Senzor CO2

Autor:	Gabriel Križan
Študijný odbor:	Aplikovaná mechatronika	1. Ing. (2019)

Zadanie

Využitím modulov CDM7160-C00 a LCD LCM1602C V2.1 zostavte senzor na meranie koncentrácie CO₂ 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 CO₂
• 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 CO₂, NDIR 300-5000ppm

Senzor funguje na základe NDIR (Non-Dispersive InfraRed) spektrometrie. Meranie koncentrácie CO₂ je založené na princípe absorpcie infračerveného svetla v jednoznačnej a presne určenej vlnovej dĺžke (v prípade CO₂ 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 (a aby nedochádzalo k interferenciám s ostatnými zložkami v ovzduší), ktoré je zabezpečené taktiež špeciálnym filtrom. Miera absorpcie infračerveného svetla je nepriamo úmerná koncentrácii CO₂ v ovzduší. Dlhodobú presnosť merania zabezpečuje špeciálny algoritmus bežiaci na mikrokontroléri senzora, ktorý bol vyvinutý firmou FIGARO ENGINEERING. Princíp fungovania je znázornený na obrázku.

• Stránka produktu

• 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).

• 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.

• Stránka produktu
• Zapojenie dosky ARDUINO UNO REV3

Analýza

Na realizáciu meracieho zariadenia, ktorá bude merať koncentráciu CO₂ vzduchu som použil senzorový modul CDM7160-C00 a LCD displej. Na komunikáciu medzi ARDUINO UNO a CDM7160-C00 som využíval zbernicu I²C a na prerušenie pin D2.

Zbernica I²C

I²C 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 I²C 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.

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 (alebo 10) bitovú adresu. Programovateľná časť adresy umožňuje použiť na danej zbernici viacero rovnakých zariadení.

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 log. 0 (nulu) vloženú na zbernicu prijímačom, spojenú s potvrdzovacím hodinovým impulzom. Prijímač, ktorý je adresovaný, musí generovať ACK po prijatí každého bajtu.

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.

• Oficiálna špecifikácia I²C

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 CO₂.

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/I²C

Základné registre:

Popis riešenia

Schéma zapojenia snímača

Algoritmus a program

Uveďte stručný popis algoritmu, v akom jazyku a verzii vývojového prostredia ste ho vytvorili. Je vhodné nakresliť aspoň hrubú štruktúru programu napríklad vo forme vývojového diagramu. Rozsiahly program pre lepšiu prehľadnosť rozdeľte do viacerých súborov.

Vyberte podstatné časti zdrojového kódu, použite na to prostredie source:

/* A nezabudnite zdroják hojne komentovať  */

int main(void) {
    
    printf("Hello, World!\n");  
    return(0);  
}

Nezabudnite však nahrať aj kompletné zdrojové kódy vášho programu!

Zdrojový kód: serial.h a main.c

program.c

Overenie

Nezabudnite napísať čosi ako užívateľský návod. Z neho by malo byť jasné čo program robí, ako sa prejavuje a aké má užívateľské rozhranie (čo treba stlačiť, čo sa kde zobrazuje). Ak ste namerali nejaké signály, sem s nimi. Ak je výsledkom nejaký údaj na displeji, odfotografujte ho.

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

Späť na zoznam projektov...