如何使用Arduino測量MQ氣體傳感器的PPM

從工業(yè)時(shí)代開始，我們?nèi)祟惥鸵恢痹谘杆侔l(fā)展。隨著每一次進(jìn)步，我們也污染了我們的環(huán)境，并最終使環(huán)境退化?，F(xiàn)在全球變暖是一個(gè)令人擔(dān)憂的威脅，甚至我們呼吸的空氣也變得至關(guān)重要。因此，空氣質(zhì)量監(jiān)測也開始變得越來越重要。因此，在本文中，我們將學(xué)習(xí)如何將任何MQ系列氣體傳感器與Arduino一起使用，并以PPM（百萬分之一）顯示輸出。PPM也表示為毫克/升（mg/L）。這些傳感器通?？捎?，對于測量如下所示的不同類型的氣體也很可靠

MQ 系列氣體傳感器

二氧化碳 ： MG-811

一氧化碳：MQ-9

總揮發(fā)性有機(jī)化合物（TVOC）：CCS811

二氧化碳當(dāng)量：CCS811

金屬氧化物： CCS811

氨： MQ-137

空氣質(zhì)量： MQ-135

液化石油氣、酒精、煙霧：MQ2

我們已經(jīng)將MQ2用于煙霧傳感，MQ-135用于空氣質(zhì)量監(jiān)測項(xiàng)目。在這里，我將使用sainsmart的MQ-137傳感器來測量氨（以ppm為單位）。有了傳感器，我瀏覽了所有可用的教程，發(fā)現(xiàn)沒有關(guān)于如何以ppm為單位測量氣體的適當(dāng)文檔。大多數(shù)教程要么只處理模擬值，要么介紹一些常數(shù)，這些常數(shù)對于測量所有類型的氣體都不可靠。因此，在網(wǎng)上擺弄了很長時(shí)間后，我終于找到了如何使用這些MQ系列氣體傳感器使用Arduino測量ppm的方法。我從底部解釋的內(nèi)容，沒有任何庫，以便您可以將本文用于任何可用的氣體傳感器。

準(zhǔn)備硬件：

MQ 氣體傳感器既可以作為模塊購買，也可以單獨(dú)作為傳感器購買。如果您的目的是僅測量ppm，那么最好單獨(dú)購買傳感器，因?yàn)樵撃K僅適用于使用數(shù)字引腳。因此，如果您已經(jīng)購買了該模塊，那么您必須執(zhí)行一個(gè)小技巧，這將進(jìn)一步討論?，F(xiàn)在，假設(shè)您已經(jīng)購買了傳感器。傳感器的引腳排列和連接如下所示

如您所見，您只需將“H”的一端連接到電源，將“H”的另一端連接到地面。然后結(jié)合 A 和兩個(gè) B。將一組連接到電源電壓，另一組連接到模擬引腳。電阻器 RL在使傳感器工作方面起著非常重要的作用。因此，請記下您正在使用的值，建議使用47k的值。

如果您已經(jīng)購買了模塊，那么您應(yīng)該跟蹤PCB走線以找到R的值L在董事會(huì)中。Grauonline已經(jīng)為我們完成了這項(xiàng)工作，下面給出了MQ氣體傳感器板的電路圖。

如您所見，電阻器RL（R2）連接在Aout引腳和接地之間，因此如果您有一個(gè)模塊，則值為RL可以通過在模塊的 Vout 引腳和 Vcc 引腳上使用電阻模式下的萬用表進(jìn)行測量。在我的sainsmart MQ-137 氣體傳感器中，RL 的值為 1K，位于下圖所示的位置。

但是，該網(wǎng)站聲稱它提供了一個(gè)可變的R電位器L正如您在電路圖中清楚地看到的那樣，這不是真的，電位器用于設(shè)置運(yùn)算放大器的可變電壓，與R無關(guān)L.因此，我們必須手動(dòng)焊接上面顯示的SMD電阻（1K），并且我們必須在接地和Vout引腳上使用自己的電阻器，該電阻器將充當(dāng)RL。RL 的最佳值將是數(shù)據(jù)表建議的 47K，因此我們將使用相同的值。

MQ氣體傳感器的PPM測量方法：

現(xiàn)在我們知道了 R 的值L讓我們繼續(xù)了解如何實(shí)際測量這些傳感器的ppm。像所有傳感器一樣，從數(shù)據(jù)表開始。MQ-137數(shù)據(jù)表在此處提供，但請確保您找到適合您的傳感器的正確數(shù)據(jù)表。在數(shù)據(jù)表中，我們只需要一個(gè)圖表，該圖表將針對（Rs / Ro）與PPM進(jìn)行繪制，這是我們計(jì)算所需的圖表。所以把它放在方便的地方。我的傳感器的那個(gè)如下所示。

事實(shí)證明，MQ137傳感器可以測量NH3，C2H6O甚至CO。但是，在這里我只對 NH3 的值感興趣。但是，您可以使用相同的方法來計(jì)算您喜歡的任何傳感器的ppm。這張圖是我們找到 ppm 值的唯一來源，如果我們能以某種方式計(jì)算 Rs/Ro（X 軸）的比率，我們可以使用此圖來查找 ppm（Y 軸）的值。要找到 Rs/Ro 的值，我們需要找到 Rs 的值和 Ro 的值。其中 Rs 是氣體濃度下的傳感器電阻，Ro 是清潔 Sir 中的傳感器電阻。

是的。。。這就是計(jì)劃，讓我們看看如何擺脫困境......

