А что внутри: детектор утечки газа

▍ введение

Притормозим с открытием САПР для проектирования печатных плат и IDE. Зададим несколько вопросов и соберём нужную нам информацию.

Негативные эффекты от воздействия СО₂ начинают проявляться, когда уже всё — приплыли. Даже если после их проявления проветрить помещение, то они сразу не уйдут и будут о себе напоминать ещё некоторое время (в моём случае это минут 20-30). Чтобы этого избежать нужно измерять уровень СО₂ и сигнализировать о повышенном уровне заранее.

Концентрация СО₂ измеряется в PPM. По сути, PPM это количество молекул СО₂ на миллион молекул другого газа, в нашем случае воздуха. Например, если концентрация равна 400ppm, то это значит, что в измеряемом объёме на каждый 1млн молекул приходится 400 молекул измеряемого газа.

Раз уж мы заговорили о концентрации, то нужно понять, при какой концентрации начинают наступать негативные эффекты. И тут нам поможет вот такая красивая картинка:

Концентрация СО₂ vs последствия

Как видно из шкалы уже при 1000 PPM начитают проявляться первые негативные эффекты, соответственно при этом значении нужно начинать наводить панику. При достижении 2500 PPM начинаются уже более серьёзные последствия, а 5000 ppm гарантировано заставят вас покинуть помещение и сходить за очередной кружкой чая.

Система обнаружения утечки газа на основе arduino с передачей оповещения по gsm

#include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(2,3,4,5,6,7);
#include <SoftwareSerial.h>
 
SoftwareSerial mySerial(9, 10);
 
int gasValue = A0;
int data = 0;
int buzzer = 13;
int G_led = 8;
int R_led = 9;


 
void setup()
{
  pinMode(buzzer,OUTPUT);
  pinMode(R_led,OUTPUT);
  pinMode(G_led,OUTPUT);
randomSeed(analogRead(0));
mySerial.begin(9600);
Serial.begin(9600);
lcd.begin(16,2);
pinMode(gasValue, INPUT);
lcd.print (" Gas Leakage ");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print (" Detector Alarm ");
delay(3000);
lcd.clear();
}
 
void loop()
{
 
data = analogRead(gasValue);
Serial.print("Gas Level: ");
Serial.println(data);
lcd.print ("Gas Scan is ON");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("Gas Level: ");
lcd.print(data);
delay(1000);
 
if ( data > 90)
{
  digitalWrite(buzzer, HIGH);
  digitalWrite(R_led, HIGH);
  digitalWrite(G_led, LOW);
SendMessage();
Serial.print("Gas detect alarm");
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Gas Level Exceed");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("SMS Sent");

delay(1000);
 
}
else
{
  digitalWrite(buzzer, LOW);
  digitalWrite(R_led, LOW);
  digitalWrite(G_led, HIGH);
Serial.print("Gas Level Low");
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Gas Level Normal");

delay(1000);
}
 
lcd.clear();
}
 
void SendMessage()
{
Serial.println("I am in send");
mySerial.println("AT CMGF=1");
delay(1000);
mySerial.println("AT CMGS=" 91xxxxxxxxxx"r");
delay(1000);
mySerial.println("Excess Gas Detected.");
mySerial.println(data);
delay(100);
mySerial.println((char)26);
delay(1000);
}

▍ выбор железа

Я решил использовать STM32F030 в качестве микроконтроллера для обработки данных с датчика. Да, у STM есть L версии микроконтроллеров, которые в разы меньше потребляют, но и цена у них в разы выше. На самом деле у меня их целая коробка и нужно их куда-то определять.

В качестве DC-DC для питания устройства возьмём L6920DTR. Не очень дорогой и требует минимум обвязки, да и эффективность заявлена неплохая — порядка 95%. С питанием тут не всё просто. Для питания датчика нужно 5В, а для питания МК 3.3В. Соответственно проще всего будет поднять напряжение до 5В при помощи DC-DC, а для питания МК опустить напряжение обычным линейным стабилизатором. При токах питания МК потери на стабилизаторе будут минимальные.

