Zobrazenie zdroja stránky Senzor CO2

 Balogh: pekny popis senzora, ale netreba sem tahat popis Arduina a i2c zbernice
         software tiez OK, trocha mi chyba nejaky prenos do PC a vizualizacia


{|
|Autor:      || '''Gabriel Križan''' 
|-
|Študijný odbor:   || Aplikovaná mechatronika || 1. Ing.  ('''2019''') 
|}

__TOC__


= '''Zadanie''' =


Využitím modulov '''CDM7160-C00''' a '''LCD LCM1602C V2.1''' zostavte senzor na meranie koncentrácie CO<sub>2</sub> vo vzduchu.


== Úlohy ==
* Nájdite si k senzorom datasheet
* Nájdite si schémy zapojenia modulov CDM7160-C00 a LCD LCM1602C V2.1
* Na základe predošlých vedomostí navrhnite spôsob pripojenia k riadiacej jednotke
* Napíšte základný demonštračný program využívajúci vaše funkcie
* Vymyslite a demonštrujte vhodnú aplikáciu

= '''Komponenty''' =


Na vypracovanie som použil nasledujúce komponenty:
* 1 x CDM7160-C00 Kalibrovaný modul senzoru plynu CO<sub>2</sub>
* 1 x LCD LCM1602C V2.1
* 1 x Vývojovú dosku ARDUINO UNO REV3
* 1 x USB kábel A-B
* Prepojovacie kábliky
* Software - Arduino IDE


== CDM7160-C00 Kalibrovaný modul senzoru plynu CO<sub>2</sub>, NDIR 300-5000 ppm ==


[[Obrázok:cdm7160-c00.jpg|center|350px]]
::'''Obr. 1:Modul senzoru cdm7160-c00'''


Senzor funguje na základe NDIR (Non-Dispersive InfraRed) spektrometrie. Meranie koncentrácie CO<sub>2</sub> je založené na princípe 
absorpcie infračerveného svetla v jednoznačnej a presne určenej vlnovej dĺžke (v prípade CO<sub>2</sub> je to 4.26 µm). Túto vlnovú dĺžku 
zabezpečuje presný optický filter (pásmová priepust) infračerveného svetla. Ako referenčné meranie slúži vlnová dĺžka mimo 
absorpčné pásmo (zároveň aby nedochádzalo k interferenciám s ostatnými zložkami v ovzduší), ktoré je zabezpečené taktiež špeciálnym filtrom. 
Miera absorpcie infračerveného svetla je nepriamo úmerná koncentrácii CO<sub>2</sub> v ovzduší. Dlhodobú presnosť merania zabezpečuje špeciálny 
algoritmus bežiaci na mikrokontroléri senzora, ktorý bol vyvinutý firmou FIGARO ENGINEERING.
Princíp fungovania je znázornený na obrázku č. 2.


[[Obrázok:cdm7160-c00-NDIR.jpg|center|800px]]
::::'''Obr. 2: Princíp fungovania cdm7160-c00'''

* [https://www.figaro.co.jp/en/product/feature/cdm7160.html Stránka produktu]

* [https://cdn.sos.sk/productdata/78/c4/6a86c1e3/cdm7160-c00.pdf Technická špecifikácia CDM7160-C00]


== LCD LCM1602C V2.1 ==


LCD LCM1602C V2.1 je klasický 2 riadkový a 16 charakterový LCD displej so zabudovaným ovládačom SPLC780D (alebo ekvivalentným).

[[Obrázok:LCD LCM1602C V2.1.png|center|900px]]
::::::::'''Obr. 3:Modul LCD LCM1602C V2.1'''

* [https://www.arduino.cc/documents/datasheets/LCDscreen.PDF Technická špecifikácia LCD LCM1602C V2.1]


== ARDUINO UNO REV3 ==

Jedná sa o vývojovú dosku s mikroprocesorom ATmga328P s 32KB Flash pamäte, 1 KB EEPROM, 2KB SRAM pamäte. Dosku je možné programovať pomocou Arduino IDE.

