Conecte um sensor ao Raspberry Pi para avisá-lo quando houver gases nocivos por perto!

Para detectar um peido com o Raspberry Pi, precisamos usar um sensor que responda a um ou mais dos compostos sulfúricos voláteis que compõem 1% da flatulência (ou seja, os compostos que dão cheiro a peidos). Basicamente, precisamos dar um nariz ao Raspberry Pi. O sensor recomendado para este projeto é o Figaro TGS2600. Quando o ar entra no sensor, ele é energizado por um pequeno aquecedor que permite a medição de sua resistência elétrica. Isso é feito passando um baixo nível de eletricidade por uma pequena lacuna de ar energizado. Quanto mais contaminado estiver o ar, menos resistência ele terá e melhor conduzirá a eletricidade (como um resistor variável). A saída do sensor é, portanto, uma tensão analógica que sobe e desce de acordo com o grau de contaminação do ar. Quanto mais contaminantes, maior será a saída de tensão.

Analógico vs Digital

Também precisamos entender que o sensor de qualidade do ar nos dá um sinal analógico e a diferença entre um sinal analógico e um digital. Os sinais digitais são essencialmente binários:1 ou 0; ligado ou desligado. Os sinais analógicos, por outro lado, têm a faixa completa entre ligado ou desligado. Pense no volante de um carro:o volante é analógico porque existe uma gama completa de volantes à disposição do motorista. Você pode virar muito suavemente em torno de uma curva longa e extensa, pode girar o volante até o fechamento total ou em qualquer lugar entre os dois. Se você quisesse dirigir um carro digitalmente, teria basicamente um bloqueio total à esquerda e apenas um bloqueio total à direita.

Lendo um sinal analógico com um dispositivo digital

O desafio que enfrentamos é ser capaz de ler um sinal analógico em um computador digital. Os pinos GPIO do Raspberry Pi podem ser usados ​​como entradas ou saídas. O modo de saída é para quando você deseja fornecer tensão para algo como um LED ou uma campainha. Se usarmos o modo de entrada, um pino GPIO tem um valor que podemos ler em nosso código. Se houver tensão no pino, a leitura será 1 ( ALTO ); se o pino fosse conectado diretamente ao terra (sem tensão), a leitura seria 0 ( BAIXO ) Portanto, os pinos são digitais, permitindo apenas 1 ou 0 .

Como podemos resolver isso? Uma maneira seria usar um chip ADC (Conversor Analógico para Digital), que converteria a tensão analógica do sensor em um número digital em nosso código. No entanto, você só precisaria usar um ADC se uma leitura realmente precisa do sensor foi requerido. Na prática, queremos apenas fazer soar um alarme quando for detectado um peido, para que todos possam correr! Então, se você pensar sobre isso, isso é uma detecção digital. Existe existe um peido ou não há peido:ligado ou desligado, binário 1 ou 0. Não precisamos nos preocupar com a fidelidade analógica proveniente do sensor de qualidade do ar.

Já sabemos que o sensor é como um resistor variável:quanto pior é a qualidade do ar, menor é a resistência e mais tensão passa. Logicamente, quando o sensor entra em contato com um peido, a tensão de saída deve aumentar. Portanto, só precisamos detectar esses picos de tensão e que pode ser feito digitalmente. Podemos fazer com que, quando ocorre um pico, um pino GPIO vá de BAIXO para ALTO; podemos então detectar essa mudança em nosso código e reproduzir um arquivo de som de alarme!

O limite alto e baixo

Como o Raspberry Pi sabe se um pino GPIO está ALTO ou BAIXO?

A resposta a essa pergunta é, na verdade, parte de nossa solução. Os pinos GPIO funcionam a 3,3 volts. Portanto, se você definir um pino como ALTO no modo de saída, esse pino dará / fornecerá 3,3 volts. Se você configurá-lo para saída BAIXA, no entanto, ele será conectado ao aterramento, mas poderá formar o caminho de retorno para completar um circuito.

No modo de entrada, as coisas funcionam de maneira um pouco diferente. Você pode presumir que a leitura do pino seria ALTA se estivesse conectado a 3,3 volts e BAIXA se conectado ao aterramento. Na verdade, há um limite de tensão que fica em torno de 1,1 a 1,4 volts. Abaixo do limite está BAIXO e acima dele é ALTO; então, por exemplo, 1,0 volt seria LOW, apesar de realmente haver alguma voltagem lá, enquanto 1,6 volts seria HIGH, apesar de ser muito menos do que 3,3.

Se usarmos alguns resistores para trazer a tensão de saída do sensor de qualidade do ar para logo abaixo este limite, então o pico causado por um peido irá incliná-lo de BAIXO para ALTO, e temos nossa detecção digital de peido.

Ligue o sensor de qualidade do ar

Esta é a vista inferior do sensor de qualidade do ar. Os números dos pinos têm as seguintes funções:

1. Aquecedor (-)
2. Eletrodo sensor (-)
3. Eletrodo sensor (+)
4. Aquecedor (+)

Portanto, há dois circuitos distintos que precisamos acomodar. O primeiro é o aquecedor (pinos 1 e 4) que é usado para energizar o ar, e o outro é o sensor em si (pinos 2 e 3). O lado de saída (-) do sensor é onde conectaremos nossos resistores. Pegue a placa de ensaio e empurre os quatro pinos do sensor para dentro dela, de modo que ela se estenda pela lacuna central, conforme mostrado abaixo. Pode ser necessário entortar um pouco os pinos, mas isso não danificará o sensor. Certifique-se de que a pequena aba esteja na mesma orientação mostrada.

importante, leia
O diagrama acima mostra um Raspberry Pi modelo B, se você estiver usando um B + ou o novo Pi 2, os primeiros 26 pinos GPIO são iguais em todos. Portanto, você pode usar os mesmos pinos indicados pelos diagramas.

