Датчик углекислого газа MQ135 — подключение к STM32

Химический полупроводниковый сенсор — слой чувствительного полупроводника (обычно это оксиды переходных металлов) на инертной подложке, поверхность которого умеет селективно захватывать какие-то летучие вещества из газа. В результате такой хемосорбции полупроводник приобретает заряд и меняет свои свойства: обычно следят за его сопротивлением. Полупроводниковые сенсоры практически всегда требуют нагрева для нормальной работы.

Пару слов о том, зачем мне это понадобилось. Я всегда с тоской вспоминаю походы с палаткой — потому что только там я мог нормально, полноценно спать благодаря совершенно свежему воздуху. Несмотря на то что в Москве я живу в своеобразном зелёном острове, всё равно духота часто мучает меня по ночам. Вообще, эта моя история очень похожа на историю BarsMonster`а с Хабра, который в поисках причин быстрого утомления ставил кислородный концентратор, вешал мощнейшую люстру на 10 тысяч люмен, и делал прочие хаотичные штуки. Я пошёл по его пути, тоже поставил такую люстру, но особой разницы не заметил. В итоге мы оба дошли до идеи измерить концентрацию углекислого газа в воздухе — его избыток вызывает мгновенное закисление крови и нарушение процессов обмена.

Именно для этих измерений я купил в Китае датчик MQ-135.

mq135

В нём чувствительный слой из диоксида олова (с золотыми контактными площадками) нанесён на сапфировую подложку с нихромовым нагревателем, и электроды грелки (H-H) вместе с платиновыми электродами от чувствительного слоя (A/B-B/A) выведены наружу. Измерять сопротивление можно на любых двух из них, A-B или B-A.

Он очень дешёвый и доступный, и может служить элементом домашней метеостанции. Помимо углекислого газа, датчик также реагирует на присутствие других газов: угарного газа, аммиака, бензола, оксидов азота и паров спирта. В даташите приведена зависимость относительного сопротивления датчика от парциального давления разных газов — таким образом, из сопротивления можно вычислить концентрацию газа в воздухе.

mq135_ppm

Кстати, одна из его модификаций, с обострённой чувствительностью к спирту, стоит в полицейских датчиках спирта, которым «дышат в трубку».

Попробуем подключить его к STM32!

Схема подключения

Для начала давайте рассмотрим схему включения.

mq135_schem

Всё просто: нагреватель питается от 5 вольт, а чтобы измерить сопротивление сенсора — он включается в состав резистивного делителя, и измеряется напряжение на выходе этого резистора. При известном сопротивлении резистора и напряжении питания сопротивление сенсора рассчитывается как r1 = r2*(u/uout-1).

Конкретно у меня датчик распаян на плате, которая содержит этот дополнительный резистор — она выдаёт наружу сразу нужное напряжение. Чтобы измерить это напряжение с помощью STM32, нам потребуется модуль АЦП. Программа практически повторяет код из той статьи.

void adc_init()
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
//ADC settings
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
ADC_StructInit(&ADC_InitStructure);
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

//Channel settings
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_8, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

ADC_ResetCalibration(ADC1);
while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
ADC_StartCalibration(ADC1);
while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}

uint16_t getCO2Level()
{
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}

int main()
{
adc_init();

uint16_t co2;
while(1)
{
co2 = getCO2Level();
delay(10000000);
}
}

Особенности

Во время работы датчик заметно греется, и это его нормальное состояние; вряд ли он способен что-то поджечь, но всё-таки не стоит его ничем накрывать. Да и доступ воздуха ему нужно обеспечить, поэтому просто разместите его на каком-нибудь открытом пространстве. Гемфри Дэви придумал окружать шахтёрские лампы металлической сеткой во избежание взрыва газа — так и здесь, вокруг датчика находится металлическая сетка, благодаря которой сенсор можно использовать даже в помещениях с высокой концентрацией метана или других горючих газов.

Датчик очень медленно выходит на режим. В первый раз его обязательно нужно прогреть не менее 24 часов. При следующих включениях требуется хотя бы 10-минутный прогрев.

Параметры датчика немного деградируют с ростом влажности воздуха. При точных измерениях необходимо следить за влажностью, например с помощью датчика DHT-22.

mq135_hum

На моей плате дополнительно размещён ОУ с переменным резистором — к ним подключен светодиод и вывод «DOUT». Это простой настраиваемый пороговый индикатор, светодиод загорится когда концентрация углекислого газа превысит заданное значение.

mq135_schem_full