Подключаем анализатор газов MQ-135 к Raspberry Pi используя PCF8591

Познакомимся с простым датчиком MQ-135, который поможет определить уровень вредных веществ в воздухе. Подключим анализатор газов MQ-135 к Raspberry Pi используя АЦП PCF8591, напишем простую тестовую программу для наблюдения за сигналом из датчика, а также для выполнения определенного действия при достижении установленного критического уровня.

Содержание:

• Анализатор газов MQ-135
• Подключаем датчик MQ-135
• Программа для анализа состояния датчика MQ-135
• Заключение

Анализатор газов MQ-135

MQ-135 - достаточно компактный и недорогой датчик, который умеет анализировать уровень вредных веществ в воздухе. Он поможет определить в воздухе наличие следующих веществ:

• Углекислый газ (в нормальных условиях это бесцветный газ, без запаха, двуоксид углерода - CO₂);
• Угарный газ (бесцветный ядовитый газ без вкуса и запаха, монооксид углерода - CO);
• Аммиак (в нормальных условиях это бесцветный газ с резким характерным запахом, нитрид водорода - NH₃);
• Бензол (жидкость без цвета со специфическим сладковатым запахом, органическое соединение - C₆H₆);
• Оксид азота (бесцветный газ который незначительно растворим в воде, монооксид азота - NO);
• Пары спирта (органические соединения, существует целый класс спиртов, спирт содержат алкогольные напитки);
• Дым (газ выдкляющийся при сгорании различных веществ, прохождения химических реакций);
• и другие...

Рис. 1. Внешний вид датчика MQ-135.

Детектор газов MQ-135 может применяться в системах безопасности и контроля, для анализа состояния воздуха в вентиляционных установках, в медицине и других сферах где нужно выполнять контроль за чистотой воздуха и окружающей среды.

Основные технические характеристики и плюсы датчика:

• Высокая чувствительность;
• Высокая скорость реакции;
• Стабильность и долговечность;
• Питание нагревательного элемента от 5В;
• Сопротивление нагревательного элемента - 33 Ом;
• Ток потребляемый нагревателем от источника питания 5В - 150мА (мощность 800 мВт);
• Небольшие размеры (18мм в диаметре, 17мм в высоту + 6мм высота пинов).

Датчик содержит 6 ножек - две из них используются для питания нагревателя, а остальные 4 для снятия сигнала с сенсора.

Рис. 2. Структура и принцип работы датчика газов MQ-135, на рисунке обозначены:

• 1 - чувствительный к газам слой (SnO₂);
• 2 - электрод (Au);
• 3 - токопроводящие линии для соединения с электродом (Pt);
• 4 - катушка нагревателя (Ni-Cr);
• 5 - керамическая трубка (Al₂O₃);
• 6 - сетка из стальных проводников для защиты в случае взрыва внутри датчика;
• 7 - сжимающее кольцо (никелированная медь);
• 8 - резиновая основа;
• 9 - пины для подключения датчика (никелированная медь).

Нагревательный элемент необходим для обеспечения кондиционного режима работы чувствительного слоя, воздух с содержащимися в нем веществами попадая на чувствительный слой и в зависимости от концентрации этих веществ спровоцирует изменение значения электрического потенциала между электродами (смотри схему на рисунке 2).

Этот электрический потенциал мы снимаем с электродов и анализируем его уровень при помощи дополнительных электронных схем.

Подключаем датчик MQ-135

Для экспериментов использован готовый модуль, который содержит датчик MQ-135 и небольшой компаратор, парочку светодиодов и штырьки для подключения.

Рис. 3. Внешний вид модуля с датчиком MQ-135 и схемой сравнения.

Модуль содержит 4 вывода:

• VCC - питание 5В;
• GND - земля (минус);
• AO - аналоговый выход датчика (Analog Output);
• DO - цифровой выход датчика (Digital Output).

Цифровой выход датчика подключен к компаратору, при помощи которого мы можем оценить значение с датчика и получить на выходе низкий (0В) или высокий (5В) уровень. Для регулировки порога срабатывания на платке установлен переменный резистор.

Аналоговый выход датчика предназначен для подключения к самодельным компараторам и анализаторам, а также к АЦП (Аналого-Цифровым Преобразователям).

В эксперименте я буду использовать аналоговый выход датчика MQ-135, подключенный к АЦП на основе PCF8591, работу с которым я описывал в прошлой статье. Анализировать данные работы АЦП будет мини-компьютер Raspberry Pi.

Модуль MQ-135 должен питаться от напряжения +5В, соответственно на его цифровом и аналоговом выходах уровень напряжения может достигать +5В.

