Проект на тему «Разработка датчика природного газа со световым предупреждением на основе ARDUINO»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Школа № 16» города Сарова

Проект на тему:

«Разработка датчика природного газа со звуковым и световым предупреждением на основе ARDUINO»

Практико-ориентированный проект

Работу выполнил:

Ученик 10 «Б» класса

Рыжов Глеб

Руководитель: Ялтаева С.О.,

учитель информатики

МБОУ «Школа №16»

Город Саров

2024

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

Глава 1 ARDUINO, как часть современного мира 4

1.1 Историческая справка 4

1.2 Области применения датчиков по типу ARDUINO 5

Глава 2 Процесс создания газоанализатора 7

2.1 Описание датчика природного газа MQ-4 7

2.2 Программирование ARDUINO для работы с датчиком MQ-4 8

2.3 Создание звуковой системы предупреждения на ARDUINO 9

2.4 Интеграция компонентов в устройство с датчиком MQ-4 9

2.5 Процесс калибровки датчика MQ-4 с ARDUINO 10

2.6 Безопасность при использовании датчика MQ-4 с ARDUINO 11

Заключение 13

Список литературы 14

Arduino — это универсальная платформа, которая открывает широкие возможности для изучения программирования, микроэлектроники и робототехники. Её простота и доступность делают её идеальным инструментом для образовательных проектов, а открытая архитектура позволяет создавать уникальные устройства, адаптированные под конкретные задачи.

Актуальность данного проекта заключается в том, что проблема обнаружения утечек природного газа остаётся крайне важной для обеспечения безопасности в быту. Газовые плиты и колонки, несмотря на их повсеместное использование, могут стать источником опасности при неисправностях или неправильной эксплуатации. Разработка бюджетного датчика на основе Arduino позволит создать доступное решение для своевременного предупреждения об утечках газа, что особенно актуально для домохозяйств, где используются газовые приборы.

Цель проекта — разработать функциональный датчик природного газа с звуковым и световым оповещением на базе Arduino. Это устройство должно быть простым в изготовлении, не требующим значительных финансовых затрат, и при этом эффективным в обнаружении метана и других опасных газов.

Задачи проекта:

1. Изучить принципы работы газоанализирующих датчиков, в частности MQ-4, и их взаимодействие с микроконтроллерами.

2. Разработать схему подключения и программу для Arduino, обеспечивающую обработку данных с датчика и активацию сигналов оповещения.

3. Протестировать устройство в реальных условиях, оценить его точность и надёжность.

4. Проанализировать результаты и сделать выводы о возможности массового применения подобных устройств.

Гипотеза проекта: использование Arduino и датчика MQ-4 позволяет создать недорогое, но эффективное устройство для обнаружения утечек газа, которое может быть легко воспроизведено даже начинающими электронщиками.

Проблема проекта: несмотря на наличие промышленных аналогов, большинство существующих решений являются дорогостоящими или сложными в настройке. Данный проект предлагает альтернативу — устройство, которое можно собрать самостоятельно, используя доступные компоненты.

Разработка датчика газа на Arduino — это не только практическое решение для повышения безопасности, но и отличный образовательный проект, демонстрирующий возможности современных микроконтроллеров.

Ардуино — это открытая платформа для разработки программного обеспечения и аппаратных средств, которая была создана в 2003 году в Италии. Основателями проекта были Массимо Банзи, Дэвид Куаззо и Дэвид Меллоне. Их целью было создать доступную и простую в использовании платформу для электронных проектов, которая была бы доступна широкой аудитории.

Идея Ардуино была вдохновлена необходимостью облегчить процесс создания интерактивных устройств и привнести его в мир хобби-электроники. Ранее, для разработки электронных устройств требовались высокие навыки программирования и сложные схемы. Ардуино предоставила простую и понятную среду программирования, а также модули и компоненты, которые можно легко подключить. Пример устройства на основе Ардуино показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – опытный образец

С момента выпуска первой модели Ардуино Uno сообщество разработчиков начало активно вносить свой вклад в развитие платформы. Благодаря открытости и доступности документации, люди по всему миру начали создавать свои варианты Ардуино и разрабатывать дополнительные платы, называемые щитами (shields). Ардуино Uno можно рассмотреть на рисунке 2.

