はじめのはじめ
この記事は趣味で工作を楽しんでいる人が、
- 勉強のために自分のやったことをまとめる
- やったことを共有することで、誰かの役に立といいな
という想いと目的で書いています。
目次
1. はじめに
2. 構成検討
3. 設計
4. 作製
5. おわりに
1. はじめに
概要
昨今運転中のアルコール規制は厳しくなっていますが、
そういえば呼気中のｱﾙｺｰﾙ濃度を測定する方法が家に無いな～と思ったので、
とりあえず深く考えずに作ってみることにしました。
あとMOSFETでﾊｲｻｲﾄﾞｽｲｯﾁも作ってみたかったのでそれも盛り込むことにしました。
コンセプト
- なるべく安く作る
- 1ﾎﾞﾀﾝで電源ON/OFFと計測開始を兼ねる回路構成
- 充電式の電池駆動
- Fusion360で3D設計
- PCB基板を作製してみる
2. 構成検討
アルコール検出センサー
呼気中ｱﾙｺｰﾙ検知の方法として、いくつか検出方式がありますが、
2023年現在、市販のｾﾝｻでは半導体式が圧倒的に安いので、半導体式を用いることにします。
原理は下記が詳しい。
赤外吸光式が精度、安定性ともに良さそうですね。
最近の市販品はこの方式なんですかね。
使ったｾﾝｻはMQ-3です。
SnO2の酸化/還元状態が周辺ｶﾞｽより変化し、抵抗値が変わる現象を用いたｾﾝｻです。
ﾃﾞｰﾀｼｰﾄに記載ありますが、周辺温度により強く影響を受けるので、
暖気時間が24時間以上が推奨とあります。
どの程度で安定するのか、センサ単品でアナログ値を読み取って確認してみました。
記載の通り安定までの暖気は結構かかりますね。（横軸は稼働後の経過sec、縦軸はｱﾅﾛｸﾞ値 1024max）
ｱﾙｺｰﾙｳｪｯﾄﾃｨｯｼｭで検出できることも確認できました。
しらふの呼気でも多少増加する傾向ついでに確認。
検出後の安定には多少時間かかりますが、安定前に再度呼気をかけてもそれなりにピーク値は再現してます。
よって、安定時間はそこまでやらなくても、ピーク値検出はできると判断できそう。
今回はそこまでの精度を求めないので、使用毎に電源をON/OFFする仕様にします。
暖気時間は使いながら考えればヨシ。
ただ当然ですが精度を追った使用方法の際は、常時稼働状態にすべきですね。
校正をするため、ﾃﾞｰﾀｼｰﾄの校正曲線をﾌｨｯﾃｨﾝｸﾞして関数化し、
検出値からガス濃度へ計算できるようにしました。
- Air状態のRs/R0が60ﾃﾞｰﾀｼｰﾄより規定されている
- Air状態の入力ｱﾅﾛｸﾞ値を電圧に変換
- ﾛｰﾄﾞ抵抗はﾃﾞｰﾀｼｰﾄより200kΩとあるので、ここからAir状態のRsを計算
- Rs/R0=60からR0値を計算
- 先のﾌｨｯﾃｨﾝｸﾞで導出したRs/R0とガス濃度の関係式に代入してガス濃度を計算
という型で事前にR0計算をして、のちのｺｰﾄﾞに入れ込む形にしました。
温度や湿度依存があるので、温湿度センサとセットにして、
補正係数をかけるようにするとより精度があがりますが、今回はやらない。
電源回路
電源には充電式の角型9V電池を用います。
Micro USBで充電ができるタイプです。
Arduinoは内部ﾚｷﾞｭﾚｰﾀで9V入力のままでOKですが、
MQ-3はﾃﾞｰﾀｼｰﾄより5±0.1Vとあるので、別途ﾚｷﾞｭﾚｰﾀをかませることにします。
ﾀｸﾄｽｲｯﾁをﾎﾞﾀﾝにして、MOSFETで電源ON/OFFを制御しつつ、
そのﾎﾞﾀﾝで測定開始のﾄﾘｶﾞとするようにします。
その部分だけ抜き出した回路図は下記です。
pMOSでﾊｲｻｲﾄﾞを止めに行く回路にしてます。
ArduinoのGND側をﾛｰｻｲﾄﾞで止める方法でも構成できそうですが、
ｶｿｰﾄﾞｺﾓﾝのLEDをGPIOに接続した際、OFF状態でもGPIOから電流が漏れてしまうｹｰｽがあったため、
ﾊｲｻｲﾄﾞ側で止める構成が必要と考えました。
ﾊｲｻｲﾄﾞで止める回路構成は下記を参考にさせていただきました。
表示器
7segLEDで測定値の表示、3色LEDで測定値が規格通りかどうかの一目可視化を行います。
7segの表示には74HC545のｼﾌﾄﾚｼﾞｽﾀを使いました。
余っていたので。
全体構成
構成図と部品類はざっくりこんな感じです。
動作ﾌﾛｰもざっくりこんな感じで動かしてみることにします。
あとは作りながら微修正していく作戦。
3. 設計
動作仕様
前述の通り、今回は1ﾎﾞﾀﾝで電源のON/OFF制御と測定開始のﾄﾘｶﾞを兼ねさせる設計をします。
Arduino側は
- ﾎﾞﾀﾝ押している間、電源供給でArduinoが起動
- Arduino起動したら、GPIOで保持するnMOSをON
- ﾎﾞﾀﾝ離しても、GPIOで電源ONを保持
- ﾎﾞﾀﾝ長押しでGPIOで長押し検知、電源ONを保持するnMOSをOFFにして電源遮断
- ﾎﾞﾀﾝ短押しの場合は測定開始
というｼｰｹﾝｽArduinoで作ります。
回路図
いつも通りFusion360で回路～筐体設計まで一括でやりました。
回路図は下記です。
配線図
配線図は下記です。
後述しますが、手持ちの素子と同じCADモデルがなかったので、
適当なMOSFET,、レギュレータをライブラリからモデル選択して配置しましたが、