Для зарядки АКБ используем микросхему STC4054GR. Она имеет все необходимые нам плюшки в виде установки тока заряда и индикации. Сам аккумулятор выберем позже после разработки ПП, чтобы это всё дело влезло в корпус с максимальным использованием свободного места.

Дисплей возьмём 0.96 дюйма на базе SSD1306:

Дисплей на базе SSD1306

▍ датчик со₂

Начнём с самого основного — измерительного модуля. Разумеется, мы возьмём готовый OEM вариант, т.к. разрабатывать свой ну это крайне сложная задача и требует наличия людей намного умнее меня. Мой выбор пал на NDIR датчик MH-Z19B, т.к. его проще всего достать:

MH-Z19B

Относительно остальных компонентов это будет самая дорогая часть устройства не только в плане цены, но и в плане потребления. Давайте глянем его характеристики:

Остальные характеристики нас особо не интересуют. Т.к. датчик китайский, то разумеется там погрешность измерений 0% (сарказм).

Давайте немного поговорим о том, как он работает. Упрощённая схема выглядит так:

Схема работы датчика газов

Молекулы газа имеют свойство поглощать определённую длину волны. Разумеется, для каждого газа поглощаемая длина волны разная, это позволяет исключить влияние других газов на результат измерения.

В измеряемый объём помещается газ, и делается вспышка источником света. Свет проходит через измеряемый газ, и излучение поглощается молекулами по пути к детектору. Перед детектором стоит фильтр, который пропускает только нужную нам длину волны. В данном случае это длина волны, поглощаемая молекулами СО₂, и, если я не ошибаюсь, это 4.

Выглядит всё достаточно просто, но на самом деле это очень сложное устройство не только в плане обработки данных, но и в плане изготовления. По пути до детектора излучение должно поглощаться только молекулами газа, соответственно требуется обеспечить максимальное отражение нужного нам излучения от внутренних стенок ёмкости с газом. Это одна из многих проблем при производстве подобных устройств.

Продолжим ковырять наше устройство дальше.

▍ код, код, код

Я не буду описывать весь код (драйвер USART, работа с дисплеем и т.п.), расскажу о работе с MH-Z19B. Весь код можно глянуть на моём Github:

▍ разработка железа

Вжух и схема готова.

Местами есть конденсаторы на 25В, которые стоят в цепи 3.3В — это нормально. Дело в том, что при разработке схем я сначала отталкиваюсь от своих запасов и только потом иду в магазин.Схема (часть 1)Схема (часть 2)

В целом тут ничего особенного. Самая печатная плата получилась достаточно компактной и имеет размеры 55х45. Около 50% занимает сам датчик СО₂:

3D модель печатной платы

▍ разработка корпуса

3D модель корпуса

На лицевой части имеются 3 отверстия для светодиодов. Два верхних для индикации концентрации: жёлтый и красный. Жёлтый означает, что пора открыть окно, красный — пора бежать 🙂 Третье отверстие для светодиода индикации процесса заряда АКБ.

Также спереди и снизу имеются отверстия для циркуляции воздуха. Изначально я хотел сделать принудительную циркуляцию при помощи вентилятора. Микроконтроллер периодически запускал бы его и продувал датчик, но впоследствии отказался от этого. Не хочу, чтобы ночью он внезапно начал шуршать вентилятором, да и механические детали не очень надёжны (скрипят, шумят, в них постоянно что-то попадает).

Сзади имеется паз под саморезвинтболтгвоздь, на который его можно повесить на стену где-нибудь в офисе, например.

Устройство собирается как бутерброд. Сначала ставятся светодиоды и дисплей. Дисплей крепится за направляющие путём их оплавления, т.е. снять его без разрушения элементов корпуса не получится. Не очень хорошее решение, но если подумать «А зачем его вообще снимать оттуда?»

