🙌 🥦 👨🏼‍🎨 点缀MQ系列气体传感器-深入了解数据表和调试 😇 🗡️ 👩‍👧‍👧

购买一分钱的气体泄漏检测仪后，人们希望将架子上的所有东西都拆下来，找出里面发生了什么。关于传感器的信息和文章很多，但大多数仅限于标准中文模块的引脚排列，有时还包括操作原理。关于相对准确地确定那里的信息的绝对值。展望未来，我要说的是，我们将尝试从数据表中挤出所有内容，包括：确定“鹦鹉”的确切功能，温度和湿度校正以及一些选择的可能性。

例如，可燃气体传感器（主要是甲烷）MQ-4。简而言之，传感器元件由于其化学特性，会在不同的气体浓度下改变电阻，并充当分压器的电阻，通过该分压器我们可以通过ADC获得电压值。这些特性在传感器必须被加热的元件的特定温度下表现出来。

上面是传感器和分压器电路的示意图，其中H是加热线圈（33欧姆-约150 mA，对于带控制器的工艺品来说电流太大，在设计电源电路时必须考虑），AV是敏感元件的输出，其电阻可互换，取决于气体浓度，RL是数据手册中推荐的第二个分压电阻器-20 kOhm。

关于选择ADC参考电压（Vref）的评论

Hanwei Vc = 5 , Winsen – Vc < 24 . , 3.3 , , . 5 .

将ADC转换为ppm

在ADC分压器的输出端，我们采用电压值（Uadc），据此可以计算出传感器电阻Rs（知道分压器RL的第二个电阻的值），即确定传感器精确地传输给我们的信息：

R s = (V r e f \times R L) / U a d c - R L

$Rs = (Vref ×RL) / Uadc-RL$

使用Rs的值，我们已经可以根据数据表中的图表确定气体浓度。简单的Rs / Ro比值可用于确定浓度。Ro在这种情况下是在1000 ppm的检测气体浓度下传感器元件的电阻。

评论计算中的起点

«Ro: sensor resistance at 1000ppm of CH4 in the clean air»

, 1000 ppm. «» . , « » , , 1800 ppb ( 1.8 ppm, 1000 ppm). , 4.4 Rs/Ro.

在此阶段，由于采用了ADC和公式，我们只知道将要排斥的电流电阻（Rs）的值。我们将假设我们在校准温度和湿度（根据20数据表，65％）的清洁空气中（从检测到的气体中）对其进行了测量。稍后，将对进行校准的湿度提出有趣的评论。

因此，MQ-4传感器的参考值Ro为：

R o = R s / 4.4

$Ro=Rs/4.4$

评论烟雾选择

, , Rs/Ro – 1.8…0.43, – 3.8…2.6. . , , «» . . RsRo 2.8, «» :

实际气体浓度的计算因曲线图的曲率而有些复杂，并且缺少可用于调整该曲线图的独特控制点。同样，问题在于图像的低扩展，因此有必要逐个像素地确定控制点。

为了澄清计算，最明显的值在坐标网格上隔开。控制点决定了ppm对Rs / Ro的依赖性：

关于测量极限的评论

400…10000 ppm. (Winsen/Hanwei) 200 400 ppm, 400. ppm Rs/Ro, x = ppm/1000; y= (Rs/Ro)*10:

构造的图对应于以下功能：

因此，“鹦鹉”的数量由下式识别：

关于温度补偿的一点

根据以下数据表图表，可以知道，根据使用传感器的环境，读数与实际读数有所不同：

关于测量环境的典型湿度的评论

, = 65%. RsRo/ppm ( ppm) RsRo/Temp ( ). Rs/Ro = 1 ppm=1000 20, : 33% 65%. . , , 33%. .

