MQ7 giao tiếp STM32, Cảm biến khí CO MQ7 + Lcd1602 + Loa + STM

cam-bien-khi-CO-mq7-giao-tiep-stm32-kich-loa-5v

MQ7 giao tiếp STM32 là dùng Cảm biến khí CO MQ-7 là cảm biến bán dẫn có giá rẻ có khả năng phát hiện khí carbon monoxide có nồng độ từ 10 đến 1000 ppm. Vật liệu tạo ra cảm biến là từ chất SnO2, có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch. Cảm biến khí CO MQ7 có độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh. Có 2 dạng tín hiệu ngõ ra là analog và digital. Cảm biến có thể hoạt động được ở nhiệt độ từ: -20 độ C đến 50 độ C và tiêu thụ dòng khoảng 150mA tại 5V. Tuổi thọ cao, chi phí thấp.

 

Liên hệ làm Đồ án và Mạch điện tử

 

1. Linh kiện cần thiết làm mạch đọc cảm biến khí CO MQ7 giao tiếp STM32

1.1 Vi điều khiển STM trong mạch đọc cảm biến khí CO MQ7 giao tiếp STM32

a. Giới thiệu

STM32 là một trong những dòng chip phổ biến của ST với nhiều họ thông dụng như F0,F1,F2,F3,F4….. Stm32f103 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3. STM32F103 là vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa là 72Mhz. Giá thành cũng khá rẻ so với các loại vi điều khiển có chức năng tương tự. Mạch nạp cũng như công cụ lập trình khá đa dạng và dễ sử dụng.

Một số ứng dụng chính: dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay và thuốc, máy tính và thiết bị ngoại vi chơi game, GPS cơ bản, các ứng dụng trong công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ… Phần mềm lập trình: có khá nhiều trình biên dịch cho STM32 như IAR Embedded Workbench, Keil C… Ở đây mình sử dụng Keil C nên các bài viết sau mình chỉ đề cập đến Keil C. review-do-an-stm-stm32f103

Thông tin khác

Vi xử lý có rất nhiều loại bắt đầu từ 4 bit cho đến 32 bit, vi xử lý 4 bit hiện nay không còn nhưng vi xử lý 8 bit vẫn còn mặc dù đã có vi xử lý 64 bit. Lý do sự tồn tại của vi xử lý 8 bit là phù hợp với một số yêu cầu điều khiển trong công nghiệp. Các vi xử lý 32 bit, 64 bit thường sử dụng cho các máy tính vì khối lượng dữ liệu của máy tính rất lớn nên cần các vi xử lý càng mạnh càng tốt. Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp sử dụng các vi xử lý 8 bit hay 16 bit như hệ thống điện của xe hơi, hệ thống điều hòa, hệ thống điều khiển các dây chuyền sản xuất, … các ứng dụng của vi điều khiển

b. Sơ lược về STM32:

  • 1 cổng Mini USB dùng để cấp nguồn, nạp cũng như debug.
  • 2 MCU bao gồm 1 MCU nạp và 1 MCU dùng để lập trình.
  • Có chân Output riêng cho các chân mạch nạp trên MCU1.
  • Có chân Output đầy đủ cho các chân MCU2.
  • Chân cấp nguồn ngoài riêng cho MCU2 nếu không sử dụng nguồn từ USB.
  • Thạch anh 32,768khz dùng cho RTC và Backup.
  • Chân nạp dùng cho chế độ nạp boot loader.
  • Nút Reset ngoài và 1 led hiển thị trên chân PB9, 1 led báo nguồn cho MCU2.
review-do-an-stm-stm32f103-nguyen-bang

c.Thông số kỹ thuật STM32

  • Vi điều khiển: STM32F103C8T6.
  • Điện áp cấp 5VDC qua cổng Micro USB sẽ được chuyển đổi thành 3.3VDC qua IC nguồn và cấp cho Vi điều khiển chính.
  • Tích hợp sẵn thạch anh 8Mhz.
  • Tích hợp sẵn thạnh anh 32Khz cho các ứng dụng RTC.
  • Ra chân đầy đủ tất cả các GPIO và giao tiếp: CAN, I2C, SPI, UART, USB,…
  • Tích hợp Led trạng thái nguồn, Led PC13, Nút Reset.
  • Kích thước: 53.34 x 15.24mm
  •  Sử dụng với các mạch nạp:
    • ST-Link Mini
    • J-link
    • USB TO COM
  • Kết nối chân khi nạp bằng ST-Link Mini
  • Nạp theo chuẩn SWD
    • TCK — SWCLK
    • TMS — SWDIO
    • GND — GND
    • 3.3V — 3.3V

