, nó có thể tạo ra nồng độ CO lên đến 2000 ppm trong không khí mở - vì vậy mặc dù chỉ một phần nhỏ của nó thực sự đi vào cảm biến, nó vẫn sẽ bật báo thức và nó sẽ không tắt cho đến khi kết thúc chu kỳ tiếp theo). Tôi đã thể hiện nó trên hình ảnh, cũng như phản ứng với lửa từ bật lửa.

Bước 7: Hiệu chuẩn cảm biến

Theo bảng dữ liệu của nhà sản xuất, cảm biến phải chạy các chu kỳ làm nóng-làm mát trong 48 giờ liên tiếp trước khi có thể được hiệu chỉnh. Và bạn nên làm điều đó nếu có ý định sử dụng lâu dài: trong trường hợp của tôi, chỉ số cảm biến trong không khí sạch thay đổi khoảng 30% trong hơn 10 giờ. Nếu bạn không tính đến điều này, bạn có thể nhận được kết quả 0 ppm trong đó thực tế có 100 ppm CO. Nếu bạn không muốn đợi 48 giờ, bạn có thể theo dõi đầu ra của cảm biến ở cuối chu kỳ đo. Khi hơn một giờ, nó sẽ không thay đổi nhiều hơn 1-2 điểm - bạn có thể ngừng đun ở đó.

Hiệu chuẩn thô:

Sau khi chạy sketch ít nhất 10 giờ trong không khí sạch, lấy giá trị cảm biến thô ở cuối chu kỳ đo, 2-3 giây trước khi bắt đầu pha gia nhiệt và ghi giá trị đó vào biến sensor_reading_clean_air (dòng 100). Đó là nó. Chương trình sẽ ước tính các thông số cảm biến khác, chúng sẽ không chính xác, nhưng đủ để phân biệt giữa nồng độ 10 và 100 ppm.

Hiệu chuẩn chính xác:

Tôi thực sự khuyên bạn nên tìm một máy đo CO đã được hiệu chuẩn, tạo mẫu CO 100 ppm (điều này có thể được thực hiện bằng cách lấy một ít khí thải vào ống tiêm - nồng độ CO ở đó có thể dễ dàng nằm trong khoảng vài nghìn ppm - và từ từ đưa vào bình đậy kín với đồng hồ đã hiệu chuẩn và cảm biến MQ-7), lấy số đọc cảm biến thô ở nồng độ này và đưa vào biến sensor_reading_100_ppm_CO. Nếu không có bước này, phép đo ppm của bạn có thể sai nhiều lần theo một trong hai hướng (vẫn được nếu bạn cần báo động về nồng độ CO nguy hiểm ở nhà, nơi thông thường không có CO, nhưng không tốt cho bất kỳ ứng dụng công nghiệp nào).

Vì tôi không có bất kỳ máy đo CO nào nên tôi đã sử dụng một cách tiếp cận phức tạp hơn. Đầu tiên, tôi điều chế CO nồng độ cao bằng cách sử dụng quá trình đốt cháy trong thể tích cô lập (ảnh đầu tiên). Trong bài báo này, tôi tìm thấy dữ liệu hữu ích nhất, bao gồm năng suất CO cho các loại ngọn lửa khác nhau - nó không có trong ảnh, nhưng thí nghiệm cuối cùng sử dụng quá trình đốt cháy khí propan, với cùng một thiết lập, dẫn đến nồng độ CO ~ 5000 ppm. Sau đó, nó được pha loãng 1:50 để đạt được 100 ppm, như minh họa trong bức ảnh thứ hai và được sử dụng để xác định điểm tham chiếu của cảm biến.

Bước 8: Một số dữ liệu thử nghiệm

Trong trường hợp của tôi, cảm biến hoạt động khá tốt - nó không nhạy lắm đối với nồng độ thực sự thấp, nhưng đủ tốt để phát hiện bất kỳ thứ gì cao hơn 50ppm. Tôi cố gắng tăng dần sự tập trung, thực hiện các phép đo và xây dựng một bộ biểu đồ. Có hai bộ vạch 0ppm - màu xanh lá cây tinh khiết trước khi tiếp xúc với CO và màu xanh lục vàng sau khi tiếp xúc. Cảm biến dường như thay đổi một chút sức cản không khí sạch của nó sau khi tiếp xúc, nhưng ảnh hưởng này là nhỏ. Dường như không thể phân biệt rõ ràng giữa các nồng độ 8 và 15, 15 và 26, 26 và 45 ppm - nhưng xu hướng rất rõ ràng, vì vậy nó có thể cho biết liệu nồng độ nằm trong khoảng 0-20 hay 40-60 ppm. Đối với nồng độ cao hơn, sự phụ thuộc đặc biệt hơn nhiều - khi tiếp xúc với khí thải của ngọn lửa trần, đường cong đi lên ngay từ đầu mà không hề đi xuống, và động lực học của nó hoàn toàn khác. Vì vậy, đối với nồng độ cao, chắc chắn rằng nó hoạt động đáng tin cậy, mặc dù tôi không thể xác nhận độ chính xác của nó vì tôi không có bất kỳ máy đo CO định mức nào. để đề xuất 10k làm giá trị mặc định, nó sẽ nhạy cảm hơn theo cách này. Nếu bạn có một máy đo CO đáng tin cậy và sẽ lắp ráp bảng này, vui lòng chia sẻ một số phản hồi về độ chính xác của cảm biến - sẽ rất tốt nếu bạn thu thập số liệu thống kê về các cảm biến khác nhau và cải thiện các giả định phác thảo mặc định.