Рисунок 2 – Arduino UNO

Щиты — это дополнительные платы, которые можно подключать к основной платформе Ардуино и расширять ее функциональность. Например, существуют щиты для подключения дисплеев, сенсоров, моторов, беспроводных модулей и многого другого. Они предоставляют разработчикам готовые модули и интерфейсы для подключения различных устройств без необходимости проектирования схем и пайки компонентов. На рисунке 3 можно увидеть Arduino с установленной платой расширения.

Рисунок 3 – щит (shield) Arduino

Кустарное производство и использование щитов сделали Ардуино еще более гибкой и масштабируемой платформой. Разработчики могут выбирать нужные щиты в зависимости от своих потребностей и легко соединять их с основной платформой. Это позволяет быстро создавать прототипы и расширять функциональность устройств.

Благодаря активному сообществу разработчиков, сегодня существует огромное разнообразие щитов для Ардуино, созданных как коммерческими компаниями, так и энтузиастами. Каждый щит имеет свою спецификацию и возможности, что позволяет выбирать наиболее подходящие решения для конкретных проектов.

Такое расширение функциональности Ардуино щитами привлекло множество разработчиков и энтузиастов, увеличивая популярность платформы. Он также способствовал развитию экосистемы вокруг Ардуино, где люди делятся своими проектами, опытом и кодом, создавая активное и поддерживающее сообщество.

Микроконтроллеры Arduino, изначально разработанные для прототипирования, нашли свое место в промышленности, становясь надежным и доступным инструментом для автоматизации и контроля производственных процессов.

Микроконтроллеры Arduino отличаются стабильной работой и способностью выдерживать различные условия эксплуатации, что делает их привлекательными для применения в промышленных средах. Рисунок 4.

Рисунок 4 – опытный образец

Низкая стоимость и доступность оборудования позволяют снизить затраты на внедрение автоматизации, особенно для малых и средних предприятий.

Интуитивный интерфейс и поддержка широкого сообщества разработчиков делают программирование на платформе Arduino доступным даже для тех, кто не является профессиональным программистом. Интерфейс приложения показан на рисунке 5.

Рисунок 5 – интерфейс приложения

Гибкие порты ввода/вывода позволяют легко интегрировать Arduino с различными датчиками, исполнительными устройствами и системами.

Arduino поддерживает разнообразные протоколы связи, что обеспечивает совместимость с различными устройствами и системами. Способность работать с множеством датчиков и устройств позволяет создавать комплексные системы мониторинга и контроля.

Arduino используется для управления и мониторинга процессов на производственных линиях, что повышает эффективность, снижает ошибки и обеспечивает точное соблюдение технологических процессов. Системы на базе Arduino используются для сбора и анализа данных о работе оборудования, температурных параметрах, уровне загрузки и других ключевых параметрах производства.

Моя бабушка пользуется газовой плитой. Я часто вижу, что при проветривании комнаты конфорка часто затухает, и появляется риск газового отравления и взрыва. Чтобы этого избежать, я решил подарить бабушке самодельный газоанализатор.

Для проведения будущих работ нужно было составить план-схемы подключения и программирования, которые показаны на рисунках 6 и 7.

Рисунок 6 – план-схема программирования

Рисунок 7 – схема подключения

Для создания датчика природного газа MQ-4 с возможностью звукового и светового предупреждения на платформе ARDUINO необходимо учитывать технические характеристики самого датчика. Он обладает высокой чувствительностью к газам, таким как метан, пропан и бутан, что позволяет оперативно реагировать на их наличие в воздухе. Кроме того, датчик MQ-4 имеет быстрое время отклика и высокую стабильность работы, что делает его надежным инструментом для обнаружения газовых утечек. Датчик MQ-4 показан на рисунке 8.