为了更准确地确定指标对环境的依赖性，还构建了功能图，传感器的温度范围限制为-10°C ... +50°C（x = TEMP / 10； y = RsRo（误差）* 100）：

该图对应于以下功能：

f (x) = 0.83 x^{2} - 9.2 x + 25 - (0.3 \times H U M)

$f(x)=0.83x^2-9.2x+25-(0.3×HUM)$

基础是湿度为33％的曲线图（根据交叉点1的判断，它是校准曲线）。如果您注意湿度，则1％的湿度会使图表移动0.3 Y（调整RsRo的实际值将除以100-为清楚起见，在图表中使用了系数）。对于“零”湿度，“ + 25”将图形位置在Y中移动；对于实际湿度，“ 0.3 x HUM”返回Y位置。在极端温度下1％湿度的“重量”的某些变化意义不大，因此未考虑在内。

重要说明：如果在湿度为33％，温度为20度的干净空气中进行校准，则所有这些都适用。

可以通过以下公式计算出校正值RsRo（误差），需要将其添加到RsRo值中以补偿对环境的影响：

“带有星号”的任务是在非标准环境中校准时澄清补偿

, (20/33%), RsRo(error) :

Y – . X: . , , .

, , , .

, — .

要计算已经补偿的值：

我们将理论转移到微控制器

为了测试传感器，使用了STM32F407VET微控制器和HAL库，从BME280传感器接收了校正值。在头文件中，我们为设置定义一些常数值。

mq4.h

#ifndef MQ4_H_
#define MQ4_H_

int mq4_default_work (void); //   
int mq4_advanced_work (float temp, float hum); //   
int mq4_full_work (float temp, float hum, float temp_cal, float hum_cal); //      
int mq4_calib_Ro(void); // 
int mq4_get_adc (void); //   ,   

#define MQ4_ADC hadc1 //    
#define MQ4_ADC_PRECISION 4096 //     (4096 = 12 bit)
#define MQ4_REFERENCE_VOLTAGE 3.3f //  
#define MQ4_STATIC_RESISTOR 20000 //RL -     
#define MQ4_RO_DEF 13600 //Ro -   1000 ppm (RsRo=1),   
#define MQ4_HUM_WEIGHT 0.3f //     (  ) 
#define MQ4_AIR_RSRO 4.4f // RsRo    (   )
#endif /* MQ4_H_ */

mq4.c

mq4.c
#include "mq4.h"
#include "adc.h"
#include "math.h"

int mq4_Rs; //  
int mq4_adc_value; // 
float mq4_volts; // 
float mq4_RsRo; //  .  . 1000 ppm
float mq4_calib_value;  //   RsRo
float mq4_calib_value2; //   RsRo (    )

extern int mq4_Ro; //   1000ppm 
extern int mq4_temp_cal; //     
extern int mq4_hum_cal; //

PPM计算功能（无更正）

int mq4_default_work (void)
{
int ppm; 
int mq4_adc;
float volts;
int Rs;
float RsRo;
//  : 
mq4_adc = mq4_get_adc(); 
//   :
volts = mq4_adc/(MQ4_ADC_PRECISION/MQ4_REFERENCE_VOLTAGE); 
//    :
Rs = ((MQ4_REFERENCE_VOLTAGE * MQ4_STATIC_RESISTOR)/volts)- MQ4_STATIC_RESISTOR; 
//    :
RsRo = (float)Rs / (float)mq4_Ro; 

//   ( ,  ):
mq4_RsRo = RsRo; 
mq4_adc_value = mq4_adc; 
mq4_volts = volts; 
 
if (RsRo>0.437) //    (  )
 //     :
 {ppm = (pow((10/(RsRo*10)),(1/0.36152689)))*1000;} 
 //     -  9999 :
 else {ppm=9999;} 
 
 return (int)ppm;
}

Ppm计算功能，可补偿当前的温度和湿度

int mq4_advanced_work (float temp, float hum)
{
int ppm; 
int mq4_adc;
float volts;
int Rs;
float RsRo;
float K; // 

//   :
mq4_adc = mq4_get_adc(); 
//    :
volts = mq4_adc/(MQ4_ADC_PRECISION/MQ4_REFERENCE_VOLTAGE); 

//    
Rs = ((MQ4_REFERENCE_VOLTAGE * MQ4_STATIC_RESISTOR)/volts)- MQ4_STATIC_RESISTOR; 
//    :
RsRo = (float)Rs / (float)mq4_Ro;  
// :
K = ((0.83*(pow((temp/10),2)))-(9.2*(temp/10))+ 25 - (hum*MQ4_HUM_WEIGHT))/100; 
//  
RsRo = RsRo - K; 

//    (  )
if (RsRo>0.437) 
//     :
{ppm = (pow((10/(RsRo*10)),(1/0.36152689)))*1000;} 
//     -  9999ppm:
else {ppm=9999;}
 
