IGKBoard（imx6ull）-ADC编程MQ-2烟雾传感器采样

news2024/9/29 23:30:58

文章目录

    • 1- ADC介绍
    • 2- MQ-2烟雾传感器介绍
      • （1）工作原理
      • （2）MQ-2应用电路
    • 3- MQ-2烟雾传感器硬件连接
    • 4- ADC驱动配置
    • 5- 编程查看当前浓度

1- ADC介绍

ADC是Analog-to-Digital Converter的缩写，指模数转换器。真实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式，模数转换器可以实现这个功能。ADC就是数模转换，将模拟量转换为数字量。

在这里插入图片描述
总之，只要是需要模拟信号转为数字信号的场合，那么肯定要用到ADC。很多数字传感器内部会集成 ADC，传感器内部使用 ADC来处理原始的模拟信号，最终给用户输出数字信号。

在这里插入图片描述
学习ADC需要注意注意几个参数：

  1. 分辨率：采集精准度的重要因素。就是尺子上的能量出来的最小测量刻度，例如我们常用的厘米尺它的最小刻度就是1毫米，表示最小测量精度就是1毫米。假如 ADC的测量范围为 0-5V，分辨率设置为12位，那么我们能测出来的最小电压就是 5V除以 2的 12次方，也就是5/4096=0.00122V。很明显，分辨率越高，采集到的信号越精确，所以分辨率是衡量 ADC的一个重要指标。
  2. 精度：是影响结果准确度的因素之一。经过计算我们 ADC在 12位分辨率下的最小测量值是 0.00122V，但是我们ADC的精度最高只能到11位也就是 0.00244V。也就是 ADC测量出0.00244V的结果是要比0.00122V要可靠，也更准确。
  3. 采样时间：当 ADC在某时刻采集外部电压信号的时候，此时外部的信号应该保持不变，但实际上外部的信号是不停变化的。所以在 ADC内部有一个保持电路，保持某一时刻的外部信号，这样 ADC就可以稳定采集了，保持这个信号的时间就是采样时间。
  4. 采样率：也就是在一秒的时间内采集多少次。很明显，采样率越高越好，当采样率不够的时候可能会丢失部分信息，所以 ADC采样率是衡量 ADC性能的另一个重要指标。

2- MQ-2烟雾传感器介绍

（1）工作原理

MQ-2烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。

在这里插入图片描述
处于200~300摄氏度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒收到烟雾的调至而变化，就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。

（2）MQ-2应用电路

MQ-2常用的电路有两种，一种使用采用比较器电路监控，另一种为ADC电路检测。
以下图中的模块仅有比较器电路，ADC部分使用IGKBoard的主控集成的ADC进行检测，下文进行详细介绍和使用。
在这里插入图片描述
MQ-2的引脚4输出随烟雾浓度变化的直流信号，被加到比较器U1A的2脚，Rp构成比较器的门槛电压。当烟雾浓度较高输出电压高于门槛电压时，比较器输出低电平（0v），此时LED亮报警；当浓度降低传感器的输出电压低于门槛电压时，比较器翻转输出高电平（Vcc），LED熄灭。调节Rp，可以调节比较器的门槛电压，从而调节报警输出的灵敏度。

R1串入传感器的加热回路，可以保护加热丝免受冷上电时的冲击。

3- MQ-2烟雾传感器硬件连接

在这里插入图片描述

  • GND：该引脚要连到开发板的GND扩展引脚上
  • VCC：该引脚要连到开发板的 5v 供电引脚上
  • AOUT：是MQ-2模块的模拟输出引脚，该引脚应该连开发板上ADC功能的GPIO引脚上

在IGKBoard开发板上，提供了两个ADC模拟输入的引脚，位于开发板的8pin扩展口上，其管脚名为TS_XP和TS_YN，在Linux系统启动时如果启用了ADC overlay后，它俩会默认作为ADC模拟输入口使用。这样，MQ-2的AO引脚应该连接上其中之一即可。

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

4- ADC驱动配置

如果想作为MQ-2的模拟信号采样引脚使用的话，我们需要修改开发板上的DTOverlay配置文件，添加该引脚的 ADC 支持，然后关机重启系统就可以了。

root@igkboard:~# vi /run/media/mmcblk1p1/config.txt
# Enable extra overlays
dtoverlay_extra=adc

然后在/sys/bus/iio/devices目录下可以查看到ADC对应的iio设备：iio:device0

root@igkboard:/sys/bus/iio/devices# ls
iio:device0

root@igkboard:/sys/bus/iio/devices/iio:device0# ls
buffer              in_voltage1_raw                in_voltage_scale              scan_elements
buffer0             in_voltage2_raw                name                          subsystem
dev                 in_voltage3_raw                of_node                       trigger
in_conversion_mode  in_voltage4_raw                power                         uevent
in_voltage0_raw     in_voltage_sampling_frequency  sampling_frequency_available

进入设备我们可以看见很多文件，但是我们只关心三个文件：

  • in_voltage1_ra ：ADC1通道 1原始值文件，即**TS_YN（GPIO01_IO01）**管脚的输入模拟值转换的数字值，范围0-4095；
  • in_voltage4_raw ：ADC1通道 4原始值文件，即**TS_XP（GPIO01_IO04）**管脚的输入模拟值转换的数字值，范围0-4095；
  • in_voltage_scale： ADC1比例文件 (分辨率 )，单位为 mV。实际电压值 (mV) = in_voltage1_raw * in_voltage_scale。
root@igkboard:/sys/bus/iio/devices/iio:device0# cat in_voltage1_raw 
1448
root@igkboard:/sys/bus/iio/devices/iio:device0# cat in_voltage_scale 
0.805664062