SDGのピン配置などが違ってて、一部で現物合わせが発生してしまいました。
3ピン以上はちゃんとピン配置を確認しないと駄目ですね。今後注意。
筐体＆3D配置図
こんな感じで配置しました。
筐体は3Dﾌﾟﾘﾝﾀで作りました。材質はPLAです。
フタも嵌合で作成しようと思いましたが、寸法や形状がうまくできなかったので
とりあえず全面むき出しで。
4. 作製
まずﾌﾞﾚｯﾄﾞﾎﾞｰﾄﾞでの動作確認から。
配線ごちゃごちゃしますが、意図どおりの動作シていることを確認。
ついでに稼働中のｾﾝｻ部温度を確認してみました。
SnO2を活性にするため、抵抗加熱しているのでﾋﾟﾝﾎﾟｲﾝﾄで80℃くらいにはなってます。
指が入らないようにはなってますが、お子さんがいる場合はちょっと注意。
筐体作製して、各部品実装をしました。
一部素子にｼﾞｬﾝﾌﾟ線かましてますが、CADﾓﾃﾞﾙと実物で異なるものを配置したため、
ﾋﾟﾝ配置を誤って基板を作っちゃいました。
そのために足元にｼﾞｬﾝﾊﾟ線をかましてごまかしてます。
MOSFETとか3端子ﾚｷﾞｭﾚｰﾀとか、意外とﾒｰｶｰによってﾋﾟﾝ配置違うんですね。
最終的な動作確認です。
ﾃｨｯｼｭを近づけて0.3mg/Lと、若干低めになっているように感じます。
もう少し校正をイジったほうがよいかもしれないけど、それはおいおい実施するとして、
とりあえず完成。
https://www.youtube.com/watch?v=ETKMnI8H-C4
ソースコードは下記です。
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╏ ソースコードを表示（折りたたみ） ╏
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//Arduino IDEボードが「Arduino Pro or Pro mini」を選択
#include "Arduino.h"
//ピンアサイン
int bot = 2; //入力ボタンのピン
int pow_keep =3; //電源ONキープのピン
int dig1 = 4; // DIG1割り当て
int dig2 = 5; // DIG2割り当て
int dig3 = 6; // DIG3割り当て
int dsPin = 7; // (14) DS [SER] on 74HC595
int srclkPin = 8; // (11) SH_CP [SRCLK] on 74HC595
int rclkPin = 9; // (12) ST_CP [RCLK] on 74HC595
int LED_Red=10; //赤LEDのピン
int LED_Green=11; //緑LEDのピン
int LED_Blue=12; //青LEDのピン
int MQ_analog= A0; //MQ-3のアナログ出力ピン
//変数定義
unsigned long pre_time = 0; //前回の時間
unsigned long curr_time = 0; //現在の時間
unsigned long off_time= 30000; //自動オフまでの時間
unsigned long warm_up_time= 10000; //校正時間
float raw_val = 0.0; //MQ-3のアナログ生値
//MQ用の値
float RL=200000;//センサの可変抵抗値
float R0=0.0;//air状態でのセンサ抵抗 起動時に決めるが、だいたい6.4kΩ
float V0=0.0;//air状態でのセンサ電圧 起動時に決めるが、だいたい1.7V
float v0_defoult=1.2;//事前測定したデフォルト値
float max_vol=5.0;//Aruinoの電圧max値
float Vs=0.0;//計測したセンサの電圧値
float air_val=60;//air状態でのセンサ値
float alc_val=0.0;//alcohol状態でのセンサ値
int warm_up_cnt=500;//airで校正する暖気時間
int disp_seg_delay = 5; //7segの点滅時間
int num_1 = 0; //1桁目の位の数字
int num_2 = 0; //2桁目の位の数字
int num_3 = 0; //3桁目の位の数字
//シフトレジスタ用定義
// seven_ledsをbyte型として定義
// 配列にDisplay表示用のデータ0~9と全消灯を設定
// 1 = LED OFF, 0 = LED ON
//小数点OFF
byte seven_leds[12] = { B11111100, // 0
B01100000, // 1
B11011010, // 2
B11110010, // 3
B01100110, // 4
B10110110, // 5
B10111110, // 6
B11100100, // 7
B11111110, // 8
B11110110, // 9
B00000001, // .
B00000000, // OFF
