راه اندازی حسگر تشخیص گاز و احتراق با Arduino

امروزه گازهای طبیعی در همه جا وجود دارند که حمل و نقل آنها آسان است و انرژی را برای کارهای مختلف در مصارف خانگی و صنعتی تامین می کنند. اما در صورت عدم مراقبت دقیق، خطر آتش سوزی قابل توجهی به دنبال دارند. اینجاست که حسگر گاز MQ-5 وارد عمل میشه. حسگر گاز MQ-5 گازهای LPG، H2، LPG، CH4 و CO رو تشخیص میده. در این مقاله، ما قصد داریم حسگر MQ-5 رو با Arduino راه اندازی کنیم تا ببینیم هنگام وجود گازها چه اتفاقی می افتد.

از این پروژه می‌تونید در خانه هوشمند یا هرجای دیگری استفاده کنید. همراه من باشید تا ابتدا با خصوصیت و امکانات این حسگر آشنا بشیم و سپس پروژه رو آغاز می‌کنیم.

پایه های حسگر MQ-5

VCC To +ve of power supply

GND To -ve of power supply

DOUT Sensor data output in digital form

AOUT Sensor data output in analog form

بررسی قطعات حسگر MQ-5

حسگر MQ-5 در بین افراد مبتدی بسیار محبوبه چون گازهای قابل احتراق رو در اکثر  موارد به خوبی تشخیص میده. این سنسورها کم هزینه و با استفاده آسان و محدوده تشخیص گسترده، در انجام پروژه ها بسیار مناسب هستند و نتیجه قابل قبولی ارائه می‌دهند. در تصویر زیر اجزای سنسور MQ-5 رو می‌تونین مشاهده کنید.

حسگر MQ-5 چهار پایه داره که دو عدد از آنها برای VCC و GND هستند. دو پایه دیگر، خروجی های آنالوگ و دیجیتال رو به طور همزمان تولید می‌کنند. از آنجایی که محدوده ولتاژ کاری ماژول 5 ولت با دقت 0.1 درصد هست، ما از پایه 5 ولت Arduino برای تغذیه مدار استفاده می‌کنیم. همونطور که در تصویر می‌بینید، ماژول دارای دو ال‌ای‌دی داخلی هست. ال‌ای‌دی برق که با روشن شدن بورد روشن میشه و ال‌ای‌دی DOUT که با رسیدن اندازه خروجی به مقدار پتانسیومتر روشن می شود.

کارکرد حسگر MQ-5

برای تشخیص موثر گازهای قابل احتراق، حسگر MQ-5 به یک عنصر گرمایش نیاز داره. از طرف دیگر، قرار دادن منبع گرمایش نزدیک به گاز قابل احتراق ممکنه مضر باشه. در نتیجه، حسگر دارای یک شبکه ضد انفجاره که از دو لایه نازک فولادی ضد زنگ تشکیل شده، همانطور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید. یک بخش حرارتی در این بخش فولادی ضد زنگ گنجانده شده.

تنها ذرات گازی محیط از طریق این ساختار مشبک توری عبور می‌کنند که از گرد و غبار و سایر ذرات معلق محافظت می‌کند. وقتی توری رو جدا می‌کنیم، می‌بینیم که این حسگر از دو جزء اصلی تشکیل شده. عنصر گرمایش از سیم نیکروم تشکیل شده، در حالی که عنصر تشخیص دهنده سیم پلاتین با پوشش دی اکسید قلع هست. در تصویر زیر میتونید این حسگر رو بدون پوشش توری مشاهده کنید.

این همون چیزیه که حسگر هنگام برداشتن توری به نظر میرسه. ما توری استیل ضد زنگ رو در کنار سنسور قرار دادیم. ویژگی که قبل تر راجع به این حسگر صحبت کردیم اکنون نیز مشهوده. پایه های ستاره ای شکل با اتصال تشخیص دهنده اصلی و گرمایش به شش پایه حسگر ساخته می شوند.

زمان پیش گرم کردن سنسور MQ-5:

کار با این حسگر گاز نیاز به یک مرحله گرم کردن یا تثبیت داره تا بتونه به درستی کار کنه. دیتاشیت ماژول نشون میده که به 24 ساعت زمان برای گرم شدن نیاز داره. با توجه به اندازه کوچک سنسور، تعادل حرارتی تقریباً در عرض 30 دقیقه به دست خواهد آمد. و رسیدن به چند درصد از مقادیر دیتاشیت احتمالاً چند دقیقه طول می کشد.