[[Obrázok:Arduino_UNO_R3.jpg|center|800px]]
:::::::::'''Obr. 4:Arduino_UNO_R3'''

* [https://store.arduino.cc/arduino-uno-rev3 Stránka produktu]
* [https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/Arduino_Uno_Rev3-schematic.pdf Zapojenie dosky ARDUINO UNO REV3]


= '''Analýza''' =


Na realizáciu meracieho zariadenia, ktorá bude merať koncentráciu CO<sub>2</sub> vo vzduchu som použil senzorový modul CDM7160-C00 a LCD displej. Na komunikáciu medzi ARDUINO UNO a CDM7160-C00 som využíval zbernicu I<sup>2</sup>C a na prerušenie pin D2. 


== Zbernica I<sup>2</sup>C ==

I<sup>2</sup>C je dvojvodičová obojsmerná sériová zbernica používajúca vodiče SCL (serial clock) a SDA (serial data), oba vodiče prenášajú informácie medzi pripojenými zariadeniami. Každé zariadenie je rozpoznané na základe jedinečnej adresy a preto zbernica I<sup>2</sup>C nevyžaduje signál CS (chip select). Linky SDA aj SCL sú pripojené na napájacie napätie pomocou tzv. pullup rezistorov (v mojom prípade na odporúčanie výrobcu som použil 1kΩ rezistory), ktoré zabezpečujú prácu liniek v obidvoch smeroch.

[[Obrázok:I2C-pullup.png|center|400px]]
::'''Obr. 5:Zbernica I<sup>2</sup>C a pull-up rezistory'''

Komunikácia medzi zariadeniami je typu master - slave. Master je zariadenie ktoré inicializuje prenos dát po zbernici (začína a končí dátový prenos generovaním štart bitu a stop bitu), generuje časový signál, vysiela adresu podriadeného zariadenia. Slave odpovedá iba v prípade, že rozpoznal svoju adresu. Začiatok alebo koniec prenosu je definovaný prechodom dátovej linky z vysokej na nízku úroveň (štart bit) alebo z nízkej na vysokú úroveň (stop bit) kým hodinový signál je na vysokej úrovni. Po štart bite považujú všetky zariadenia zbernicu za zaneprázdnenú. Po príchode stop bitu čakajú zariadenia istý čas a potom považujú zbernicu za voľnú. Každé zariadenie má jedinečnú 7 (v mojom prípade 1101001 čo je 0x69)  alebo 10 bitovú adresu. Programovateľná časť adresy umožňuje použiť na danej zbernici viacero rovnakých zariadení.

[[Obrázok:I2C-startstop.png|center|400px]]
::'''Obr. 6:Zbernica I<sup>2</sup>C štart - stop podmenky'''

Pri prenose nie je počet dátových bitov prenesených medzi START a STOP z vysielača do prijímača obmedzený. Každý dátový bajt (8bitov) je nasledovaný jedným potvrdzovacím bitom ACK (A). ACK predstavuje logickú nulu (0) vloženú na zbernicu prijímačom, spojenú s potvrdzovacím hodinovým impulzom. Prijímač, ktorý je adresovaný, musí generovať ACK po prijatí každého bajtu.

[[Obrázok:I2C-ACCK.png|center|800px]]
::::::::'''Obr. 7:Zbernica I<sup>2</sup>C potvrdzovací bit'''

V mojom projekte je doska ARDUINO UNO master a senzor CDM7160-C00 je podriadený (slave). Master môže z podriadeného zariadenia údaje čítať alebo naň údaje zapisovať. Prenos údajov môže začať iba Master zariadenie.

