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

Obr. 1:Modul senzoru cdm7160-c00

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.

Obr. 2: Princíp fungovania cdm7160-c00

• 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).

Obr. 3:Modul LCD LCM1602C V2.1

• 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.

Obr. 4:Arduino_UNO_R3

• 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.

Obr. 5:Zbernica I²C 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.

Obr. 6:Zbernica I²C 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 log. 0 (nulu) vloženú na zbernicu prijímačom, spojenú s potvrdzovacím hodinovým impulzom. Prijímač, ktorý je adresovaný, musí generovať ACK po prijatí každého bajtu.

Obr. 7:Zbernica I²C 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.

• 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

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/I²C

Základné registre:

Obr. 9:Registre senzora CDM7160-C00

Komunikácia pomocou I²C zbernice:

Kedže adresa registrov s údajmi o koncentrácii CO₂ nie je na začiatku adresného priestoru, potrebujeme pristupovať na konkrétnu adresu (0x03 a 0x04), aby sme mohli vyčítať údaje. Postupnosť dát po zbernici I²C je na obrázku č. 10.

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)

Obr. 11:Registre cdm7160 s údajmi o koncentrácii

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

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 CO₂ vo vzduchu.

Schéma zapojenia snímača a skutočné vyhotovenie

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.

#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);
}

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 CO₂ vo vzduchu.

Obr. 14:Hodnoty zo snímača CO₂

'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...