計(jì)算清潔空氣中的Ro值：

請注意，在圖中，Rs/Ro 的值對于空氣是恒定的（粗藍(lán)線），因此我們可以利用這一點(diǎn)來發(fā)揮我們的優(yōu)勢，并說當(dāng)傳感器在新鮮空氣中工作時(shí)，Rs/Ro 的值將為 3.6 參考下圖

Rs/Ro = 3.6

從數(shù)據(jù)表中，我們還得到了一個(gè)計(jì)算 Rs 值的公式。公式如下所示。如果你有興趣知道這個(gè)公式是如何得出的，你可以通過jay con系統(tǒng)閱讀，我也想感謝他們幫助我解決這個(gè)問題。

在這個(gè)公式中，Vc的值是我們的電源電壓（+5V），R的值是R的值。L是我們已經(jīng)計(jì)算過的那個(gè)（我的傳感器為 47K）。如果我們編寫一個(gè)小的Arduino程序，我們也可以找到V的值。RL最后計(jì)算 Rs 的值。我在下面給出了一個(gè)Arduino程序，該程序讀取模擬電壓（VRL） 并使用此公式計(jì)算 Rs 的值，最后將其顯示在串行監(jiān)視器中。該程序通過評論部分得到了很好的解釋，所以我在這里跳過了它的解釋，以使本文保持簡短。

/*
* Program to measure the value of R0 for a know RL at fresh air condition
* Program by: B.Aswinth Raj
* Dated: 28-12-2017
*/
//This program works best at a fresh air room with temperaure Temp: 20℃, Humidity: 65%, O2 concentration 21% and when the value of Rl is 47K

#define RL 47 //The value of resistor RL is 47K
void setup() //Runs only once
{
Serial.begin(9600); //Initialise serial COM for displaying the value
}

void loop() {
float analog_value;
float VRL;
float Rs;
float Ro;
for(int test_cycle = 1 ; test_cycle <= 500 ; test_cycle++) //Read the analog output of the sensor for 200 times
{
analog_value = analog_value + analogRead(A0); //add the values for 200
}
analog_value = analog_value/500.0; //Take average
VRL = analog_value*(5.0/1023.0); //Convert analog value to voltage
//RS = ((Vc/VRL)-1)*RL is the formulae we obtained from datasheet
Rs = ((5.0/VRL)-1) * RL;
//RS/RO is 3.6 as we obtained from graph of datasheet
Ro = Rs/3.6;
Serial.print("Ro at fresh air = ");
Serial.println(Ro); //Display calculated Ro
delay(1000); //delay of 1sec
}

注意：Ro的值會(huì)有所不同，允許傳感器預(yù)熱至少10小時(shí)，然后使用Ro的值。

我得出的結(jié)論是，對于我的傳感器，Ro 的值為30KΩ（當(dāng) RL為 47kΩ）。您的可能會(huì)略有不同。

測量 Rs 的值：

現(xiàn)在我們知道了 Ro 的值，我們可以使用上述兩個(gè)公式輕松計(jì)算 Rs 的值。請注意，之前計(jì)算的 Rs 值適用于新鮮空氣條件，當(dāng)空氣中存在氨時(shí)，該值將不同。計(jì)算 Rs 的值不是一個(gè)大問題，我們可以在最終程序中直接處理。

與PPM相關(guān)的Rs/Ro比率：

現(xiàn)在我們知道如何測量 Rs 和 Ro 的值，我們將能夠找到它的比率 （Rs/Ro）。然后我們可以使用圖表（如下所示）來關(guān)聯(lián) PPM 的相應(yīng)值。

雖然NH3線（青色）似乎是線性的，但實(shí)際上不是線性的。外觀是因?yàn)轺[片劃分不均勻。因此，Rs/Ro 和 PPM 之間的關(guān)系實(shí)際上是對數(shù)，可以用下面的等式表示。

log(y) = m*log(x) + b

where, y = ratio (Rs/Ro) x = PPM m = slope of the line b = intersection point

要找到 m 和 b 的值，我們必須考慮氣體管線上的兩個(gè)點(diǎn) （x1，y1） 和 （x2，y2）。在這里，我們正在處理氨，所以我考慮的兩點(diǎn)是（40，1）和（100，0.8），如上圖所示（標(biāo)記為紅色），帶有紅色標(biāo)記。

m = [log(y2) - log(y1)] / [log(x2) - log(x1)] m = log(0.8/1) / log(100/40)

m = -0.243

同樣，對于 （b），讓我們從圖中獲取中點(diǎn)值 （x，y），即 （70，0.75），如上圖所示（標(biāo)記為藍(lán)色）

b = log(y) - m*log(x) b = log(0.75) - (-0.243)*log(70)

b = 0.323

就是這樣，現(xiàn)在我們已經(jīng)計(jì)算了 m 和 b 的值，我們可以使用以下公式將 （Rs/Ro） 的值等同于 PPM

PPM = 10 ^ {[log(ratio) - b] / m}

Program to calculate PPM using MQ sensor:

Thecomplete programto calculate PPM using a MQ sensor is given below. Few important lines are explained below.