* [https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf Oficiálna špecifikácia I<sup>2</sup>C]


== Prerušenie ==

Väčšina mikrokontrolérov používa prerušenia. Prerušenia umožňujú reagovať na externé podnety, zatiaľ čo sa hlavná aplikácia venuje svojej činnosti. Externý podnet môže prísť napríklad ako signál na pine, že došlo ku zmene úrovne z low na high, alebo ako signál z časovača. V mojom prípade využijem skutočnosť, že počas merania koncentrácie je na pine CDM7160-C00 č. 8 signál s vysokou úrovňou. Po dokončení merania klesajúca hrana signálu vyvolá cez digitálny vstup č. 2 na doske ARDUINO UNO prerušenie a spustí sa funkcia na vyčítanie údajov zo senzora CO<sub>2</sub>.


== Rozhranie senzora CDM7160-C00 ==

[[Obrázok:cdm7160-c00-piny.png|center|800px]]
::::::::'''Obr. 8:Rozhranie senzora CDM7160-C00'''

'''Parametre:'''

* Napájacie napätie: 4,75 až 5,25 V
* Pracovné podmienky (teplota): -30 až +70 °C
* Pracovné podmienky (vlhkosť): 0 až 85% rH
* Presnosť merania koncentrácie: ± 50 ppm v rozsahu 300 až 5000 ppm
* Komunikačné rozhranie: UART/I<sup>2</sup>C

'''Základné registre:'''

[[Obrázok:Cdm7160-registre.png|center|800px]]
::::::::'''Obr. 9:Registre senzora CDM7160-C00'''

'''Komunikácia pomocou I<sup>2</sup>C zbernice:'''

Kedže adresa registrov s údajmi o koncentrácii CO<sub>2</sub> nie je na začiatku adresného priestoru, potrebujeme pristupovať na konkrétnu adresu (0x03 a 0x04), aby sme mohli vyčítať údaje. Postupnosť dát po zbernici I<sup>2</sup>C je na obrázku č. 10.

[[Obrázok:cdm7160-nahodny-pristup.jpg|center|800px]]
::::::::'''Obr. 10:Náhodný prístup CDM7160-C00'''

Údaj o koncentrácii je uložený v dvoch bajtoch v tvare little endian, na adrese 0x03 je dolný bajt a na adrese 0x04 je horný bajt. (obr. 11)

[[Obrázok:cdm7160-registre-koncentrácie.jpg|center|800px]]
::::::::'''Obr. 11:Registre cdm7160 s údajmi o koncentrácii'''

Hodnota je od 0 po 10000 (DEC) alebo 0 až 2710 (HEX). (obr. 12)

[[Obrázok:cdm7160-formát-údajov.jpg|center|800px]]
::::::::'''Obr. 12:Údaje o koncentrácii v registroch'''


= '''Popis riešenia''' =

Na základe získaných informácii o komponentoch som zapojil senzor aj LCD modul do ARDUINO UNO. (obr. 13). Napájanie je realizované pomocou USB kábla typu A-B priamo z počítača (s možnosťou sériového prenosu údajov do počítača). Napájanie je možné realizovať aj z power-banky, získame tým prenosný prístroj na meranie koncentrácie CO<sub>2</sub> vo vzduchu.

'''Schéma zapojenia snímača a skutočné vyhotovenie'''

[[Súbor:cdm7160-LCD-ARDUINO-new.jpg|center|800px]]
::::::'''Obr. 13:Zapojenie snímača a LCD do dosky ARDUINO ONU'''


== Algoritmus a program ==

Samotný program pracuje nasledovne: V programe beží funkcia loop. V každom cykle vyhodnotí či došlo k meraniu koncentrácie (stav_senzora = true), ak áno (po vyvolaní prerušenia a zmene hodnoty stav_senzora z false na true), vyčíta údaje zo senzora a pošle na sériový port a zobrazí na LCD vo forme čísla a pre možnosť rýchleho vyhodnotenia v tvare bargrafu. Hodnotu stav_senzora nastaví na false a čaká na ďalší cyklus.