Рисунок 8 – датчик MQ – 4

Интеграция датчика MQ-4 с ARDUINO позволит создать эффективную систему предупреждения о наличии вредных газов в окружающей среде. Программирование ARDUINO для работы с датчиком MQ-4 позволит настроить алгоритмы обнаружения газов и установить пороговые значения концентрации, при достижении которых будет срабатывать звуковое и световое предупреждение для пользователя.

Таким образом, разработка датчика природного газа MQ-4 с функцией звукового и светового предупреждения на основе ARDUINO представляет собой важную задачу, направленную на обеспечение безопасности и контроля за качеством воздуха в помещениях.

Программирование ARDUINO для работы с датчиком MQ-4 начинается с подключения датчика к плате ARDUINO (рисунок 9). Для этого необходимо ознакомиться с соответствующей документацией и руководствами, доступными на различных интернет-ресурсах. Например, на сайте wiki.amperka.ru представлены видеообзор, подключение и настройка датчика газа MQ-4 с примером программы для ARDUINO. Этот материал поможет разобраться с основами работы с датчиком и его интеграцией в проект.

Рисунок 9 – подключение датчиков к плате

Для более глубокого понимания процесса программирования ARDUINO с датчиком MQ-4 полезно обратить внимание на статью на сайте arduino-kit.ru. Здесь представлены не только необходимые компоненты для работы с датчиком газа MQ-4, но и примеры использования контроллера ARDUINO UNO R3, платы для прототипирования, газовой зажигалки и светодиода. Это позволит углубить знания о том, как можно интегрировать датчик в различные устройства и создавать собственные проекты.

Дополнительную информацию о датчике газа MQ-4 можно найти на ресурсе arduinomania.in.ua. Здесь представлено описание датчика, который специализируется на обнаружении метана и может использоваться для определения его концентрации в воздухе. Это знание будет полезным при разработке проекта, направленного на обнаружение вредных газов с помощью ARDUINO.

Таким образом, изучение материалов с указанных интернет-ресурсов поможет разработать навыки программирования ARDUINO для работы с датчиком MQ-4, а также позволит более глубоко понять принципы работы датчика и его интеграцию в различные устройства.

Для создания звуковой системы предупреждения на платформе ARDUINO можно воспользоваться различными модулями воспроизведения звука, такими как DFPlayer Mini, WTV020M01, JQ6500 (рисунок 10). Эти модули позволяют воспроизводить звуковые сигналы и могут быть интегрированы в устройство с датчиком MQ-4 для обеспечения звукового предупреждения при обнаружении вредных газов.

Рисунок 10 – динамик (speaker)

Существует также возможность использовать Arduino для создания коробки вокальных звуковых эффектов, которая способна сдвигать и искажать входящие звуковые сигналы для получения разнообразных звуковых эффектов. Это открывает широкие возможности для настройки звуковых сигналов предупреждения в зависимости от обнаруженной концентрации газов.

Использование Arduino также позволяет обрабатывать звук в реальном времени, что может быть полезно при создании звуковой системы предупреждения. Это позволяет настраивать звуковые сигналы в зависимости от ситуации и обеспечивать более эффективное предупреждение пользователя о наличии опасных газов.

Таким образом, интеграция звуковой системы предупреждения на основе ARDUINO в устройство с датчиком природного газа MQ-4 позволит не только обнаруживать вредные газы, но и эффективно информировать пользователя о возможной опасности с помощью звуковых сигналов.

Интеграция компонентов Arduino с датчиком MQ-4 представляет собой важный этап в создании устройства для обнаружения различных газов. Для этого процесса необходимо использовать несколько проводов, а именно два трехпроводных шлейфа, которые обеспечат быструю и надежную передачу данных от датчика газа MQ-4 (рисунок 11).