Аналоговый выход MQ-135 можно было бы подключить напрямую к аналоговому входу PCF8591 если питать последний также от напряжения +5В, но в таком случае понадобится собирать двунаправленный конвертер уровней напряжения для шины I²C.

Конвертация уровней напряжения здесь нужна, поскольку:

1. Пины GPIO в Raspberry Pi (используемые нами здесь для интерфейса I²C) рассчитаны на максимальное входное/выходное напряжение +3,3В;
2. При питании PCF8591 от +5В, напряжения +3,3В на выводах шины I²C может быть не достаточно чтобы получить высокий уровень (логическая 1). Обмен данными по шине станет невозможным;
3. На модуле PCF8591 установлены подтягивающие (pull-up) резисторы, которые пытаются выставить при логической единице на каждом из выводов шины I²C напряжение +5В (питание PCF8591). Это не безопасно для входов GPIO в Raspberry Pi, расчитанных на +3,3В.

Чтобы не собирать конвертер уровней напряжения здесь все же можно выкрутиться следующим образом: питать модуль PCF8591 от напряжения +3,3В (в даташите указан диапазон питающих напряжений 2,6В-6В), а чтобы не спалить его аналоговый вход (теперь туда можно подавать максимум +3,3В) напряжением с аналогового выхода MQ-135 (достигающее +5В), соединяем эти модули через резистивный делитель напряжения: 5В - в 3В.

Вот такая получилась схема подключения модулей:

Рис. 4. Принципиальная схема подключения модулей MQ-135 и PCF8591 к Raspberry Pi.

Добавлю несколько слов о первом подключении модуля MQ-135. При первом влючении нового, только что распакованного модуля с датчиком, в воздухе кратковременно появится небольшой запах гари, не стоит волноваться - это первый раз раскалился нагревательный элемент датчика.

Перед долговременным применением датчика, для адаптации и стабилизации параметров, его стоит оставить с подключенным к нагревателю напряжением на 24 часа (рекомендация из даташита).

Ток потребления модуля MQ-135 (по большей части нагревателя в нем) составляет примерно 150мА (I=U/R=5В/33Ом=0,151А), поэтому питание можно взять с пина 2 (+5В) на разъеме GPIO.

Важно помнить что линию питания 5В в Raspberry Pi нельзя перегружать, если нужно питать какой-то модуль от 5В и с потребляемым током более 0,3А-0,5А то лучше не пожалеть пару центов и собрать отдельный стабилизатор напряжения, например на микросхеме L7805 (розничная стоимость менее 0,5$).

ВНИМАНИЕ! На показанном ниже фото, ранее в качестве эксперимента, я подключил все модули к питанию +5В, выход датчика соединил с входом АЦП напрямую и не использовал резистивного делителя напряжения. Старайтесь так не делать, а собирать безопасную схему, как на рисунке 4.

Рис. 5. Внешний вид подключенных модулей MQ-135 и PCF8591 к Raspberry Pi.

Думал удалить эту картинку, но оставил ее и решил расписать что происходит при подобном не безопасном подключении. Почему же схема в такой конфигурации работает и Raspberry Pi не выходит из строя? - Давайте с этим разберемся.

Такое подключение работает, но все же есть риск нанесения вреда контроллеру GPIO в Raspberry Pi. Это может случиться если на какой-то из пинов попадет напряжение +5В (явно превышающее +3,3В) и с током достаточным чтобы пожечь внутренние ключи на пинах GPIO.

Дело в том, что на модуле PCF8591 между каждой из двух линий (SCL, SDA) шины I²C и шиной питания стоят подтягивающие резисторы с сопротивлением 4,7кОм (это подключение можно увидеть на схеме модуля).

Генерация сигналов в шине I²C базируется на "прижимании" (подключении через внутренние транзисторы в устройстве) линий данных к земле (логический 0) и их "отпускании" (логическая 1). В последнем случае за установку высокого уровня отвечают как раз те самые подтягивающие резисторы.

Получается, что при логической единице на одной из линий, напряжение питания модуля (+5В) через резистор 4,7кОм идет на вывод GPIO, а знаем что позволенный максимум на нем - 3,3В. Порт не выгорает здесь только потому, что ток через эту цепочку достаточно мал, он гасится на этом же резисторе и порт остается цел.

Что же там за ток может быть, давайте попробуем посчитать:

1. При логическом "0" (через внутренний транзистор порт подключил вывод GPIO к земле): I = U/R = 5V/4700R = 0,00106A = 1mA
2. При логической "1" (через внутренний транзистор порт подключил вывод GPIO к +3,3В): I = U/R = (5V-3,3V)/4700R = 0,00036A = 0,36mA.

Принцип работы шины I²C таков, что при генерации высокого уровня пин порта не подключается к линии питания ("висит в воздухе"), поэтому пункт 2 в расчетах можно и не учитывать.