Крепление дисплея к корпусу

Дальше устанавливается основная плата. Она уже крепится на саморезы, т.к. в процессе отладки приходилось её часто снимать.

Установка ПП в корпус

Дальше ставится АКБ на плату и прижимается задней крышкой. Кстати, АКБ я выбрал на 1200мА — это самый толстый АКБ, который влез в этот корпус.

АКБ
Задняя крышка устройства

▍ результаты

Устройство получилось достаточно компактным, вполне можно брать с собой и носить в кармане. По потреблению немного скудно — 3 дня без подзарядки. Очень хотелось бы уменьшить частоту измерений до 0.1Гц, это позволило бы снизить потребление в разы, но увы. Ток заряда 300мА и заряжается до 100% за несколько часов.

Итоговая стоимость без учёта моего времени порядка 2000р (2021 год), из которых 60% это стоимость датчика СО₂.

В целом устройство выполняет свою функцию — напоминает о необходимости проветрить помещение и ситуаций вида «тут уже дышать нечем» стало намного меньше. Почему они не исчезли вовсе? «Вот сейчас допишу этот кусок функционала и прервусь», «Да-да ещё чуть-чуть» и.т.п (чтобы меня выгнать из-за компа, это нужно постараться) 🙂

Всем спасибо за внимание и дышите свежим воздухом.

▍ требования

Хорошо, у нас теперь есть концентрация, от которой мы можем отталкиваться при разработке. Теперь определимся с требованиями к устройству:

В целом достаточно стандартные требования.

Детектор

В рамках метода обнаружения газов необходимо создать коронный разряд. Для его создания используется специальное сопло. В сопле имеется внутренний электрод с острым концом для создания коронного разряда. Этот детектор утечки газа поставляется с запасным соплом, так как предполагается, что они рассчитаны только на 50 часов работы.

Детектор утечки газа за 200 рублей

Источник питания

Этот детектор утечек в качестве источника питания использует две батареи размера “C”. Для обеспечения стабильного питания напряжение от батарей идет через импульсный источник питания. Импульсный источник питания управляется микросхемой U4, регулятор напряжения в корпусе SOT-23-5. Выходное напряжение источника питания составляет 5 вольт.

Похоже, что единственные нагревающиеся компоненты на плате входят в состав импульсных источников питания. В середине изображения (выше) находится транзистор TIP41. Ниже и справа находится низковольтный импульсный источник питания.

Для генерации коронного разряда необходимо намного большее напряжения. Для получения этого высокого напряжения, этот прибор использует импульсную схему. Для коммутации входного напряжения используется транзистор TIP41. Частота коммутации транзистора составляет примерно 2 кГц. Затем полученные импульсы подаются на первичную обмотку трансформатора.

Благодаря коэффициенту трансформации мы получаем на выходе высокое напряжение. Это высокое напряжение затем выпрямляется с помощью полуволнового выпрямителя на диоде D$. Ниже приведена осциллограмма напряжения между коллектором и эмиттером транзистора.

Из-за чрезвычайно низкого выходного тока трансформатора, когда мы подключаем к высоковольтным выводам мультиметр с входным сопротивлением 10 МОм, напряжение падает. Поскольку выходной конденсатор этой схемы рассчитан на 1000 В, можно предположить, что генерируемое напряжение находится в диапазоне сотен вольт.

Микроконтроллер

Управление всем детектором утечки газа осуществляется микроконтроллером Microchip ATmega48P в 32-выводном квадратном корпусе (32-TQFP).

К микроконтроллеру подключен минимум пассивных компонентов. Например, нет внешнего кварцевого резонатора, что указывает на использование внутреннего генератора. На правой стороне печатной платы находится 7-контактный разъем, J4, который используется для первоначального программирования.

Печатная плата

Внутри этого детектора утечки газа находится одна печатная плата. Эта двухслойная плата с зеленой маской и белой шелкографией с обеих сторон. На плате расположены компоненты как монтажа через отверстия, так и поверхностного монтажа (все они расположены на одной стороне).

