¡Conecte un sensor a su Raspberry Pi para advertirle cuando haya gases nocivos!

Para detectar un pedo con la Raspberry Pi, necesitamos usar un sensor que responda a uno o más de los compuestos sulfúricos volátiles que constituyen el 1% de la flatulencia (es decir, los compuestos que hacen que los pedos huelan). Esencialmente, tenemos que darle un toque a la Raspberry Pi. El sensor recomendado para este proyecto es el Figaro TGS2600. Cuando el aire ingresa al sensor, es energizado por un pequeño calentador que permite medir su resistencia eléctrica. Esto se hace pasando un nivel bajo de electricidad a través de un pequeño espacio de aire energizado. Cuanto más contaminado esté el aire, menos resistencia tendrá y mejor conducirá la electricidad (como una resistencia variable). La salida del sensor es, por tanto, una tensión analógica que sube y baja según la contaminación del aire. Cuantos más contaminantes, mayor será la salida de voltaje.

Analógico frente a digital

También debemos entender que el sensor de calidad del aire nos da una señal analógica y la diferencia entre una señal analógica y una digital. Las señales digitales son esencialmente binarias:1 o 0; Encendido o apagado. Las señales analógicas, por otro lado, tienen el rango completo entre encendido o apagado. Piense en el volante de un automóvil:el volante es analógico porque hay una gama completa de dirección disponible para el conductor. Puede girar con mucha suavidad alrededor de una curva amplia y prolongada, puede girar el volante hasta bloquearlo por completo o en cualquier punto intermedio. Si quisiera conducir un automóvil digitalmente, básicamente tendría bloqueo total a la izquierda y bloqueo total a la derecha solamente.

Leer una señal analógica con un dispositivo digital

El desafío al que nos enfrentamos es poder leer una señal analógica en una computadora digital. Los pines GPIO de Raspberry Pi se pueden utilizar como entradas o salidas. El modo de salida es para cuando desea suministrar voltaje a algo como un LED o un zumbador. Si usamos el modo de entrada, un pin GPIO tiene un valor que podemos leer en nuestro código. Si el pin tiene voltaje, la lectura será 1 ( ALTO ); si el pin estuviera conectado directamente a tierra (sin voltaje), la lectura sería 0 ( BAJO ). Entonces los pines son digitales, permitiendo solo 1 o 0 .

¿Cómo podemos solucionar esto? Una forma sería usar un chip ADC (convertidor analógico a digital), que convertiría el voltaje analógico del sensor en un número digital en nuestro código; sin embargo, solo necesitaría usar un ADC si una lectura realmente precisa del sensor fue requerido. En la práctica, solo queremos que suene una alarma cuando se detecte un pedo, ¡para que todos puedan correr! Entonces, si lo piensa bien, esto es una detección digital. Allí está un pedo o no hay no pedo:encendido o apagado, 1 o 0 binario. No tenemos que preocuparnos por la fidelidad analógica que proviene del sensor de calidad del aire.

Ya sabemos que el sensor es como una resistencia variable:cuanto peor es la calidad del aire, menor es la resistencia y más voltaje se deja pasar. Lógicamente, cuando el sensor entra en contacto con un pedo, el voltaje de salida debería aumentar. Por lo tanto, solo necesitamos detectar estos picos de voltaje y eso puede hacerse digitalmente. Podemos hacer que cuando ocurra un pico, un pin GPIO pase de BAJO a ALTO; ¡Entonces podemos detectar este cambio en nuestro código y reproducir un archivo de sonido de alarma!

El umbral alto y bajo

¿Cómo sabe la Raspberry Pi si un pin GPIO es ALTO o BAJO?

La respuesta a esta pregunta es en realidad parte de nuestra solución. Los pines GPIO funcionan a 3,3 voltios. Entonces, si configura un pin en ALTO en el modo de salida, ese pin dará / suministrará 3.3 voltios. Sin embargo, si lo configura en salida BAJA, se conectará a tierra pero podría formar la ruta de retorno para completar un circuito.