};
//小数点ON
byte seven_leds_dp[12] = { B11111101, // 0
B01100001, // 1
B11011011, // 2
B11110011, // 3
B01100111, // 4
B10110111, // 5
B10111111, // 6
B11100101, // 7
B11111111, // 8
B11110111, // 9
B00000001, // .
B00000000, // OFF
};
//シフトレジスタ部分を関数化
void funcShiftReg(int x)
{
digitalWrite(rclkPin, LOW); //送信中のRCLKをLowにする
shiftOut(dsPin, srclkPin, LSBFIRST, seven_leds[x]); //シフト演算を使って点灯するLEDを選択
digitalWrite(rclkPin, HIGH); //送信終了後RCLKをHighにする
}
void funcShiftReg_dp(int x)
{
digitalWrite(rclkPin, LOW); //送信中のRCLKをLowにする
shiftOut(dsPin, srclkPin, LSBFIRST, seven_leds_dp[x]); //シフト演算を使って点灯するLEDを選択
digitalWrite(rclkPin, HIGH); //送信終了後RCLKをHighにする
}
//センサ初期化
void initial_MQ(){
//センサの初期化
//センサの電圧を計測して平均化
Serial.println("start initializing sensor");
for(int i=0;i<warm_up_cnt;i++){
raw_val += analogRead(MQ_analog);
delay(10);
if(i%10==0){
Serial.println("raw_val:"+String(raw_val/(i+1)));
}
}
raw_val /= warm_up_cnt;
V0=raw_val*max_vol/1024.0;
R0 = RL*(max_vol/V0-1);
Serial.println("raw_val = "+String(raw_val)+" R0 = "+String(R0)+" V0 = "+String(V0));
}
//ボタン入力のチェック 通常は1、長押しは2を返す
int push_bottun_check(){
unsigned long cnt_0 = millis();
unsigned long cnt_1 = millis();
delay(200);
if(digitalRead(bot) == HIGH){
// delay(300);//チャタリング防止
// if(digitalRead(bot) == HIGH){//0.3sec後も押されてるか
while(digitalRead(bot) == HIGH){
cnt_1 = millis();
if(cnt_1 - cnt_0 > 1500){//1sec以上押されているか確認
return 2;
}
}
return 1;//1sec未満の入力は1を返す
// }
}
Serial.println("return 0");
return 0;
}
int push_bottun_check2(){
unsigned long cnt_0 = millis();
unsigned long cnt_1 = millis();
delay(200);
if(digitalRead(bot) == HIGH){
// delay(300);//チャタリング防止
// if(digitalRead(bot) == HIGH){//0.3sec後も押されてるか
while(digitalRead(bot) == HIGH){
cnt_1 = millis();
if(cnt_1 - cnt_0 > 1500){//1sec以上押されているか確認
return 2;
}
}
}
return 1;
}
void LED_Green_ON(){
digitalWrite(LED_Blue, HIGH);
digitalWrite(LED_Green, LOW);
digitalWrite(LED_Red, HIGH);
}
void LED_Red_ON(){
digitalWrite(LED_Blue, HIGH);
digitalWrite(LED_Green, HIGH);
digitalWrite(LED_Red, LOW);
}
void LED_Blue_ON(){
digitalWrite(LED_Blue, LOW);
digitalWrite(LED_Green, HIGH);
digitalWrite(LED_Red, HIGH);
}
void LED_Yellow_ON(){
digitalWrite(LED_Blue, HIGH);
digitalWrite(LED_Green, LOW);