Также на плате есть изолирующая разводка для отделения высоковольтного трансформатора от остальной электроники.

Пользовательский интерфейс

Для управления различными настройками этого детектора утечек на передней панели детектора имеется сборка с шестью мембранными кнопками. Кроме того, эта сборка имеет полупрозрачные окна для светодиодных индикаторов. Эта клавиатура подключается к основной плате с помощью шлейфа из пяти проводов с шагом 0,1″ (2,54 мм).

Для индикации величины концентрации галогенных газов имеется семь светодиодов. Эти диоды двухцветные: зеленый и красный цвета. Они управляются отдельными транзисторами и ограничены по току резисторами по 100 Ом (входят в состав резисторных сборок).

Для звуковой сигнализации, говорящей о концентрации присутствующих газов, используется динамик. Это типовой электромагнитный громкоговоритель, маркировка на котором указывает, что его мощность составляет 0,5 Вт, а сопротивление – 8 Ом. Двухконтактный разъем подключен к разъему на печатной плате.

Для управления этим динамиком используется аудиоусилитель HWD4861. Этот усилитель, разработанный Chengdu Sino Microelectronics System Co., Ltd, CSMSC, предназначен для портативных потребительских товаров, игрушек. Он способен выдавать мощность до 1,1 Вт. Однако, в этом случае динамик всего на 0,5 Вт.

Шаг 1. комплектующие и инструменты

В целом стоимость проекта будет варьироваться в зависимости от качества деталей, которые вы хотите использовать. Но, к счастью, большинство комплектующих могут быть легко использованы для других проектов.

Первое, что вам нужно сделать, это собрать необходимые детали для нашего детектора газа Ардуино. Обычно, первым делом мы подбираем нужную электронику.

Инструменты:

1. пистолет для горячего клея
2. острый нож
3. металлическая линейка
4. некоторые инструменты рисования (в зависимости от ваших личных предпочтений)

Комплектующие:

1. Arduino Nano
2. USB-кабель
3. Датчик газа MQ-4
   
4. Дисплей (семисегментный индикатор)
   
5. Картон или другой материал для корпуса (вы можете использовать прилагаемый чертеж и распечатать его на толстой бумаге) или заказать трехмерный

Шаг 2. делаем корпус

Самый простой вариант сделать корпус – использовать картон. Можно воспользоваться рисунком ниже для создания корпуса.

Шаг 3. монтаж деталей детектора газа

На этом шаге добавляем детали в корпус детектора газа. На рисунках показано, как монтировать детали с помощью пистолета для горячего клея.

Как можно заметить были использованы небольшие кусочки картона, склеенные для прокладок и монтажных опор. Это особенно важно, если вы хотите, чтобы кнопка сброса на ардуине работала правильно. Обязательно надежно закрепляйте детали на месте, но все равно держите электронные контакты и кнопки чистыми.

Шаг 4. подключение

Как только у вас появятся все детали, вы можете их подключить. Подключите ардуино к датчику и дисплею в соответствии с приведенными ниже фото.

Подключение датчика (сенсора)

Подключение дисплея

Подключение делаем следующим образом:

Шаг 5. загрузка кода

Ардуино детектор газа нужно запрограммировать, это очень легко сделать. Мы используем программное обеспечение, представленное на официальном сайте Ардуино – www.arduino.cc.