En el modo de entrada, las cosas funcionan de forma ligeramente diferente. Puede suponer que la lectura del pin sería ALTA si estuviera conectada a 3.3 voltios y BAJA si estuviera conectada a tierra. En realidad, hay un umbral de voltaje que se encuentra en algún lugar alrededor de 1,1 a 1,4 voltios. Por debajo del umbral es BAJO y por encima es ALTO; entonces, por ejemplo, 1.0 voltios leerían BAJO, a pesar de que en realidad hay algo de voltaje allí, mientras que 1.6 voltios leerían ALTO, a pesar de que esto es mucho menos que 3.3.

Si usamos algunas resistencias para reducir el voltaje de salida del sensor de calidad del aire a justo debajo este umbral, entonces el pico causado por un pedo lo inclinará de BAJO a ALTO, y tendremos nuestra detección de pedo digital.

Conecte el sensor de calidad del aire

Esta es la vista inferior del sensor de calidad del aire. Los números de pin tienen las siguientes funciones:

1. Calentador (-)
2. Electrodo sensor (-)
3. Electrodo sensor (+)
4. Calentador (+)

Entonces, hay dos circuitos distintos que debemos adaptar. Primero está el calentador (pines 1 y 4) que se usa para energizar el aire, y el otro es el sensor sí mismo (pines 2 y 3). El lado de salida (-) del sensor es donde conectaremos nuestras resistencias. Tome la placa de pruebas y empuje los cuatro pines del sensor hacia adentro, de modo que quede a horcajadas en el espacio central como se muestra a continuación. Es posible que deba doblar un poco las clavijas, pero esto no dañará el sensor. Asegúrese de que la pequeña pestaña esté en la misma orientación que se muestra.

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El diagrama de arriba muestra una Raspberry Pi modelo B, si estás usando una B + o la nueva Pi 2, los primeros 26 pines GPIO son iguales en todos. Entonces puede usar los mismos pines que se indican en los diagramas.

El sensor puede funcionar con 5 voltios, pero aquí lo vamos a hacer con 3,3 voltios, ya que es más seguro usarlo con una entrada GPIO. Utilice los cables de puente para realizar las conexiones naranjas que se muestran arriba; esto suministrará 3.3 voltios a los pines 3 y 4 del sensor (ambos electrodos positivos). No importa el color del cable que uses. Luego, conecte el terminal negativo (-) del calentador directamente a tierra como se muestra arriba con los cables negros.

Todavía tenemos que hacer algo con el lado negativo del sensor, fila 1 en la esquina superior derecha de la placa.

Conecta el pasador del gatillo

Apague la Raspberry Pi, si aún no está apagada, ingresando lo siguiente:

  sudo detener  

Desenchufe la energía por ahora; lo volveremos a conectar más tarde.

A continuación, conectemos la salida del sensor a uno de los pines GPIO:este será el pin de activación que monitorearemos en nuestro código para ver si se ha producido un pedo. Utilice GPIO 4 para esto. Tome un cable de puente y haga la conexión blanca que se muestra a continuación.

A continuación, tome una resistencia de 47 kΩ (las resistencias están codificadas por colores para ayudarlo a identificarlas) y conéctelo entre la salida del sensor y la tierra como se muestra arriba. Esto desviará una parte del voltaje que proviene de la salida del sensor, para ayudar a reducirlo a la región de 1.1 a 1.4 voltios del umbral GPIO para nuestro pin de activación. Sin embargo, esta única resistencia no será suficiente para hacer el trabajo, así que sigue leyendo.