digitalWrite(LED_Red, LOW);
}
void LED_OFF(){
digitalWrite(LED_Blue, HIGH);
digitalWrite(LED_Green, HIGH);
digitalWrite(LED_Red, HIGH);
}
// void intertupt_bot(){
// Serial.println("interrupt");
// disp_test();
// }
void disp_num(){
Serial.println("start disp_num");
if(alc_val<0.05){
LED_Green_ON();
}
else if(alc_val<=0.05 && alc_val<0.1){
LED_Yellow_ON();
}
else{
LED_Red_ON();
}
pre_time = millis();
while(millis()-pre_time<10000){
//1桁目表示
digitalWrite(dig1, LOW);
digitalWrite(dig2, HIGH);
digitalWrite(dig3, HIGH);
funcShiftReg(num_3);
delay(disp_seg_delay);
//2桁目表示
digitalWrite(dig1, HIGH);
digitalWrite(dig2, LOW);
digitalWrite(dig3, HIGH);
funcShiftReg(num_2);
delay(disp_seg_delay);
//3桁目表示
digitalWrite(dig1,HIGH);
digitalWrite(dig2, HIGH);
digitalWrite(dig3, LOW);
funcShiftReg_dp(num_1);
delay(disp_seg_delay);
if(digitalRead(bot) == HIGH){
Serial.println("break");
break;
}
}
digitalWrite(dig1,HIGH);
digitalWrite(dig2, HIGH);
digitalWrite(dig3, HIGH);
}
void get_val(){
Serial.println("start get_val");
V0=v0_defoult;//初期設定使わず固定値にする。無効時はコメントアウト
float sum = 0.0;
float val = 0.0;
float tmp_val = 0.0;
alc_val = 0.0;
pre_time = millis();
Serial.println("millis-pretime:"+String(millis()-pre_time));
while(millis()-pre_time<10000){
if(digitalRead(bot)==HIGH){
Serial.println("break");
break;
}
sum=0.0;
val=0.0;
tmp_val=0.0;
int t=millis()-pre_time;
if((t/1000)%2==0){//0-999sec, 2000-2999secまで
LED_Blue_ON();
}
else{//1000-1999sec, 3000-3999secまで
LED_OFF();
}
for(int i = 0; i < 10; i++){
val = analogRead(A0);
sum = sum+val;
delay(10);
}
raw_val = sum/10;
Vs = (raw_val/1024)*5;
tmp_val = pow(air_val*(V0/(max_vol - V0))*(max_vol-Vs)/Vs,-1.5);
alc_val=max(alc_val,tmp_val);
}
Serial.println("Rs/R0:"+String(air_val*(V0/(max_vol - V0))*(max_vol-Vs)/Vs));
Serial.println("raw_val:"+String(raw_val)+" Vs:"+String(Vs)+" alc_val:"+String(alc_val));
//表示の文字を計算
if(alc_val<0.01){
num_1 = 0;
num_2 = 0;
num_3 = 0;
}
else if(0.01<=alc_val && alc_val<1){
num_1 = 0;
num_2 = int(alc_val*100)/10;
num_3 = int(alc_val*100)%10;
}
else{
num_1 = 1;
num_2 = 0;
num_3 = 0;
}
Serial.println("num_1:"+String(num_1)+" num_2:"+String(num_2)+" num_3:"+String(num_3));
}
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
Serial.begin(9600);