اگر می خواهید یک اندازه گیری دقیق غلظت گاز داشته باشید، زمان گرم کردن 24 ساعته ضروریه. شما همچنین نیاز به یک کالیبراسیون حسگر بسیار دقیق و یک مکانیسم برای محاسبه عوامل دیگر مانند دما، رطوبت و غیره دارید. حسگر MQ-5 می‌تونه غلظت گاز رو در واحد PPM تشخیص بده. مهمه که به یاد داشته باشید حس کردنِ بخار و اندازه گیری غلظت آن در واحد PPM یکسان نیستند. تمرکز اصلی این پروژه بر مشاهده افزایش سطح و غلظت گاز هست. اگر می‌خواین سطح گاز را در واحد PPM به طور دقیق محاسبه کنید، روش کمی متفاوت میشه. با این حال، ما به طور خلاصه این مورد رو هم مرور می‌کنیم.

روش استفاده از حسگر MQ-5 برای تشحیص گاز قابل اشتعال

در تصویر بالا یک کپسول LPG داریم که با با انتشار و افزایش محتوای گاز در محیط، ولتاژ خروجی حسگر افزایش پیدا می‌کنه، این موضوع رو در مولتی متر هم مشاهده می‌کنید. همچنین وقتی که تشخیص دهنده به آستانه خاصی برسه، ال‌ای‌دی سبز رنگ در ماژول روشن می‌شه (که با تنظیم پتانسیومتر قابل تغییر است).

روش اندازه گیری غلظت گاز در واحد PPM با حسگر MQ-5

این یک حسگر بسیار دقیق هست که برای تشخیص PPM گاز قابل احتراق موجود در محیط کالیبره شده. اما، برای انجام این کار، ابتدا باید ویژگی‌های حساسیت حسگر MQ-5 را درک کنید. برای اینکار می‌تونید از دیتاشیت حسگر MQ-5 کمک بگیرید.

RS، مقاومت سنجش در حضور گاز داخل نمودار لگاریتمی و مقاومت حسی در برابر هوای خالص R0 است. از آنجایی که این سنسور برای تشخیص گازهای قابل احتراق در نظر گرفته شده و حساسیت کمی به الکل و دود داره، مقاومت آن بسته به میزان گاز موجود در هوا متغیر هست.

سوال های رایج در رابطه با حسگر گاز MQ-5

1: حداکثر رنج تشخیص سنسور MQ-5 چقدره؟

سنسور MQ-5 می‌تونه مقادیر بین 300 تا تقریبا 10000 ppm گازهای LPG و CH4 رو تشخیص بده.

2: حسگر MQ5 چه چیزیو تشخیص میده؟

ماژول حسگر گاز (MQ5) برای تشخیص نشت گاز (در خانه و صنایع) عالیه. برای تشخیص H2، LPG، CH4، CO و الکل هم کاربرد داره. به دلیل حساسیت بالا و زمان واکنش سریع، اندازه گیری ها رو می‌توان با حداکثر سرعت ممکن انجام داد.

3: عبارت MQ در حسگر MQ به چه معنایی هست؟

این یک حسگر گاز از نوع نیمه هادی اکسید فلز (MOS) هست که به عنوان مقاومت شیمیایی هم شناخته میشه، چون تشخیص، بستگی به تغییر در مقاومتِ حسگر هنگام تماس گاز با آن را دارد.

4: ppm برای گاز به چه معنایی هست؟

Parts-per-Million یا “ppm” یک واحد کسری برای اندازه گیری غلظت است.

شماتیک داخلی حسگر MQ-5

شماتیک مدار حسگر گاز MQ-5 رو در تصویر زیر مشاهده می‌کنید. طراحی این ماژول ساده و تنها به چند جزء برای کنار هم قرار دادن نیاز داره. اگر برای ساخت این مدار عجله دارین، شماتیک زیر به کارتون میاد.

در شکل بالا، ما یک op-amp LM393 کم مصرف و ولتاژ کم داریم که می‌تونه توسط منبع تغذیه 5V+ استفاده بشه. مدار رو نمیشه با استفاده از 3.3V تغذیه کرد چون حداقل ولتاژ کاری این حسگر 5V هست. وظیفه این آمپلی فایر اولیه تبدیل سیگنال ورودی آنالوگ به سیگنال دیجیتال هست. به غیر از این، ماژول حسگر گاز MQ-5 دارای یک پتانسیومتر 10K یکپارچه برای تنظیم حساسیت ولتاژ راه اندازی می‌باشد. همچنین، دو ال‌ای‌دی وجود داره. ال‌ای‌دی اول برای روشن بودن و دومی ال‌ای‌دیِ حسگر هست. چراغ ال‌ای‌دی حسگر زمانی روشن میشه که تشخیص دهنده حسگر به یک آستانه از پیش تعریف شده برسه. در نهایت، بورد دارای دو خازن جداکننده هم هست که به کاهش نویز کمک می‌کنه.