Рисунок 11 – распиновка полноценного устройства

Датчик MQ-4 способен обнаруживать утечку различных газов, таких как дым, природный газ, сигаретный и кухонный дым, пропан, метан, бутан и другие. Для успешной интеграции компонентов необходимо иметь следующее оборудование: контроллер Arduino UNO R3, плату для прототипирования, газовую зажигалку и светодиоды.

Подключение датчика газа MQ-4 к Arduino позволяет создать функциональное устройство, способное реагировать на наличие вредных газов в окружающей среде. Для более подробной информации о подключении и необходимых компонентах можно обратиться к следующим источникам:

- [Датчик газа MQ-4 на сайте Amperka](http://wiki.amperka.ru/продукты:mq4)

- [Arduino Kit -Проект с датчиком газа MQ-4](https://arduino-kit.ru/blogs/blog/project_22)

- [Модуль датчика газа MQ-4 на Ozon.ru](https://www.ozon.ru/product/arduino-modul-datchika-gaza-mq-4-metan-propan-butan-307331308)

Используя указанные ресурсы, можно успешно интегрировать компоненты Arduino с датчиком MQ-4 и создать эффективное устройство для обнаружения вредных газов в окружающей среде.

Калибровка датчика MQ-4 с ARDUINO является важным этапом для обеспечения точности и надежности его работы. Калибровка позволяет установить соответствие между показаниями датчика и реальной концентрацией вредных газов в окружающей среде. Для успешной калибровки необходимо следовать определенным шагам, учитывая особенности работы датчика MQ-4 и платформы ARDUINO.

Одним из ключевых аспектов калибровки датчика MQ-4 является понимание даташита и спецификаций самого датчика. Важно учитывать рекомендации производителя по калибровке и настройке датчика. Настройка датчика MQ-4 включает в себя определение опорного значения Ro, которое является базовым показателем для расчета концентрации газов. Это значение Ro может быть уникальным для каждого датчика MQ-4, поэтому необходимо провести индивидуальную настройку.

Для более точной калибровки датчика MQ-4 с ARDUINO можно использовать возможности платформы для вывода текущего значения вредных газов в ppm через Serial-порт при управлении нагревателем. Это позволит отслеживать изменения концентрации газов в реальном времени и корректировать калибровку при необходимости.

Помимо этого, статьи и руководства по работе с датчиками газа серии MQ, включая MQ-4, предоставляют ценную информацию о методах калибровки и оптимизации работы датчиков с использованием ARDUINO. Эксперименты и исследования, проведенные другими пользователями, могут также содержать полезные советы и рекомендации по калибровке датчика MQ-4.

Таким образом, калибровка датчика MQ-4 с ARDUINO требует внимательного подхода и понимания особенностей работы как самого датчика, так и платформы ARDUINO. Изучение доступных источников информации, включая статьи и руководства, поможет провести успешную калибровку и обеспечить эффективную работу датчика природного газа MQ-4.

При разработке и использовании датчика природного газа MQ-4 с ARDUINO необходимо уделить особое внимание вопросам безопасности. Данный датчик предназначен для обнаружения утечек газа, что делает его важным компонентом системы безопасности в доме или офисе. Однако, при неправильном использовании или некорректной установке датчика, возможны опасные ситуации, связанные с газовыми утечками.

Первоочередной мерой безопасности при работе с датчиком MQ-4 является правильная сборка и подключение устройства. Необходимо строго следовать инструкциям по сборке и подключению датчика, чтобы исключить возможность короткого замыкания или неправильного подключения, что может привести к аварийной ситуации (рисунок 12).

Рисунок 12 – схема подключения

Так же не стоит забывать, что при работе с газовыми датчиками необходимо проявлять осторожность и обеспечивать правильную вентиляцию в тестовой среде. Безопасность должна быть приоритетом при работе с потенциально опасными газами.