<source lang="c">
#include <LiquidCrystal.h>
#include <LcdBarGraph.h>
#include <stdio.h>
#include <Wire.h>

#define INTERRUPT_PIN 2
#define LCD_RS_PIN 12
#define LCD_ENABLE_PIN 11
#define LCD_D4_PIN 6
#define LCD_D5_PIN 5
#define LCD_D6_PIN 4
#define LCD_D7_PIN 3
#define LCD_NUM_COLS 16
#define LCD_NUM_ROWS 2
#define ADRESA_CDM_7160 0x69
#define ADRESA_REGISTRA 0x03

LiquidCrystal lcd(LCD_RS_PIN, LCD_ENABLE_PIN, LCD_D4_PIN, LCD_D5_PIN, LCD_D6_PIN, LCD_D7_PIN);
LcdBarGraph lbg(&lcd, LCD_NUM_COLS, 0, 1);

byte co2_dolnebity = 0;
byte co2_hornebity = 0 ;
int co2_ppm = 0;
volatile bool stav_senzora = false;
char string[8] = {'0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0'};
void setup() {
  pinMode(INTERRUPT_PIN, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(INTERRUPT_PIN), senzor_volny, FALLING );
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  co2_dolnebity = 0;
  co2_hornebity = 0;
  lcd.begin(LCD_NUM_COLS, LCD_NUM_ROWS);
  lcd.clear();
  delay(100);
}
void senzor_volny() {
  stav_senzora = true;
}
void loop() {
  if (stav_senzora)
  {
    Wire.beginTransmission(ADRESA_CDM_7160); //adresa zariadenia
    Wire.write(ADRESA_REGISTRA); // adresa registra
    Wire.endTransmission();
    Wire.requestFrom(ADRESA_CDM_7160, 2); //poziadavka na 2 bajty
    co2_dolnebity = Wire.read(); //dolne bity
    co2_hornebity = Wire.read(); //horne bity
    co2_ppm = (co2_hornebity << 8) | co2_dolnebity; //dolne + horne posunute o 8 = vysledok
    Serial.println(co2_ppm); //posli na serial
    if (co2_ppm < 1000)
    {
      sprintf (string, "%d ppm ", co2_ppm);
    }
    else
    {
      sprintf (string, "%d ppm", co2_ppm);
    }
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print(string);
    lbg.drawValue((co2_ppm-400), 1200);//minimálna hladina CO2 vo vzduchu je 400 ppm
  }
  stav_senzora = false;
  delay(200);
}
</source>



== Overenie ==

Po oživení a zapojení do počítača cez sériový port (USB-serial) som zobrazil hodnoty v programe SerialPlot. (Obr. 14)
Na obrázku je vidieť reakcia snímača na zmenu koncentrácie CO<sub>2</sub> vo vzduchu.

[[Súbor:cdm7160-SerialPlot.jpg|center|600px]]
:::::'''Obr. 14:Hodnoty zo snímača CO<sub>2</sub>'''


='''Literatúra:'''=

* http://chillelife.com/ir-spectroscopy/
* https://webbook.nist.gov
* https://www.sos.sk/products/figaro/cdm7160-c00-304480
* https://en.wikipedia.org/wiki/Nondispersive_infrared_sensor
* https://sk.wikipedia.org/wiki/Spektroskopia
* https://www.figaro.co.jp/en/product/feature/cdm7160.html
* https://www.geotherm.sk/rekuperacna-jednotka/vetranie-meranie-co2/
* https://www.atpjournal.sk/buxus/docs/dokumenty/kniznica_dokumentov/atp_journal_2010_obsahy_cisiel_pdf/08_2010/_08_2010_Analyza_koncentracie.pdf
* https://sk.wikipedia.org/wiki/Arduino
* https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf
* http://www.uamt.fei.stuba.sk/kega/data/mikroradice_KEGA/mpt_p9.pdf
* https://github.com/prampec/LcdBarGraph
* https://www.arduinoslovakia.eu/page/prerusenia
* https://hackaday.io/project/5334-serialplot-realtime-plotting-software
__TOC__

[[MEMS_projekty#Projekty_2019|Späť na zoznam projektov...]]

[[Category:MEMS2019]] [[Category:AVR]]