O sensor pode funcionar com 5 volts, mas vamos operá-lo com 3,3 volts aqui, uma vez que é mais seguro para uso com uma entrada GPIO. Use os fios de jumper para fazer as conexões laranja mostradas acima; isso fornecerá 3,3 volts aos pinos 3 e 4 do sensor (ambos os eletrodos positivos). A cor do fio que você usa não importa. Em seguida, conecte o terminal negativo (-) do aquecedor diretamente ao aterramento, conforme mostrado acima pelos fios pretos.

Ainda precisamos fazer algo com o lado negativo do sensor, linha 1 no canto superior direito do breadboard.

Ligue o pino do gatilho

Desligue o Raspberry Pi, se ainda não estiver desligado, digitando o seguinte:

  sudo halt  

Desconecte a energia por enquanto; vamos conectá-lo novamente mais tarde.

A seguir, vamos conectar a saída do sensor a um dos pinos GPIO:este será o pino de gatilho que monitoraremos em nosso código para ver se ocorreu um peido. Use GPIO 4 para isso. Pegue um jumper e faça a conexão branca mostrada abaixo.

Em seguida, pegue um resistor de 47kΩ (os resistores são codificados por cores para ajudá-lo a identificá-los) e conecte-o entre a saída do sensor e o aterramento, conforme mostrado acima. Isso irá sugar uma parte da tensão proveniente da saída do sensor, para ajudar a trazê-la para a região de 1,1 a 1,4 volts do limite GPIO para nosso pino de acionamento. Porém, esse resistor único não será suficiente para fazer o trabalho, então continue lendo.

Construir uma escada de resistor DAC

O problema que temos agora é que, apesar da adição do resistor de 47kΩ, o sensor de qualidade do ar tem uma faixa de tensão de saída bastante grande. 0 volts seria o que encontraríamos no vácuo, enquanto o máximo de 3,3 seria o que veríamos de um peido terrível, lacrimejante e silencioso, mas mortal. Dependendo da qualidade de fundo do ar, a tensão de saída do sensor pode estar em qualquer lugar dentro dessa faixa. Portanto, precisamos de uma maneira confiável de sempre reduzir essa tensão para um pouco abaixo do limite GPIO, sob diferentes condições de qualidade do ar.

Para fazer isso, precisamos de outro resistor variável, para que possamos variar a quantidade de voltagem que direcionamos para o aterramento. Poderíamos usar um potenciômetro para isso, mas você sempre precisaria ajustá-lo manualmente para o ar de fundo antes que pudesse ser usado. Isso não é ideal se você deseja armar uma armadilha e esperar por uma vítima inocente. Nesse ínterim, a qualidade do ar de fundo pode mudar naturalmente e fazer o alarme disparar sem um peido. Desajeitado.

Seria muito melhor ter o controle disso de dentro do nosso código. Então, podemos programá-lo para continuar se ajustando à qualidade do ar de fundo, e o purgador não precisará de intervenção manual se a qualidade do ar mudar.

Um truque inteligente que podemos usar aqui é a escada do resistor. É aqui que temos um conjunto de resistores de repetição que podemos ligar e desligar independentemente em nosso código. Se cada resistor tiver um valor diferente em ohms, podemos usar combinações diferentes deles para nos dar algo que se aproxima do comportamento de um resistor / potenciômetro variável.

A teoria

A próxima seção pode parecer um pouco enfadonha, mas os tópicos cobertos ajudarão tremendamente na sua compreensão do projeto, portanto, aconselho você a não pulá-la!

O diagrama abaixo esquematicamente mostra como uma escada de resistor seria conectada ao sensor de qualidade do ar TGS2600. A tensão de saída do sensor está saindo do número pin 2 , e isso está conectado ao GPIO 4. No entanto, entre isso, temos vários lugares onde podemos desviar a tensão para reduzir a tensão até o limite do pino GPIO, conforme necessário.

Até agora, apenas o 47kΩ R0 está presente em sua placa de ensaio, que é conectada diretamente ao aterramento. Os outros resistores ( R1 para R4 ) estão cada um conectado em paralelo para um pino GPIO diferente. Isso nos dá controle digital sobre se cada resistor está ligado ou desligado. Se configurarmos o pino GPIO para usar INPUT modo isso desliga o resistor, porque o pino GPIO não está conectado internamente a nada. No entanto, se definirmos para usar OUTPUT modo e, em seguida, conduza o pino BAIXO, isso conectará o resistor ao aterramento e alguma tensão será drenada através dele.

Uma nota sobre resistores paralelos. A resistência total da escada não a soma de todos os resistores que estão ligados. Seria se você conectasse os resistores em série; isso é porque a tensão precisaria fluir através de cada resistor por vez. Em paralelo, o fluxo de tensão será dividido igualmente entre cada resistor e o efeito é que a resistência total é menor . Portanto, quanto mais resistores ligamos, menor será a resistência total e mais voltagem será direcionada para o aterramento.

Como a escada é controlada digitalmente ligando e desligando os resistores, mas afeta uma tensão analógica do sensor, o circuito pode ser chamado de conversor digital para analógico ou DAC, abreviadamente. Este é o oposto do ADC mencionado anteriormente.

Idealmente, precisamos variar a resistência de forma linear e ter um bom número de combinações possíveis de ligar / desligar que irão acomodar a faixa de tensão de saída do sensor de qualidade do ar. Considere o que aconteceria se todos os resistores tivessem o mesmo valor em ohms; quantos possíveis únicos combinações de valores de resistência poderia haver?



Para obter mais detalhes:Conecte um sensor ao seu Raspberry Pi para avisá-lo quando houver gases nocivos por perto!