d. Cấu hình 

  • ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72Mhz.
  • Bộ nhớ:
    • 64 kbytes bộ nhớ Flash(bộ nhớ lập trình).
    • 20kbytes SRAM.
  • Clock, reset và quản lý nguồn.
    • Điện áp hoạt động 2.0V -> 3.6V.
    • Power on reset(POR), Power down reset(PDR) và programmable voltage detector (PVD).
    • Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz -> 20Mhz.
    • Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40khz.
    • Sử dụng thạch anh ngoài 32.768khz được sử dụng cho RTC.
  • Trong trường hợp điện áp thấp:
    • Có các mode :ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ chờ.
    • Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin để hoạt động bộ RTC và sử dụng lưu trữ data khi mất nguồn cấp chính.
  • 2 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ.
    • Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6V.
    • Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh.
    • Có cảm biến nhiệt độ nội.
  • DMA: bộ chuyển đổi này giúp tăng tốc độ xử lý do không có sự can thiệp quá sâu của CPU.
    • 7 kênh DMA.
    • Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART.
  • 7 timer.
    • 3 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM.
    • 1 timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ như ngắt input, dead-time..
    • 2 watdog timer dùng để bảo vệ và kiểm tra lỗi.
    • 1 sysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho các ứng dụng như hàm Delay….
  • Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm:
    • 2 bộ I2C(SMBus/PMBus).
    • 3 bộ USART(ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control).
    • 2 SPIs (18 Mbit/s).
    • 1 bộ CAN interface (2.0B Active)
    • USB 2.0 full-speed interface
  • Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID.

e.Bộ nhớ

Vi điều khiển ATmega328:
  • 64 KB bộ nhớ Plash: trong đó bootloader chiếm 0.5KB.
  • 20 KB cho SRAM: (Static Random Access Menory): giá trị các biến khai báo sẽ được lưu ở đây. Khai báo càng nhiều biến thì càng tốn nhiều bộ nhớ RAM. Khi mất nguồn dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
  • 1 KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): Là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây và không bị mất dữ liệu khi mất nguồn.

1.2 Cảm biến khí CO MQ7 giao tiếp STM32

a. Giới thiệu khí CO MQ7 giao tiếp STM32

Cảm biến khí CO MQ-7 là cảm biến bán dẫn có giá rẻ có khả năng phát hiện khí carbon monoxide có nồng độ từ 10 đến 1000 ppm. Vật liệu tạo ra cảm biến là từ chất SnO2, có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch. Cảm biến khí CO MQ7 có độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh. Có 2 dạng tín hiệu ngõ ra là analog và digital. Cảm biến có thể hoạt động được ở nhiệt độ từ: -20 độ C đến 50 độ C và tiêu thụ dòng khoảng 150mA tại 5V. Tuổi thọ cao, chi phí thấp. cam-bien-khi-CO-mq7-giao-tiep-arduino-nano-kich-loa-5v-1 MQ7 giao tiếp STM32

b. Thông số kỹ thuật cảm biến khí CO MQ7

  • Điện áp cung cấp: 3 ~ 5V DC.
  • Sử dụng chip so sánh LM393 và MQ-7.
  • Hai dạng tín hiệu đầu ra (digital và analog).
  • Tín hiệu analog từ 0~5V.
  • Dải phát hiện từ 10 đến 1000ppm.
  • Công suất tiêu thụ: khoảng 350mW.
  • Nhiệt độ hoạt động: -10C đến 50C.
  • Kích thước: 33 x 20 x 16mm.

c. Các loại khí phát hiện của cảm biến khí khí CO MQ7

  • LPG ( Khí hóa lỏng)
  •  Khí CO
  •  Methane
  •  Alcohol
  •  Khí gas
  •  Khói.
  • iso-butan
  • propan

d. Nguyên lý hoạt động cảm biến khí CO MQ7 giao tiếp STM32

Cảm biến MQ-7 (Gas sensor) đo khí CO chuyển thành điện áp đưa ra chân AOUT. Biến trở trên Module có chức năng điều chỉnh điện áp tham chiếu (ngưỡng), khi cảm biến MQ-6 phát hiện khí CO đến ngưỡng thì chân DOUT sẽ đảo trạng thái.