在繼續(xù)程序之前，我們需要輸入負(fù)載電阻 （RL）、斜率 （m）、截距 （b） 和新鮮空氣阻力 （Ro） 的值。獲取所有這些值的過程已經(jīng)解釋過了，所以現(xiàn)在讓我們輸入它們

#define RL 47 //The value of resistor RL is 47K #define m -0.263 //Enter calculated Slope #define b 0.42 //Enter calculated intercept #define Ro 30 //Enter found Ro value

然后讀取傳感器兩端的壓降（VRL）并將其轉(zhuǎn)換為電壓（0V至5V），因?yàn)槟M讀數(shù)將僅返回0到1024之間的值。

VRL = analogRead(MQ_sensor)*(5.0/1023.0); //Measure the voltage drop and convert to 0-5V

現(xiàn)在，計(jì)算了VRL的值，您可以使用上面討論的公式來計(jì)算Rs的值以及比率（Rs / Ro）

ratio = Rs/Ro; // find ratio Rs/Ro

最后，我們可以使用對數(shù)公式計(jì)算 PPM，并將其顯示在我們的串行監(jiān)視器上，如下所示

double ppm = pow(10, ((log10(ratio)-b)/m)); //use formula to calculate ppm Serial.print(ppm); //Display ppm

在具有Arduino和MQ-137的硬件上顯示PPM值：

所有的理論已經(jīng)足夠了，讓我們用傳感器和LCD構(gòu)建一個(gè)簡單的電路來顯示PPM中的氣體值。這里我使用的傳感器是MQ137，用于測量氨，我的設(shè)置的電路圖如下所示。

如電路圖所示連接傳感器和LCD，并上傳程序結(jié)束時(shí)給出的代碼。您必須如上所述修改 Ro 值。如果您使用除 4.7K 以外的任何其他電阻作為 RL，請同時(shí)更改參數(shù)值。

在獲取任何讀數(shù)之前，請至少讓設(shè)置通電 2 小時(shí)（建議 48 小時(shí)以獲得更準(zhǔn)確的值）。這段時(shí)間稱為加熱時(shí)間，在此期間傳感器預(yù)熱。在此之后，您應(yīng)該能夠看到 PPM 的值和 LCD 屏幕上顯示的電壓，如下所示。

現(xiàn)在為了確保這些值是否真的與氨的存在有關(guān)，讓我們將這個(gè)設(shè)置放在一個(gè)封閉的容器中，并將氨氣送入其中以檢查值是否在增加。我沒有合適的 PPM 儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，如果有人可以測試此設(shè)置并讓我知道，那就太好了。

/*

* Program to measure gas in ppm using MQ sensor

* Program by: B.Aswinth Raj

* Dated: 28-12-2017

*/

#define RL 47 //The value of resistor RL is 47K

#define m -0.263 //Enter calculated Slope

#define b 0.42 //Enter calculated intercept

#define Ro 20 //Enter found Ro value

#define MQ_sensor A0 //Sensor is connected to A4


#include //Header file for LCD from

const int rs = 8, en = 9, d4 = 10, d5 = 11, d6 = 12, d7 = 13; //Pins to which LCD is connected

LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);


void setup() {

lcd.begin(16, 2); //We are using a 16*2 LCD display

lcd.print("NH3 in PPM"); //Display a intro message

lcd.setCursor(0, 1); // set the cursor to column 0, line 1

lcd.print("-CircuitDigest"); //Display a intro message


delay(2000); //Wait for display to show info

lcd.clear(); //Then clean it

}


void loop() {


float VRL; //Voltage drop across the MQ sensor

float Rs; //Sensor resistance at gas concentration

float ratio; //Define variable for ratio



VRL = analogRead(MQ_sensor)*(5.0/1023.0); //Measure the voltage drop and convert to 0-5V

Rs = ((5.0*RL)/VRL)-RL; //Use formula to get Rs value

ratio = Rs/Ro; // find ratio Rs/Ro



float ppm = pow(10, ((log10(ratio)-b)/m)); //use formula to calculate ppm


lcd.print("NH3 (ppm) = "); //Display a ammonia in ppm

lcd.print(ppm);

lcd.setCursor(0, 1); // set the cursor to column 0, line 1

lcd.print("Voltage = "); //Display a intro message

lcd.print(VRL);


delay(200);

lcd.clear(); //Then clean it

}