//    ( ,  ):
mq4_RsRo = RsRo; 
mq4_calib_value = K; 
mq4_adc_value = mq4_adc; 
mq4_Rs = Rs; 

    return ppm;
 }

Ppm计算功能（具有温度/湿度补偿和校正校准介质）

int mq4_full_work (float temp, float hum, float temp_cal, float hum_cal) 
//:    ,       
{
int ppm; 
int mq4_adc;
float volts;
int Rs;
float RsRo;
float K;
//  :
temp = temp + (20 - temp_cal);  

//   : 
mq4_adc = mq4_get_adc(); 
//    :
volts = mq4_adc/(MQ4_ADC_PRECISION/MQ4_REFERENCE_VOLTAGE); 

//     :
Rs = ((MQ4_REFERENCE_VOLTAGE * MQ4_STATIC_RESISTOR)/volts)- MQ4_STATIC_RESISTOR; 
//  :
RsRo = (float)Rs / (float)mq4_Ro;  
//  (   - MQ4_HUM_WEIGHT*(hum_cal-33)          ): 
K = ((0.83*(pow((temp/10),2)))-(9.2*(temp/10))+ 25 - (hum*MQ4_HUM_WEIGHT)+(MQ4_HUM_WEIGHT*(hum_cal-33)))/100; //
//   RsRo:
RsRo = RsRo - K; 

if (RsRo>0.437) ppm = (pow((10/(RsRo*10)),(1/0.36152689)))*1000; 
else {ppm=9999;}

//    ( ,  ) 
mq4_RsRo = RsRo; 
mq4_calib_value2 = K; 
mq4_adc_value = mq4_adc; 
mq4_Rs = Rs; 

   return ppm;
 }

ADC值

int mq4_get_adc (void)
 {
 int mq4_adc_bits; 
 HAL_ADC_Start(&MQ4_ADC);
 HAL_ADC_PollForConversion(&MQ4_ADC,100);
 mq4_adc_bits = HAL_ADC_GetValue(&MQ4_ADC);
 HAL_ADC_Stop(&MQ4_ADC);
    return mq4_adc_bits;
 }

校准

int mq4_calib_Ro(void)
{
float mq4_adc_volts;
int Rs;
int Ro;
int mq4_adc;
mq4_adc = mq4_get_adc(); 
mq4_adc_volts = (float)mq4_adc/((float)MQ4_ADC_PRECISION/MQ4_REFERENCE_VOLTAGE); 
//     
Rs = (((float)MQ4_REFERENCE_VOLTAGE * (float)MQ4_STATIC_RESISTOR)/mq4_adc_volts)- (float)MQ4_STATIC_RESISTOR;
//    1000 ppm (      RsRo 4.4  MQ-4):
Ro = Rs/MQ4_AIR_RSRO;
   return Ro;
 }

main.c

#include "main.h"
#include "adc.h"
#include "gpio.h"
#include "mq4.h"

int ppm_def;  //ppm  
int ppm_adv;  //ppm     
int ppm_full;  //ppm        

float mq4_temp_cal = 20; //    
float mq4_hum_cal = 33; //    
extern float mq4_calib_value; //   RsRo
extern float mq4_calib_value2; //   RsRo c   

int mq4_Ro = MQ4_RO_DEF; //   1000ppm   
extern int mq4_Rs;   //    
extern int mq4_adc_value; // 
extern float mq4_volts; //   
extern float  mq4_RsRo; //   .  . 1000 ppm

//  :
float tf = 0.0f, hf = 0.0f; //     

int main(void)
{
 HAL_Init();
 MX_GPIO_Init();
 MX_ADC1_Init();
}

while (1)
{
 //    :
 ppm_def = mq4_default_work();              
 ppm_adv = mq4_advanced_work(tf,hf);
 ppm_full= mq4_full_work(tf,hf,mq4_temp_cal,mq4_hum_cal);
 //   : 
  if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY_1_GPIO_Port, KEY_1_Pin)==GPIO_PIN_RESET) 
   {
   mq4_Ro = mq4_calib_Ro(); // 
   mq4_temp_cal = tf;   //     
   mq4_hum_cal = hf;   //     
   }
}