Кое-что о погоде на Марсе или датчик качества воздуха MQ135

Собственно, нестерпимое желание приобрести именно этот датчик у меня появилось после чтения пламенных комментариев к посту о приборе AirMaster AM7. С одной стороны, прибор, конечно, хорош, но стоит на пару порядков дороже MQ135 — а это, как мы знаем, решающий фактор, когда хочется просто поиграться, а потом поставить игрушечку на полку.

К тому же, я решил, что мне вполне достаточно иметь под руками некоторую синтетическую оценку качества воздуха (более-менее соотносящуюся с реальностью), тогда как без абсолютных показателей как-нибудь обойдусь.



Датчик присылают в обычном антистатическом пакетике, который до этих дней не сохранился — да и было бы что сохранять, если уж задуматься. А то, что называют датчиком, здесь на самом деле датчик, размещенный на плате со всей необходимой (и не слишком необходимой) обвязкой.



По поводу необходимой обвязки документация нам говорит, что достаточно всего одного сопротивления:





На практике же схема выглядит очень похожей на найденную на просторах этого нашего интернета:



Разница, как видите, в том, что нагреватель включен через резистор, вместо подстроечника на выходе — постоянное сопротивление, ну и добавлен операционный усилитель, который, насколько я понял, используется в качестве компаратора. Порог срабатывания компаратора изменяется с помощью подстроечного резистора, а срабатывание при превышении порога (допустимой концентрации регистрируемых газов) отображается свечением зеленого светодиода.



Питается датчик от 5В, потребляет (по документации) менее 800 мВт. При этом надо понимать, что кушает он прилично, и львиная доля потребляемого тока идет на подогрев чувствительного элемента. Температура которого после нескольких часов работы выше предела регистрации бытовым термометром (т.е. больше 42C), на ощупь датчик теплый, но не обжигающий.

Несмотря на невысокую температуру корпуса, датчик прикрыт специальной сеточкой, предназначенной исключать возможность взрыва или возгорания горючих газов. Похожая защита в свое время применялась в шахтерских лампах.

Исходя из вышесказанного понятно, что в автономных системах применять датчик нецелесообразно: будучи постоянно включенным вместе с Arduino Mega, MQ135 этой модификации скушал аккумулятор в 10 Ач (ну, плюс-минус китайских Ач) менее чем за сутки. И, конечно, понятно, что если особенно прижмет сделать «автономку», включаться можно эпизодически — так это пожалуйста, я не запрещаю.

Но ест он все равно много. Измеренный мультиметром потребляемый ток составляет около 130 мА.

Размеры датчика (примерно) (ВхШхГ): 22х20х32 мм. Ноги датчика, как видите, по какой-то причине не обкусаны:



Как эта штуковина работает? Вот честно, я не знаю. Наверное, там какая-то магия и радужные единороги, но в документации почему-то говорится о том, что регистрируемые датчиком газы влияют на сопротивление принудительно подогреваемого измерительного элемента. Который подходит для обнаружения (согласно документации): аммиака (NH3), окисей азота (NOx), алкоголя (не указано какого, можно думать о всех спиртах), бензола, CO2, дыма и, как принято — etc.

Результат выдается в аналоговом виде на пин A0 и в дискретном (после компаратора) — на пин D0.

Отсюда вывод: аналоговый выход датчика подходит для наблюдения динамики качества воздуха, тогда как цифровой (D0) — для оповещения о превышении некоторого порога.

Второй вывод: теоретически для использования датчика не нужны вообще никакие библиотеки. Просто подключаем его, например, к Arduino и читаем состояние аналогового и/или цифрового выхода.

Ну вот хоть так:

#define analogPin A0 // аналоговый выход MQ135 подключен к пину A0 Arduino
#define digitalPin 3 // цифровой выход подключен к пину 3

float analogValue; // для аналогового значения
byte digitalValue; // для цифрового значения, можно, кстати и boolean, но не суть

void setup() {

Serial.begin(9600); // инициализация последовательного порта
pinMode(analogPin, INPUT); // режим работы аналогового пина
pinMode(digitalPin, INPUT); // режим работы цифрового пина
delay(1000); // устаканимся
}

void loop() {

  analogValue = analogRead(analogPin); // чтение аналогового значения
  digitalValue = digitalRead(3); // чтение цифрового значения

  Serial.print("Current value: "); // вывод аналогового значения в последовательный порт
  Serial.println(analogValue);
  
  Serial.print("Threshold: "); // вывод цифрового значения в аналоговый порт
  Serial.println(digitalValue);

 delay(5000); // задержка, чтобы не мельтешило перед глазами

}

Кроме того, прямо на плате есть и светодиод, показывающий работу компаратора, что, опять же чисто теоретически позволяет использовать датчик вообще без каких-либо контроллеров. Если, конечно, удастся подобрать нужный порог срабатывания компаратора.

Внимательный читатель может догадаться, что в первую очередь я подключил MQ135 к плате Arduino Mega и посмотрел, что там на аналоговом и цифровом выходах. Там, в общем, никаких особых сюрпризов. Ну, кроме того, что когда светодиод компаратора горит, на цифровом выходе на самом деле 0. Особой роли это не играет, но перфекционистам придется туго.