В итоге, в самом крайнем случае, мы имеем напряжение +5В при токе 1мА на пине GPIO, чего явно не достаточно чтобы спалить порт на гребенке Raspberry Pi.

А что будет если подтягивающие резисторы в модуле PCF8591 отпаять от +5В и припаять к +3,3В? - скорее всего, передача данных по шине I2C перестанет осуществляться, напряжения +3,3В будет не достаточно для интерпретации модулем PCF8591 (питающимся от +5В) сигнала напряжением +3,3В как высокого уровня (логической "1").

А теперь давайте подумаем что получится если подключить 3-5 разных модулей с питанием +5В к шине I2C Raspberry Pi. В зависимости от сопротивлений подтягивающих резисторов на модулях (если эти резисторы впаяны, их сопротивления просуммируются как при параллельном включении резисторов) ток может достичь 5-10мА при напряжении +5В, что уже может нести более значительную опасность для портов GPIO.

Поэтому, нужно всегда придерживаться правил:

1. На пины GPIO в Raspberry Pi нельзя допускать попадания напряжений, превышающих 3,3В!
2. При подключении к шине I2C устройств с разными напряжениями питания (2,5В, 3В, 5В...) нужно использовать схему конвертера уровней напряжения!

Программа для анализа состояния датчика MQ-135

Программа написана на языке программирования Python и является модифицированной версией той, которую я приводил в статье где разбирали работу с модулем PCF8591, там же описано как активировать шину I²C.

Суть работы новой версии программы заключается вот в чем:

• Постоянно выводим в консоль текущее значение с датчика газов (числа от 0 до 255, от меньшей концентрации до большой);
• При достижении некоторого установленного значения концентрации газов - зажигаем светодиод D1.

Создадим новый файл для программы на Питоне и откроем его в редакторе nano:

nano /tmp/mq-135-pcf8591-test.py

Скопируем приведенный ниже код в файл:

#!/usr/bin/env python
# Program for gas sensor MQ135 + ADC-DAC PCF8591P
# 2016 http://ph0en1x.net

import os
import time
from smbus import SMBus

DEV_ADDR = 0x48
adc_channel = 0b1000010 # 0x42 (input AIN2 for ADC + use DAC)
dac_channel = 0b1000000 # 0x40

bus = SMBus(1)          # 1 - I2C bus address for RPi rev.2

while(1):
    os.system('clear')
    print("Press Ctrl C to stop...\n")
    # read sensor value from ADC
    bus.write_byte(DEV_ADDR, adc_channel)
    bus.read_byte(DEV_ADDR)
    bus.read_byte(DEV_ADDR)
    value = bus.read_byte(DEV_ADDR)
    print 'AIN value = ' + str(value)
    # compare value from ADC and set value in DAC
    if value > 120:
        bus.write_byte_data(DEV_ADDR, dac_channel, 220)
    else:
        bus.write_byte_data(DEV_ADDR, dac_channel, 0)
    # pause 100 milliseconds
    time.sleep(0.1)

Для выхода из редактора (возможно кто-то еще не знает этого): жмем CTRL+X, для подтверждения сохранения файла жмем Y и ЕНТЕР.

Запускаем программу командой в консоли:

python /tmp/mq-135-pcf8591-test.py

Рис. 6. Вывод выполняющейся программы в окне консоли.

Теперь можете поэкспериментировать с датчиком, поднося к нему на разном расстоянии разнообразные вещества - спирт, растворитель, бензин и другие. В консоли можно будет наблюдать как изменяется значение на выходе датчика.

Чтобы изменить числовой порог свечения светодиода, к примеру для значения 70, нужно изменить строчку кода "if value > 120:" на "if value > 70:" - теперь программа будет реагировать на превышение значения 70 на входе AIN2 АЦП свечением светодиода.

Используя мультиметр в режиме измерения напряжения до 20В можно понаблюдать за изменением напряжения на аналоговом выходе датчика MQ-135 при изменении уровня испарений газов около него.

Засветить светодиод - это очень просто, что можно еще придумать? - например, настроить отправку электронного письма (или электронных писем) в случае достижения заданного порога вредных газов в воздухе, включить воспроизведение какого-то MP3-файла на Raspberry Pi и много других вещей.

Заключение

Ниже приведено видео работы модуля с MQ-135, подключенного к малинке и АЦП PCF8591 (старый не безопасный вариант, без делителя напряжения на резисторах).

Для теста срабатывания датчика использован дихлорэтан (клей для пластмассы и оргстекла), вернее его капелька нанесенная на кончик маленькой отвертки, этих испарений вполне достаточно чтобы датчик зафиксировал наличие в воздухе ядовитого вещества.

Полезные материалы:

• Даташит на MQ-135 (140 КБ).