Для обеспечения безопасности окружающих необходимо устанавливать датчик MQ-4 в местах, где возможна утечка газа, таких как кухня, бойлерная или газовая плита. Также важно регулярно проверять состояние датчика и его работоспособность, чтобы своевременно заметить и устранить любые неисправности.

Помимо этого, для обеспечения безопасности жильцов необходимо предусмотреть систему предупреждения об опасности. Для этого можно использовать звуковое и световое предупреждение, которое активируется при обнаружении утечки газа датчиком MQ-4. Такой подход позволит оперативно оповестить людей о возможной опасности и принять необходимые меры по ее устранению.

Важно помнить, что датчик MQ-4 не является универсальным средством защиты от газовых утечек и не заменяет профессиональные системы безопасности. Он представляет собой дополнительное средство контроля и предупреждения, которое помогает повысить уровень безопасности в помещении.

Таким образом, соблюдение правил безопасности при использовании датчика MQ-4 с ARDUINO позволит избежать опасных ситуаций и обеспечить надежную защиту от газовых утечек в доме или офисе.

В ходе работы над проектом была успешно разработана и реализована система обнаружения природного газа на основе датчика MQ-4 и платформы Arduino. Устройство оснащено звуковым и световым оповещением, что делает его эффективным инструментом для предупреждения об утечках газа в бытовых условиях.

Основные достижения:

• Изучены технические характеристики датчика MQ-4 и его взаимодействие с Arduino.

• Разработана схема подключения и написана программа, обеспечивающая обработку данных и активацию сигналов при превышении пороговых значений концентрации газа.

• Проведены испытания устройства, подтвердившие его работоспособность и точность.

• Уделено внимание вопросам безопасности, включая правильную калибровку датчика и корректное размещение устройства в помещении.

Перспективы развития проекта:

1. Расширение функционала: добавление возможности отправки уведомлений на смартфон через Wi-Fi или GSM-модуль.

2. Улучшение точности: использование дополнительных датчиков для повышения надёжности системы.

3. Массовое внедрение: адаптация проекта для использования в школах, колледжах и домах, где актуальна проблема газовой безопасности.

Проект доказал, что Arduino и датчик MQ-4 позволяют создать доступное и эффективное решение для обнаружения утечек газа. Это открывает новые возможности для применения подобных устройств в повседневной жизни, а также подчёркивает важность интеграции современных технологий в вопросы безопасности.

Вывод: разработка датчика природного газа на Arduino — это шаг в сторону демократизации технологий, где каждый может внести вклад в создание безопасной среды. Проект не только решает практическую задачу, но и служит примером того, как инновации могут быть доступными и простыми в реализации.

Список литературы

1. Датчик природного газа MQ-4 (Troyka-модуль) [Электронный ресурс] // amperka.ru - Режим доступа: https://amperka.ru/product/troyka-mq4-gas-sensor, свободный. - Загл. с экрана

2. Датчик газа MQ-4 (метан, природный газ) купить в Москве [Электронный ресурс] // 3d-diy.ru - Режим доступа: https://3d-diy.ru/product/datchik-gaza-mq-4, свободный. - Загл. с экрана

3. Датчик природного газа MQ-4 (Quatro-модуль) [Электронный ресурс] // linuxcenter.shop - Режим доступа: https://linuxcenter.shop/product/datchik-prirodnogo-gaza-mq-4-quatro-modul, свободный. - Загл. с экрана

4. Датчик природного газа MQ-4 [Электронный ресурс] // wiki.amperka.ru - Режим доступа: http://wiki.amperka.ru/продукты:mq4, свободный. - Загл. с экрана

5. Проект 22: Датчики газов. Принцип работы, пример работы [Электронный ресурс] // arduino-kit.ru - Режим доступа: https://arduino-kit.ru/blogs/blog/project_22, свободный. - Загл. с экрана

6. Arduino MQ4 датчик газу [Электронный ресурс] // arduinomania.in.ua - Режим доступа: https://arduinomania.in.ua/arduino-mq-4-datchik-gaza-ua, свободный. - Загл. с экрана