e. Sơ đồ chân cảm biến khí CO MQ7

  • VCC ↔ 2.5V ~ 5.0V
  • GND ↔ GND
  • AOUT ↔ MCU.IO (dùng tín hiệu analog)
  • DOUT ↔ MCU.IO (dùng tín hiệu số)

f. Định nghĩa khí CO

CO (hay còn gọi Cacbon mônôxít) : Khí không màu, không mùi, không vị, nặng hơn không khí, nên hay lắng đọng dưới mặt đất hay các hố sâu. Là sản phẩm trong sự cháy không hoàn toàn của các bon và các hợp chất chứa các bon như xăng, dầu, gỗ… Cacbon mônôxít có độc tính cao, cực kỳ nguy hiểm với sức khỏe con người. nếu bị hít một lượng lớn sẽ gây thương tổn cho cơ thể. Chính vì thế việc giám sát khí CO rất quan trọng để bảo vệ sưc khỏe người lao động, đặc biệt những nơi làm việc kín như hầm lò, nhà máy ..

g. Tính năng cảm biến khí CO MQ7

  • Cảm biến MQ-7 có thể phát hiện khí CO tập trung những nơi khác nhau từ 10 đến 1000ppm
  • Cảm biến này với độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh. Tín hiệu ngõ ra dạng analog và digital. Cảm biến có thể hoạt động được ở nhiệt độ từ khoảng: -10C đến 50C và tiêu thụ dòng khoảng 150mA tại 5V.
  • Tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng nên chúng ta sẽ lựa chọn cho mình một bộ sản phẩm sao cho phù hợp

1.3 Còi Buzzer 5V cảm biến khí CO MQ7 giao tiếp STM32

a. Giới thiệu

Còi Buzzer 5VDC có tuổi thọ cao, hiệu suất ổn định, chất lượng tốt, được sản xuất nhỏ gọn phù hợp thiết kế với các mạch còi buzzer nhỏ gọn, mạch báo động.

cam-bien-lua-flame-hien-thi-lcd1602-1 MQ7 giao tiếp STM32

b. Thông số kỹ thuật

  • Nguồn : 3.5V – 5.5V
  • Dòng điện tiêu thụ: <25mA
  • Tần số cộng hưởng: 2300Hz ± 500Hz
  • Biên độ âm thanh: >80 dB
  • Nhiệt độ hoạt động:-20 °C đến +70 °C
  • Kích thước : Đường kính 12mm, cao 9,7mm

2. Hướng dẫn đồ án cảm biến khí CO MQ7 giao tiếp STM32 hiển thị LCD1602

Phần này chưa được chia sẻ.

LIÊN HỆ thông tin ở TẠI ĐÂY để được hổ trợ tốt hơn.

Phần cứng

cam-bien-khi-CO-mq7-giao-tiep-arduino-nano-kich-loa-5v

Phần mềm

int time_scale = 8; //time scale: we altered main system timer, so now all functions like millis(), delay() etc 

void setTimer0PWM(byte chA, byte chB) //pins D5 and D6
{
  TCCR0A = 0b10110011; //OCA normal,OCB inverted, fast pwm
  TCCR0B = 0b010; //8 prescaler - instead of system's default 64 prescaler - thus time moves 8 times faster
  OCR0A = chA; //0..255
  OCR0B = chB;
}

void setTimer2PWM(byte chA, byte chB) //pins D11 and D3
{
  TCCR2A = 0b10100011; //OCA,OCB, fast pwm
  TCCR2B = 0b001; //no prescaler
  OCR2A = chA; //0..255
  OCR2B = chB;
}

void setTimer1PWM(int chA, int chB) //pins D9 and D10
{
  TCCR1A = 0b10100011; //OCA,OCB, fast pwm
  TCCR1B = 0b1001; //no prescaler
  OCR1A = chA; //0..1023
  OCR1B = chB;
}