اتصال حسگر MQ-5 به Arduino UNO

حالا که متوجه شدیم حسگر گاز MQ-5 چجوری کار می‌کنه، می‌تونیم اون رو به Arduino UNO متصل کنیم. ما ابتدا با استفاده از خروجی آنالوگ شروع می‌کنیم و خروجی رقمی را به صورت خلاصه در قدم بعد بررسی خواهیم کرد.

در مرحله اول برای استفاده از حسگر MQ-5 باید آنرا روشن کنیم که از پایه های 5V و GND در برد Arduino UNO استفاده میشه و پایه خروجی حسگر به پایه A0 در Arduino متصل میشه.

ما یک ال‌ای‌دی و یک زنگ (buzzer) رو به پایه 7 دیجیتال وصل کردیم، پایه آنالوگ رو به پایه A0 وصل کردیم و همچنین پایه زمین led، حسگر و زنگ طبق تصویر بالا مشترک است. مدار فوق طوری پیکربندی می‌کنیم که ال‌ای‌دی و زنگ هر دو هنگام تشخیص گاز روشن شوند.

به سادگی خروجی حسگر رو به هر پین دیجیتال وصل کنید و پالس بالا را بررسی کنید. اگر یک پالس بالا دریافت شود، گاز شناسایی شده و دریافت یک پالس پایین به منزله عدم وجود هیچ گازی در محیط می باشد.

سورس کد اتصال حسگر MQ-5 به Arduino

 کدنویسی برای ماژول حسگر گاز ساده ست. به سادگی اطلاعات آنالوگ حسگر رو می‌خونیم و ال‌ای‌دی و زنگ رو روشن یا خاموش می‌کنیم. لطفاً به خاطر داشته باشید که ما فقط اطلاعات آنالوگ رو از حسگر پردازش می‌کنیم. ال‌ای‌دی داخلی ماژول برای نشان دادن اطلاعات دیجیتال روشن می‌شود.

دو دستور زیر تعریف پایه خروجی 7 و پایه ورودی آنالوگ حسگر A0 را بیان می کنند.

#define ledPin 7
#define Sensor A0

پایه‌ها رو طوری تنظیم می‌کنیم که ورودی رو از حسگر دریافت کنند و خروجی از آردوینو و همچنین ال‌ای‌دی و زنگ از طریق پایه 7 آردوینو ارسال شوند.

{
  pinMode(sensor, INPUT);
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

همونطور که قبلا ذکر کردیم، MQ-5 باید قبل از اندازه گیری دقیق گاز، مدتی گرم بشه. این بخش از کد همه چیز رو متوقف می‌کنه و به مدت 20 ثانیه حسگر رو گرم می‌کنه.

 Serial.println("MQ5 Heating Up!");
  delay(20000); // allow the MQ5 to warm up

این بخش از کد اطلاعات رو از پین آنالوگ حسگر می‌خونه و مقدار رو در نمایشگر چاپ می‌کنه.

gas_value = analogRead(sensor);
   Serial.print("Sensor Value:");
 Serial.println(gas_value);

اگر مقدار حسگر از 250 بالاتر برود، ال‌ای‌دی و زنگ روشن می‌شوند تا بصورت شنیداری(از طریق زنگ) و دیداری(از طریق ال‌ای‌دی) ما رو از وجود گاز در محیط مطلع کنند.

if (gas_value > 250) {
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
  }
  else{
    digitalWrite(ledPin, LOW);
  }

آزمایش پروژه و جمع‌بندی

در ویدئو زیر کارکرد حسگر MQ-5 رو به صورت عملی نشون دادیم. زمانی که هیچ گازی در محیط شناسایی نشه ال‌ای‌دی خاموش میمونه، اما زمانی که ما مقدار کمی گاز را از فندک تامین می‌کنیم طبق کدی که نوشتیم، ال‌ای‌دی روشن میشه.

در این پروژه آموزشی ابتدا با تمام خصوصیات حسگر MQ-5 و طریقه کارکرد آن آشنا شدیم. در مرحله بعد تونستیم با اتصال حسگر MQ-5 به Arduino UNO و کدنویسی آن، مقادیر حسگر رو بخونیم و همچنین سیستمی پیاده سازی کنیم تا در صورت تشخیص گاز در محیط، به ما هشدار دهد.