7. Модули воспроизведения звука для Arduino [Электронный ресурс] // www.youtube.com - Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=viwgbgl-h2u, свободный. - Загл. с экрана

8. Устройство вокальных звуковых эффектов на Arduino [Электронный ресурс] // cxem.net - Режим доступа: https://cxem.net/sound/music/music29.php, свободный. - Загл. с экрана

9. Обработка звука в реальном времени с помощью Arduino [Электронный ресурс] // microsin.net - Режим доступа: https://microsin.net/programming/avr/real-time-digital-audio-processing-using-arduino.html, свободный. - Загл. с экрана

10. ARDUINO модуль датчика газа MQ-4 / метан, пропан ... [Электронный ресурс] // www.ozon.ru - Режим доступа: https://www.ozon.ru/product/arduino-modul-datchika-gaza-mq-4-metan-propan-butan-307331308/, свободный. - Загл. с экрана

11. MQ-4 - Газовые датчики и модули [Электронный ресурс] // www.rct.ru - Режим доступа: https://www.rct.ru/catalog/gas-sensor/mq-4.html, свободный. - Загл. с экрана

12. Датчик природного газа MQ-4 [Электронный ресурс] // geegrow.ru - Режим доступа: https://geegrow.ru/shop/sensors/4787.html, свободный. - Загл. с экрана

13. Разбираемся с датчиками CO и метана MQ-4 и MQ-7 [Электронный ресурс] // blog.kvv213.com - Режим доступа: https://blog.kvv213.com/2016/09/razbiraemsya-s-datchikami-co-i-metana-mq-4-i-mq-7/, свободный. - Загл. с экрана

14. MegaD-328 и датчики газа. Определяем утечки и другие ... [Электронный ресурс] // ab-log.ru - Режим доступа: https://ab-log.ru/smart-house/ethernet/gas-sensors, свободный. - Загл. с экрана

15. Датчики газов серии MQ | TehnoZet-2 [Электронный ресурс] // dzen.ru - Режим доступа: https://dzen.ru/a/x6bpqrh7zy4jurwa, свободный. - Загл. с экрана

16. Датчик природного газа MQ-4 [Электронный ресурс] // smartelements.ru - Режим доступа: https://smartelements.ru/collection/datchiki-i-sensory/product/datchik-gaza-mq-4, свободный. - Загл. с экрана

17. MQ-4 – Датчик газа (метан, природный газ) - Москва [Электронный ресурс] // voltiq.ru - Режим доступа: https://voltiq.ru/shop/mq4-gas-sensor/, свободный. - Загл. с экрана

18. Датчик природного газа MQ-4 для Arduino купить в Украине [Электронный ресурс] // mikronika.net - Режим доступа: https://mikronika.net/product/amperka-troyka-sensor-gas-mq4, свободный. - Загл. с экрана

19. Датчик природного газа MQ-4 [Электронный ресурс] // forum.amperka.ru - Режим доступа: https://forum.amperka.ru/threads/датчик-природного-газа-mq-4.10352/, свободный. - Загл. с экрана

20. Расстановка точек над датчиками газа серии MQ [Электронный ресурс] // habr.com - Режим доступа: https://habr.com/ru/articles/490654/, свободный. - Загл. с экрана

21. Сомов А. С., Лыжин И. Г. Методическое пособие «Разработка умных устройств на базе Arduino» / Сомов А. С., Лыжин И. Г. — М: Сколковский институт науки и технологий, 2020. — 80 с.

22. Росляков, А. В. Интернет вещей: учебное пособие [текст] / А. В. Росляков, С. В. Ваняшин, А. Ю. Гребешков. — Самара: ПГУТИ, 2015. — 200с.

23. Иванов И. И., Соловьев Г. И., Фролов В. Я. «Электротехника и основы электроники: учебник для вузов» Издательство «Лань» 2021. — 736 c.

24. Миронов В.И. И