float opt_voltage = 0;
byte opt_width = 240; //default reasonable value

void pwm_adjust()
{
  float previous_v = 5.0; //voltage at previous attempt
  float raw2v = 5.0 / 1024.0;//coefficient to convert Arduino's 
  for(int w = 0; w < 250; w++)
  {
    setTimer2PWM(0, w);
    float avg_v = 0;
    for(int x = 0; x < 100; x ++) //measure over about 100ms to ensure stable result
    {
      avg_v += analogRead(A1);
      delay(time_scale);
    }
    avg_v *= 0.01;
    avg_v *= raw2v;
    Serial.print("adjusting PWM w=");
    Serial.print(w);
    Serial.print(", V=");
    Serial.println(avg_v);
    if(avg_v < 3.6 && previous_v > 3.6) //we found optimal width
    {
      float dnew = 3.6 - avg_v; //now we need to find if current one
      float dprev = previous_v - 3.6;//or previous one is better
      if(dnew < dprev) //if new one is closer to 1.4 then return it
      {
        opt_voltage = avg_v;
        opt_width = w;
        return;
      }
      else //else return previous one
      {
        opt_voltage = previous_v;
        opt_width = w-1;
        return;
      }
    }
    previous_v = avg_v;
  }
}

float alarm_ppm_threshold = 100; //threshold CO concentration for buzzer alarm to be turned on,
float red_threshold = 40; //threshold when green LED is turned on red turns on
float reference_resistor_kOhm = 10.0; //fill correct resisor value if you are using not 10k reference

float sensor_reading_clean_air = 620; //fill raw sensor value at the end of measurement phase (before heating starts) in clean air here! That is critical for proper calculation
float sensor_reading_100_ppm_CO = -1; //if you can measure it 

float sensor_100ppm_CO_resistance_kOhm; //calculated from sensor_reading_100_ppm_CO variable
float sensor_base_resistance_kOhm; //calculated from sensor_reading_clean_air variable

byte phase = 0; //1 - high voltage, 0 - low voltage, we start from measuring
unsigned long prev_ms = 0; //milliseconds in previous cycle
unsigned long sec10 = 0; //this timer is updated 10 times per second,

unsigned long high_on = 0; //time when we started high temperature cycle
unsigned long low_on = 0; //time when we started low temperature cycle
unsigned long last_print = 0; //time when we last printed message in serial

float sens_val = 0; //current smoothed sensor value
float last_CO_ppm_measurement = 0; //CO concentration at the end of previous measurement cycle

float raw_value_to_CO_ppm(float value)
{
  if(value < 1) return -1; //wrong input value
  sensor_base_resistance_kOhm = reference_resistor_kOhm * 1023 / sensor_reading_clean_air - reference_resistor_kOhm;
  if(sensor_reading_100_ppm_CO > 0)
  {
    sensor_100ppm_CO_resistance_kOhm = reference_resistor_kOhm * 1023 / sensor_reading_100_ppm_CO - reference_resistor_kOhm;
  }
  else
  {
    sensor_100ppm_CO_resistance_kOhm = sensor_base_resistance_kOhm * 0.25;
  }
  float sensor_R_kOhm = reference_resistor_kOhm * 1023 / value - reference_resistor_kOhm;
  float R_relation = sensor_100ppm_CO_resistance_kOhm / sensor_R_kOhm;
  float CO_ppm = 134 * R_relation - 35;
  if(CO_ppm < 0) CO_ppm = 0;
  return CO_ppm;
}

void startMeasurementPhase()
{
  phase = 0;
  low_on = sec10;
  setTimer2PWM(0, opt_width);
}

void startHeatingPhase()
{
  phase = 1;
  high_on = sec10;
  setTimer2PWM(0, 255);
}
void setLEDs(int br_green, int br_red)
{
  if(br_red < 0) br_red = 0;
  if(br_red > 100) br_red = 100;
  if(br_green < 0) br_green = 0;
  if(br_green > 100) br_green = 100;

  float br = br_red;
  br *= 0.01;
  br = (exp(br)-1) / 1.7183 * 1023.0;
  float bg = br_green;
  bg *= 0.01;
  bg = (exp(bg)-1) / 1.7183 * 1023.0;
  if(br < 0) br = 0;
  if(br > 1023) br = 1023;
  if(bg < 0) bg = 0;
  if(bg > 1023) bg = 1023;

  setTimer1PWM(1023-br, 1023-bg);
}
void buzz_on()
{
  setTimer0PWM(128, 128);
}
void buzz_off()
{
  setTimer0PWM(255, 255);
}
void buzz_beep()
{
  byte sp = sec10%15;
  if(sp == 0)
    buzz_on();
  if(sp == 1)
    buzz_off();
  if(sp == 2)
    buzz_on();
  if(sp == 3)
    buzz_off();
  if(sp == 4)
    buzz_on();
  if(sp == 5)
    buzz_off();
}

void setup() {

  pinMode(5, OUTPUT);
  pinMode(6, OUTPUT);
  pinMode(3, OUTPUT);
  pinMode(9, OUTPUT);
  pinMode(10, OUTPUT);
  pinMode(A0, INPUT);
  pinMode(A1, INPUT);
  setTimer1PWM(1023, 0);
  analogReference(DEFAULT);
  Serial.begin(9600);

  pwm_adjust();