当前TS_YN管脚上的实际电压是 1448 * 0.805664062 ≈ 1,166.6 mV，即1.1666V

MQ-2的浓度值也就可以计算出为 1448/4095 * 100% = 35.4%

5- 编程查看当前浓度

还是来说一下流程：

  1. 第一步肯定要打开我们文件的路径读取文件，因为是两个文件，直接用一个指针数组；
  2. 因为要每时每刻都需要读取数据，所以需要在一个while（1）循环中进行；
  3. 打开文件读取数据我们可以创建一个自定义函数，传进文件路径以及buf保存我们读取的数据；
  4. 当然我们需要将我们读取的字符串数据进行类型转换；
  5. 然后公式计算输出。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

/*我们要访问的文件路径*/
static char *file_path[] = 
{
        "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage_scale",    
        "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage1_raw",    
};

static int file_data_read(char *filename, char *buf, size_t buf_size)
{
    int ret = 0;//打开文件之后的标注值，小于0说明文件打开了需要关闭
    int fd = -1;//文件描述符

    if(!filename || !buf || !buf_size)
    {
        printf("[%s] Error filename or buf or buf_size error\n", __FUNCTION__);
        return -1;
    }

    fd = open(filename, O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        printf("Open file '%s' failure:%s\n", filename, strerror(errno));
        ret = -2;
        goto CleanUp;
    }

    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    fd = read(fd, buf, buf_size);
    if(fd < 0)
    {
        printf("Read file '%s' failure:%s\n", filename, strerror(errno));
        ret = -3;
        goto CleanUp;
    }

CleanUp:
    if (ret < 0)
    {
        close(fd);
    }
    return ret;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int   raw = 0;//原始数据
    float scale = 0;//精度值
    float act = 0;//实际值
    float conc = 0;//浓度值
    char adc_buf[30] = {};

    while(1)
    {
        if(file_data_read(file_path[0],adc_buf, sizeof(adc_buf)) < 0)
        {
            printf("Error:Read %s failuere.\n", file_path[0]);
        }
        scale = atof(adc_buf);//字符串类型转换为浮点数类型
        printf("scale:%f ", scale);

        if(file_data_read(file_path[1],adc_buf, sizeof(adc_buf)) < 0)
        {
            printf("Error:Read %s failuere.\n", file_path[1]);
        }
        raw = atoi(adc_buf);//字符串类型转换为浮点数类型
        printf("raw:%d\n", raw);

        act = (raw*scale)/1000.f;
        conc = ((float)raw/4095.f)*100.f;

        printf("MQ-2 实际电压：%.3fV, 浓度为 %.1f%%\n", act, conc);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

Makefile文件：

CC=arm-linux-gnueabihf-gcc
APP_NAME=adc_mq2

all:clean
    @${CC} ${APP_NAME}.c -o ${APP_NAME}

clean:
    @rm -f ${APP_NAME}

make之后文件就是在ARM架构上运行的文件啦。

wangdengtao@wangdengtao-virtual-machine:~/wangdengtao/tftpboot$ make
wangdengtao@wangdengtao-virtual-machine:~/wangdengtao/tftpboot$ file adc_mq2
adc_mq2: ELF 32-bit LSB pie executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib/ld-linux-armhf.so.3, BuildID[sha1]=38c11b2cad6acaa418e19672fba8008004e43b50, for GNU/Linux 3.2.0, not stripped

对tftp服务器搭建不了解的可以参考这篇文章：wpa_supplicant无线网络配置imx6ull以及搭建tftp服务器
tftp服务器下载到我们的开发板，然后运行：

root@igkboard:~# tftp -gr adc_mq2 192.168.0.134
root@igkboard:~# chmod a+x adc_mq2                          
root@igkboard:~# ./adc_mq2 
scale:0.805664 raw:1029
MQ-2 virtual voltage: 0.829V, concentration: 25.1%
scale:0.805664 raw:1029
MQ-2 virtual voltage: 0.829V, concentration: 25.1%
scale:0.805664 raw:1029
MQ-2 virtual voltage: 0.829V, concentration: 25.1%
0000scale:0.805664 raw:1224
MQ-2 virtual voltage: 0.986V, concentration: 29.9%
0000scale:0.805664 raw:1329
MQ-2 virtual voltage: 1.071V, concentration: 32.5%
0.scale:0.805664 raw:1385
MQ-2 virtual voltage: 1.116V, concentration: 33.8%
.....scale:0.805664 raw:1446
MQ-2 virtual voltage: 1.165V, concentration: 35.3%
scale:0.805664 raw:1372
MQ-2 virtual voltage: 1.105V, concentration: 33.5%
scale:0.805664 raw:1332
MQ-2 virtual voltage: 1.073V, concentration: 32.5%
scale:0.805664 raw:1373
MQ-2 virtual voltage: 1.106V, concentration: 33.5%
scale:0.805664 raw:1526
MQ-2 virtual voltage: 1.229V, concentration: 37.3%
scale:0.805664 raw:1450
MQ-2 virtual voltage: 1.168V, concentration: 35.4%
scale:0.805664 raw:1412
MQ-2 virtual voltage: 1.138V, concentration: 34.5%

其实对着我们的烟雾传感器哈一口气都是可以看见变化的。

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