Construya un DAC de escalera de resistencias

El problema que tenemos ahora es que a pesar de la adición de la resistencia de 47 kΩ, el sensor de calidad del aire tiene un rango de voltaje de salida bastante grande. 0 voltios sería lo que encontraríamos en el vacío, mientras que el máximo de 3.3 sería lo que veríamos de un pedo terrible, lagrimeo, silencioso pero mortal. Dependiendo de la calidad de fondo del aire, el voltaje de salida del sensor puede estar en cualquier lugar dentro de ese rango. Por lo tanto, necesitamos una forma confiable de reducir siempre ese voltaje justo por debajo del umbral de GPIO, en diferentes condiciones de calidad del aire.

Para hacer esto necesitamos otro resistencia variable, de modo que podamos variar la cantidad de voltaje que desviamos a tierra. Podríamos usar un potenciómetro para esto, pero siempre necesitaría sintonizarlo manualmente con el aire de fondo antes de poder usarlo. Esto no es ideal si desea tender la trampa y esperar a una víctima desprevenida. Mientras tanto, la calidad del aire de fondo puede cambiar naturalmente y hacer que la alarma suene sin un pedo. Incómodo.

Sería mucho mejor tener el control de esto desde nuestro código. Luego, podemos programarlo para que se siga ajustando a la calidad del aire de fondo, y la trampa no necesitará intervención manual si cambia la calidad del aire.

Un truco inteligente que podemos usar aquí es la escalera de resistencias. Aquí es donde tenemos un conjunto de resistencias repetidas que podemos encender y apagar de forma independiente en nuestro código. Si cada resistor tiene un valor diferente en ohmios, podemos usar diferentes combinaciones de ellos para darnos algo que se aproxime al comportamiento de un resistor / potenciómetro variable.

La teoría

La siguiente sección puede parecer un poco aburrida, pero los temas tratados le ayudarán enormemente a comprender el proyecto, ¡así que le aconsejo que no se lo salte!

El siguiente diagrama esquemáticamente muestra cómo se conectaría una escalera de resistencia al sensor de calidad del aire TGS2600. El voltaje de salida del sensor proviene del número de pin 2 , y esto está conectado a GPIO 4. Sin embargo, en el medio tenemos varios lugares donde podemos desviar el voltaje para reducir el voltaje al umbral del pin GPIO según sea necesario.

Hasta ahora, solo el R0 de 47kΩ está presente en su tablero, que está cableado directamente a tierra. Las otras resistencias ( R1 a R4 ) están conectados en paralelo a un pin GPIO diferente. Esto nos da control digital sobre si cada resistencia está encendida o apagada. Si configuramos el pin GPIO para usar INPUT modo esto apaga la resistencia, porque el pin GPIO no está conectado internamente a nada. Sin embargo, si lo configuramos para usar OUTPUT y luego coloque el pin en BAJO, esto conectará la resistencia a tierra y se desviará algo de voltaje a través de él.

Una nota sobre resistencias en paralelo. La resistencia total de la escalera es no la suma de todas las resistencias que están encendidas. Sin embargo, lo sería si conectaras las resistencias en serie; eso se debe a que el voltaje debería fluir a través de cada resistor a su vez. En paralelo, el flujo de voltaje se dividirá por igual entre cada resistencia y el efecto es que la resistencia total es menor . Entonces, cuantas más resistencias encienda, menor será la resistencia total y más voltaje se desviará a tierra.

Dado que la escalera se controla digitalmente encendiendo y apagando las resistencias, pero afecta un voltaje analógico del sensor, el circuito se puede llamar convertidor digital a analógico o DAC para abreviar. Esto es lo opuesto al ADC mencionado anteriormente.

Idealmente, necesitamos variar la resistencia de forma lineal y tener un buen número de posibles combinaciones de encendido / apagado que se adapten al rango del voltaje de salida del sensor de calidad del aire. Considere lo que sucedería si todas las resistencias tuvieran el mismo valor en ohmios; cuántos posibles únicos ¿Podría haber combinaciones de valores de resistencia?

Para obtener más detalles:conecte un sensor a su Raspberry Pi para que le advierta cuando haya gases nocivos.