Показания аналогового выхода в нормальной атмосфере, судя по всему, находятся в нижней трети диапазона измерений ЦАП Arduino. Состояние цифрового выхода зависит от положения подстроечного резистора и, конечно, качества воздуха.

Вот так выглядит «подышать в трубочку»:



А так как аппетит приходит во время еды, то следующим делом я поискал библиотеку, которая позволила получить хотя бы примерную концентрацию CO2 в воздухе. Нашел вот такую.

Теория, которая стоит за библиотекой гласит следующее: диоксид углерода, он же CO2 — четвертый по распространенности газ в атмосфере Земли. Остальные регистрируемые датчиком вещества в газообразном состоянии встречаются (на наше счастье) гораздо, гораздо реже. Но при этом чувствительность ко всем этим газам у MQ135 примерно одинаковая, что, в принципе, позволяет использовать его в первую очередь как датчик CO2.

В результате пользоваться библиотекой очень просто, но есть нюансы. Первый вытекает из той же документации по датчику, которая настаивает на 24-часовом прогреве датчика перед его реальным использованием. Второй же заключается в том, что по умолчанию библиотека рассчитана на нагрузочное сопротивление в 10 кОм, тогда как мой экземпляр платы укомплектован резистором в 1 кОм.

По счастью, второе легко решается редактированием кода библиотеки — спасибо Георгу Крокеру, что он подумал и о такой мелочи. Я же замечу, что калибровать следует только после того, как убедитесь, что в коде библиотеки задано верное значение сопротивления, иначе калибровочные данные вас удивят.

Итак, датчик прогрет, сопротивление задано верно. Что дальше? Дальше его нужно откалибровать, для чего пишем небольшой код, который набирает статистику по калибровочным данным и выставляем всю конструкцию на свежий воздух, при предпочтительной температуре около 20С на полчаса или около того.

Вот комбинированный код, чтобы посмотреть текущие и/или калибровочные данные:

#include <MQ135.h> // подключение библиотеки

#define analogPin A0 // аналоговый выход MQ135 подключен к пину A0 Arduino

MQ135 gasSensor = MQ135(analogPin); // инициализация объекта датчика

void setup() {

  Serial.begin(9600); // последовательный порт для отображения данных
  delay(1000); // устаканимся

}

void loop() {

 float ppm = gasSensor.getPPM(); // чтение данных концентрации CO2
 Serial.println(ppm); // выдача в последовательный порт

 float rzero = gasSensor.getRZero(); // чтение калибровочных данных
 Serial.println(rzero); // выдача в последовательный порт

 delay(5000); // просто задержка, чтобы не мельтешило перед глазами

}

Затем усредняем полученные (калибровочные) показатели, добавляем их в ту же библиотеку (заменив оригинальное значение калибровки) и наслаждаемся показаниями, заявленными близкими ко всеми любимым ppm, но не забываем про магию и радужных единорогов.

На всякий случай сообщаю, что «добавляем в библиотеку» означает редактирование приведенных ниже строк в файле MQ135.h библиотеки MQ135:

/// The load resistance on the board
#define RLOAD 1.0
/// Calibration resistance at atmospheric CO2 level
 #define RZERO 396.57

Здесь, например, уже задано актуальное для платы сопротивление и полученный опытным путем индекс калибровки. Индекс настоятельно рекомендую посчитать, поскольку он может быть разным для разных экземпляров датчика.

К великому сожалению, узнать, насколько актуальны показания получившейся системы, я не могу: специального прибора у меня нет, а на сайте Мосэкомониторинга данные о концентрации CO2 в моем районе не приводятся. Да и вообще особо не приводятся, поскольку этот газ, похоже, не считается загрязняющим.

Но хочу заметить, что датчик выдает довольно стабильные показания, которые также очень неплохо соотносятся с происходящим. К примеру, на приведенной ниже иллюстрации видно, как показания довольно резко пошли наверх, когда в комнате закрыли окно (около 18:00), и как они не менее стремительно стали снижаться, когда окно открыли (около 20:00):



Что касается цифрового выхода и компаратора, то его работа мне не очень понравилась, поскольку в обычных условиях он начинает срабатывать уже в самом начале (или конце — как посмотреть) диапазона регулировки подстроечного резистора.



Если найти какой-нибудь нормированный генератор CO2, тогда можно еще поиграться с настройкой, но где же такую фиговину найдешь? Другое дело — ненормированный, в качестве которого можно использовать себя любимого: дыхнешь — лампочка загорелась.

И хотя может показаться, что именно так я и планирую развлекать себя в ближайшее время, но нет. Пока что строю амбициозные планы на прибор для автоматического проветривания на основе температуры внутри/снаружи и качества воздуха внутри помещения.

Если удастся найти подходящий привод окна и справиться с управлением — доложу отдельно.

ps. как обычно, в комментариях приветствуются чад кутежа и всяческий угар ссылки на более интересную цену, любопытные аналоги с учетом заявленной цели, ваши изделия, мысли о том, как лучше откалибровать MQ135 и предложения одолжить для этой благородной задачи ваш измерительный прибор. Ну и вообще.