Возьмите код или файл ниже и загрузите его в arduino.

int sensorValue;
int num;


      void setup()
      {
          pinMode(2, OUTPUT);
          pinMode(3, OUTPUT);
          pinMode(4, OUTPUT);
          pinMode(5, OUTPUT);
          pinMode(6, OUTPUT);
          pinMode(7, OUTPUT);
          pinMode(8, OUTPUT);
          pinMode(9, OUTPUT);
          Serial.begin(9600);      // sets the serial port to 9600
       }


      void loop()
      {
        sensorValue = analogRead(0);       // read analog input pin 0
        
              if (sensorValue < 400)      // if there is little or no gas detected display blinking lights
              {
                
                  digitalWrite(2, LOW);
                  digitalWrite(3, LOW);
                  digitalWrite(4, LOW);
                  digitalWrite(6, LOW);
                  digitalWrite(7, LOW);
                  digitalWrite(8, LOW);
                  digitalWrite(9, LOW);
                
              digitalWrite(3, LOW);
              digitalWrite(8, HIGH);
              delay(500);
              digitalWrite(8, LOW);
              digitalWrite(6, HIGH);
              delay(500);
              digitalWrite(6, LOW);
              digitalWrite(3, HIGH);
              delay(500);
              }
              else
              {
                  if (sensorValue >= 900)               // the value of the gas measurement between 400 and 900 is displayed (this part refers to the cases below) 
                  {num = 9;}
                  else if (sensorValue >= 800)
                  {num = 8;}
                  else if (sensorValue >= 700)
                  {num = 7;}
                  else if (sensorValue >= 600)
                  {num = 6;}
                  else if (sensorValue >= 500)
                  {num = 5;}
                  else if (sensorValue >= 400)
                  {num = 4;} 
              }
              
              if (sensorValue > 700)                // if there is a lot of gas detected, the dot on the led display will blink
              {
              digitalWrite(5, HIGH);
              delay(100);
              digitalWrite(5, LOW);
              delay(100);
              }  
        
        
                  switch (num)
                  {
                  case 9:
                  digitalWrite(2, LOW);
                  digitalWrite(3, HIGH);
                  digitalWrite(4, HIGH);
                  digitalWrite(6, HIGH);
                  digitalWrite(7, HIGH);
                  digitalWrite(8, HIGH);
                  digitalWrite(9, HIGH);
                  break;
                  case 8:
                  digitalWrite(2, HIGH);
                  digitalWrite(3, HIGH);
                  digitalWrite(4, HIGH);
                  digitalWrite(6, HIGH);
                  digitalWrite(7, HIGH);
                  digitalWrite(8, HIGH);
                  digitalWrite(9, HIGH);
                  break;
                  case 7:
                  digitalWrite(2, LOW);
                  digitalWrite(3, LOW);
                  digitalWrite(4, HIGH);
                  digitalWrite(6, LOW);
                  digitalWrite(7, HIGH);
                  digitalWrite(8, HIGH);
                  digitalWrite(9, HIGH);
                  break;
                  case 6:
                  digitalWrite(2, HIGH);
                  digitalWrite(3, HIGH);
                  digitalWrite(4, HIGH);
                  digitalWrite(6, HIGH);
                  digitalWrite(7, HIGH);
                  digitalWrite(8, HIGH);
                  digitalWrite(9, LOW);
                  break;
                  case 5:
                  digitalWrite(2, LOW);
                  digitalWrite(3, HIGH);
                  digitalWrite(4, HIGH);
                  digitalWrite(6, HIGH);
                  digitalWrite(7, HIGH);
                  digitalWrite(8, HIGH);
                  digitalWrite(9, LOW);
                  break;
                  case 4:
                  digitalWrite(2, LOW);
                  digitalWrite(3, LOW);
                  digitalWrite(4, HIGH);
                  digitalWrite(6, HIGH);
                  digitalWrite(7, HIGH);
                  digitalWrite(8, LOW);
                  digitalWrite(9, HIGH);
                  break;
                  }
        
        
      }

Шаг 6. тестирование

Теперь вы можете проверить свой детектор газа! Финальный вариант работы нашего детектора газа Ардуино можно увидеть на видео ниже:

Измените пороговые значения в коде, если вы не удовлетворены реакцией датчика.

Заключение

В этом детекторе много интересной электроники. При своей цене его внутренности довольно интересны, хотя качество сборки определенно не «промышленный класс». Спасибо, что прочитали очередную статью из серии «А что внутри?»!