pinMode(bot, INPUT);
pinMode(pow_keep, OUTPUT);
pinMode(dig1, OUTPUT);
pinMode(dig2, OUTPUT);
pinMode(dig3, OUTPUT);
pinMode(dsPin, OUTPUT);
pinMode(srclkPin, OUTPUT);
pinMode(rclkPin, OUTPUT);
pinMode(LED_Blue, OUTPUT);
pinMode(LED_Green, OUTPUT);
pinMode(LED_Red, OUTPUT);
//割り込みピンの設定
// attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(bot),intertupt_bot, CHANGE);
digitalWrite(pow_keep, HIGH);//これで電源KEEP
digitalWrite(dig1,HIGH);
digitalWrite(dig2,HIGH);
digitalWrite(dig3,HIGH);
LED_OFF();
// //MQ-3の暖気待ち用 固定値使わないとき用
// pre_time = millis();
// while(millis() - pre_time < warm_up_time){
// LED_Blue_ON();
// digitalWrite(dig1, LOW);
// digitalWrite(dig2, HIGH);
// digitalWrite(dig3, HIGH);
// funcShiftReg(1);
// delay(300);
// LED_Green_ON();
// digitalWrite(dig1, HIGH);
// digitalWrite(dig2, LOW);
// digitalWrite(dig3, HIGH);
// funcShiftReg(2);
// delay(300);
// LED_Red_ON();
// digitalWrite(dig1,HIGH);
// digitalWrite(dig2, HIGH);
// digitalWrite(dig3, LOW);
// funcShiftReg_dp(3);
// delay(300);
// LED_OFF();
// delay(300);
// }
// digitalWrite(dig1,HIGH);
// digitalWrite(dig2, HIGH);
// digitalWrite(dig3, HIGH);
// //MQ-3の初期設定
// LED_Red_ON();
// initial_MQ();
// LED_OFF();
//ボタン押しっぱなしで起動時の自動OFFを止めるためのループ
while(digitalRead(bot)==HIGH){
LED_Yellow_ON();
}
V0=v0_defoult;//初期設定使わず固定値にする。無効時はコメントアウト
Serial.println("setup finished");
}
void loop() {
LED_Blue_ON();
if(digitalRead(bot)==HIGH){
Serial.println("ボタンが押されました。ボタン入力のチェック");
int bot_state=push_bottun_check2();
if(bot_state==1){
Serial.println("ボタンが押されました。");
// LED_Red_ON();
// disp_test();
get_val();
disp_num();
pre_time = millis();
}
else if (bot_state==2){
Serial.println("ボタンが長押しされました。");
// LED_Yellow_ON();
delay(5000);
digitalWrite(pow_keep, LOW);
}
else{
Serial.println("入力検出ミス");
}
}
curr_time = millis();
if(curr_time - pre_time > off_time){
Serial.println("5分経過しました。5sec後に自動オフします");
pre_time=millis();
while(millis()-pre_time<5000){
int t=millis()-pre_time;
if(t/500%2==0){
LED_Yellow_ON();
}
else{
LED_OFF();
}
}
delay(5000);
digitalWrite(pow_keep, LOW);
}
}
5. 終わりに
ｱﾙｺｰﾙﾁｪｯｶｰを作ってみようと思いたち、ひとまずそれっぽいものが完成できました。
また、ﾊｲｻｲﾄﾞｽｲｯﾁも組み込むことができました。
ただ3Dﾌﾟﾘﾝﾀでのはめあいはうまくできなかったので、おいおい何か別のｸﾗﾌﾄでﾘﾍﾞﾝｼﾞしようかな。
ここまで見ていただいてありがとうございました。