  Serial.print("PWM result: width ");
  Serial.print(opt_width);
  Serial.print(", voltage ");
  Serial.println(opt_voltage);
  Serial.println("Data output: raw A0 value, heating on/off (0.1 off 1000.1 on), CO ppm from last measurement cycle");
  //beep buzzer in the beginning to indicate that it works
  buzz_on();
  delay(100*time_scale);
  buzz_off();
  delay(100*time_scale);
  buzz_on();
  delay(100*time_scale);
  buzz_off();
  delay(100*time_scale);
  buzz_on();
  delay(100*time_scale);
  buzz_off();
  delay(100*time_scale);

  startMeasurementPhase(); //start from measurement
}

void loop() 
{
  unsigned long ms = millis();
  int dt = ms - prev_ms;
  if(dt > 100*time_scale || dt < 0) 
  {
    prev_ms = ms; //store previous cycle time
    sec10++; //increase 0.1s counter
    if(sec10%10 == 1) //we want LEDs to blink periodically
    {
      setTimer1PWM(1023, 1023); //blink LEDs once per second
      //use %100 to blink once per 10 seconds, %2 to blink 5 times per second
    }
    else //all other time we calculate LEDs and buzzer state
    {
      int br_red = 0, br_green = 0; //brightness from 1 to 100, setLEDs function handles converting it into timer settings
      if(last_CO_ppm_measurement <= red_threshold) //turn green LED if we are below 30 PPM
      {//the brighter it is, the lower concentration is
        br_red = 0; //turn off red
        br_green = (red_threshold - last_CO_ppm_measurement)*100.0/red_threshold; //the more negative is concentration, the higher is value
        if(br_green < 1) br_green = 1; //don't turn off completely
      }
      else //if we are above threshold, turn on red one
      {
        br_green = 0; //keep green off
        br_red = (last_CO_ppm_measurement-red_threshold)*100.0/red_threshold; //the higher is concentration, the higher is this value
        if(br_red < 1) br_red = 1; //don't turn off completely
      }

      if(last_CO_ppm_measurement > alarm_ppm_threshold) //if at 50 seconds of measurement cycle we are above threshold 
        buzz_beep();
      else
        buzz_off();

      setLEDs(br_green, br_red); //set LEDs brightness
    }
  }
  if(phase == 1 && sec10 - high_on > 600) //60 seconds of heating ended?
    startMeasurementPhase();
  if(phase == 0 && sec10 - low_on > 900) //90 seconds of measurement ended?
  {
    last_CO_ppm_measurement = raw_value_to_CO_ppm(sens_val);
    startHeatingPhase();
  }

  float v = analogRead(A0); //reading value
  sens_val *= 0.999; //applying exponential averaging using formula
  sens_val += 0.001*v; // average = old_average*a + (1-a)*new_reading
  if(sec10 - last_print > 9) //print measurement result into serial 2 times per second
  {
    last_print = sec10;
    Serial.print(sens_val);
    Serial.print(" ");
    Serial.print(0.1 + phase*1000);
    Serial.print(" ");
    Serial.println(last_CO_ppm_measurement);
  }
}
 

3. Hoạt động của mạch đọc cảm biến khí CO MQ7

Khi cấp điện hệ thống hoạt động, vi điều khiển đưa tín hiệu ban đầu cho lcd1602 hiển thị thông tin người dùng, lúc này vi điều khiển chờ tín hiệu được gửi vào từ cảm biến khí ga MQ7 về giá trị Analog và Digital. Khi nhận được tín hiệu vi điều khiển xử lý và gửi giá trị nồng độ đọc được từ khí ga ra ngoài màn hình để hiển thị giá trị, và hiển thị chỉ số cảnh báo khi quá ngưỡng.

4. Cụ thể hoạt động của mạch đọc cảm biến khí CO MQ7 giao tiếp STM32

Chúc các bạn thành công…!!!

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *