Как подключить датчик давления к Ардуино

Конец двадцатого века был временем взрывного роста технологий, которое выразилось не сколько разработкой новых устройств, а скорее расширением возможностей привычных механизмов. Примером тут может служить обыденный выключатель света. Если раньше все его функции состояли в подаче тока и прекращению хода электричества к устройствам потребления, — теперь он может сообщать в конгломерат домашней техники, работающей в единой сети, о своем статусе, или менять состояние по удаленным командам.

Расширение функционала стало доступным за счет широкого использования микроконтроллеров. В своей основе — они представляют собой миниатюрные компьютеры, ориентированные на управление внешними устройствами в рамках своей программы и происходящих вокруг факторов. Информацию о последних логический модуль получает за счет специализированных датчиков.

Существует не так много моделей микроконтроллеров, служащих базой «умной» техники. Среди них определенной популярностью пользуется Arduino, в качестве достаточно универсальной основы создания интеллектуального оборудования. Своей известности микроконтроллер обязан не только быстродействием или удобством подключения внешних компонентов, но и широтой их моделей, представленной на рынке. Среди последних, богатый выбор сенсоров, устройств индикации, средств интерфейса и получения команд, сетевых и коммуникационных плат, а также управляющих внешней аппаратурой узлов.

Собственно, чувствительные элементы платформы и будут рассмотрены в теле статьи, а конкретно один из них — датчик давления Ардуино.

Что измеряет сенсор

Давление — некая физическая величина численно равная перпендикулярно направленной силе действующей на единицу площади поверхности. Сам датчик можно представить своеобразными очень чувствительными весами. Последнее замечание сделано по причине того, что и вода, и газы тоже имеют свою массу, которая влияет на поверхность под ними. На практике, за счет указанного фактора, можно определить глубину погружения (чем ниже, тем больше вес слоя воды) или высоту подъема в атмосферу (чем выше — тем меньше плотность, а значит и слабее воздействие). Кроме того, в отношении давления воздуха не стоит забывать о погодных колебаниях. Резкое падение названой характеристики атмосферы — к дождю или буре.

Опять же, насчет газов и частично жидкостей. Их можно сжимать. Но, уплотненные вещества будут стремиться вернуться в первоначальное состояние. И чем сильнее компрессия, тем мощнее будет конечное давление газа или жидкости внутри сосуда их содержащего.

Собственно, детектор Ардуино о котором идет речь, и измеряет силу воздействия на единицу площади сенсорного элемента прибора. Правда, в большинстве выпускаемых моделей, описанное — не все их функциональные возможности. Бонусом, у многих идет замер температуры окружающей среды, а у некоторых еще и влажности или ускорения.

Устройство

Суммарное количество чувствительных элементов датчика давления зависит от его модели. Главными остается пьезоэлементы, определяющие саму силу действия на свою плоскость. Физическая основа работы – возникновение электрического тока на внутренних кварцевых пластинах в результате их деформации при соприкосновении с влияющим фактором. В настоящем случае, о котором идет речь — газом или жидкостью.

Выработанное аналоговое напряжение идет в модуль АЦП преобразования, где его сила перекодируется в числовой вид и через интерфейсы датчика I2C и SPI отправляется на микроконтроллер. Библиотека функций, ориентированных на работу с конкретным сенсором, переводит полученные величины в понятный человеком вид, на основе единиц измерений давления в стандарте Си — Паскалях.

Все дополнительные измеряющие элементы конкретного устройства действуют похожим образом, конвертируя с помощью АЦП аналоговые значения в цифру, для последующей отправки их в Arduino.

Представленные на рынке модели

Датчики Arduino, относящиеся к давлению, делятся согласно средам применения и конструктивным особенностям, непосредственно связанным с получением конечного результата. Есть модели, защищенные от влаги и предназначенные для применения в жидкостях, другие работают только в качестве анероидов атмосферы, иные устанавливаются в разрыв движения потока, четвертые в качестве определителей внутреннего давления наполняющего емкость газа. Их всех объединяет наличие общих интерфейсов подключения к микроконтроллеру и низкое, не более нескольких милливатт (реже Ватт), потребление энергии.

Конечно, в приведенном списке числятся далеко не все существующие модели. В нем указаны только те, которые обладают определенной популярностью и затребованы пользователями.

Схемы подключения датчика давления жидкости

Среди множества схем, демонстрирующих работу Arduino с датчиком давления жидкости, была выбрана наиболее простая, использующая минимум радиодеталей. С ее помощью можно проводить измерение глубины погружения или уровня заполнения сосуда водой. Итак, понадобится:

Библиотека работы с датчиком давления берется здесь: https://github.com/millerlp/MS5803_05

С экраном тут: https://yadi.sk/d/KKJwJ1VtDx9PCw

Принципиальная схема

Кнопка нужна для выбора режима отображения — однократное нажатие переключает вывод абсолютных и относительных данных, с сохранением состояния на последующих опросах датчика.

Скетч

Достаточно простая программа для микроконтроллера, заливаемая в него при помощи Arduino IDE:

#DEFINE fButton_pin 2
#DEFINE LED_pin 13
#DEFINE DISPLAY_height 2
#DEFINE DISPLAY_width 16
#DEFINE DISPLAY_contrast 63
// Подключение библиотек и инициализация датчика вместе с дисплеем
#include <MS5803_05.h>
#include <TroykaTextLCD.h>
// Wire.h подключать не нужно он уже вызван в TroykaTextLCD.h
MS_5803 S = MS_5803(512);
TroykaTextLCD DISPLAY;
// переменные программы
float mmWater = 0;
float TechAtmosphere = 0;
float dObtainedValue = 0;
float ObtainedValue = 0;
void setup() {
// параметры экрана
DISPLAY.setContrast(DISPLAY_contrast);
DISPLAY.begin(DISPLAY_width, DISPLAY_height);
// Установка датчика в 0, FALSE функции блокирует отправку технической информации в консоль
S.initializeMS_5803(FALSE);
delay(1000); // ждем, пока он выполнит инициализацию
// кнопка и светодиод показывающий режимы
pinMode(fButton_pin, INPUT_PULLUP);
pinMode(LED_pin, OUTPUT);
}
void loop() {
// Инициировать сенсор в режим взятия показаний
S.readSensor();
DISPLAY.setCursor(0, 0);
// получить и высветить значения в верхней строчке экрана
ObtainedValue = S.pressure();
DISPLAY.print(ObtainedValue);
DISPLAY.print("mbar ");
DISPLAY.print(S.temperature());
DISPLAY.print("C");
// действия при нажатии кнопки
if (!digitalRead(fButton_pin)) {
// Изменение режима работы светодиода на противоположный
digitalWrite(LED_pin, !digitalRead(LED_pin));
dObtainedValue = ObtainedValue;
}
if (!digitalRead(LED_pin)) {
// абсолютные значения
mmWater = ObtainedValue * 1.019744288922 * 10;
TechAtmosphere = ObtainedValue * 0.001019716212978;
} else {
// относительные значения
mmWater = ((ObtainedValue - dObtainedValue) * 1.019744288922) * 10;
TechAtmosphere = (ObtainedValue - dObtainedValue) * 0.001019716212978;
}
// отображаем на экране значения в технических атмосферах и см воды
DISPLAY.setCursor(0, 1);
DISPLAY.print(TechAtmosphere,3);
DISPLAY.print("TA ");
DISPLAY.print(mmWater,0);
DISPLAY.print("mm");
delay(1000);
DISPLAY.clear();
}


Схемы подключения датчика давления воздуха

Следующая конструкция построена на сенсоре-анероиде BMP180. Экран, в нее входящий, будет отображать текущее давление атмосферного воздуха и температуру окружающей среды. Для изготовления понадобятся:

Ну и конечно провода для связки всего названого в единую систему.

Библиотека, управляющая сенсором берется тут: https://github.com/adafruit/Adafruit-BMP085-Library

Принципиальная схема

Фотография итогового устройства:

Плата-шилд самодельная, для желающих повторить, она вблизи:

Датчик питается от 3.3V, соответственно и подключаются его контакты получения энергии (VCC и GND) к плате Arduino. Для передачи данных используются входы A5 (SCL) и A4(SDA). Дисплей с микроконтроллером соединяется согласно следующей таблицы:

Скетч

Приведенная программа — всего лишь базис операций. Ее можно модифицировать по собственному разумению, добавляя функции отслеживания давления или температуры. Можно даже использовать конечное устройство, после необходимой модификации кода, в качестве своеобразного барометра, предупреждающего об идущей буре. Показания давления, в названом случае сильно упадут.

#define mPAUSE 2500
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_BMP085.h>
#include <LiquidCrystal.h>
Adafruit_BMP085 SENS;
LiquidCrystal DISPLAY(7, 6, 5, 4, 3, 2);
void setup() {
DISPLAY.clear();
}
void loop() {
float p = SENS.readSealevelPressure()/101.325 * 0.76;
DISPLAY.setCursor(1, 0);
DISPLAY.print("T.=  ");
if ( SENS.readTemperature() < 10){
DISPLAY.print(" ");
DISPLAY.print(SENS.readTemperature());
} else {
DISPLAY.print(SENS.readTemperature(),1);
}
DISPLAY.write(0b11011111); //Значек градуса
DISPLAY.print("C   ");
DISPLAY.setCursor(1, 1);
DISPLAY.print("P.= p");
DISPLAY.print(p,0);
DISPLAY.print("mmHg  ");
DELAY(mPAUSE);
}

Использование стороннего аналогового датчика давления

Редко, но все же случаются ситуации, когда по каким-либо причинам использовать в схеме специализированный сенсор, рассчитанный на работу конкретно с Ардуино, не получается. Скажем, его невозможно найти сразу в близлежащих магазинах электроники, а ждать посылку долго. Выходом могут стать датчики давления, применяемые в автомобильной электронике. Их тоже можно связать непосредственно с микроконтроллером.

Примером послужит WABCO 4410400130 — сенсор указанного плана, используемый на большегрузных фурах. Единственное, требующее внимания в представленной схеме — питание у элемента раздельно с Arduino. В последнем, просто нет требуемых для запуска датчика +24 В. В связи с чем и приходится использовать дополнительный блок энергообеспечения, с правильными и достаточными характеристиками питания — 8–32 V постоянного тока, при минимуме 400 mА мощности.

Что касается соединения сенсора напрямую к плате микроконтроллера — в нем на выходе не более 5 В. И чем больше давление, тем меньший ток будет поступать на аналоговые контакты логического устройства. Вот только, на всякий случай, рекомендуется проверить изначальный выход мультиметром, с целью контроля варианта «пробития» сенсора, с возникновением обстоятельств беспрепятственного связывания OUT с минусом или плюсом питающей детектор линии.

Пример скетча получения информации с аналогового датчика:

#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C DISPLAY (0x27, 16, 2);
#define Detector_Pin 0
#include <Wire.h>
void setup() {
DISPLAY.init();
DISPLAY.clear;
AnalogReference(DEFAULT);
DISPLAY.setCursor (0,0);
DISPLAY.print("Data:");
}
void loop() {
static int AVC = 0;
AVC = (AVC * 3 + AnalogRead(Detector_Pin))/4;
float v = AVC * 5.0 / 1024.0;
float ObtainedValue = (v - 0.5) * 10/4;
DISPLAY.setCursor(0,1);
DISPLAY.print("         ");
DISPLAY.setCursor(0,1);
DISPLAY.print (ObtainedValue);
}

Теперь, что касается данных получаемых на выходе скетча. Нужно провести их градацию с использованием классического манометра, оценив какие цифры идут от сенсора при разном давлении и ввести соответствующую формулу в тело программы.

И в окончании, технические характеристики WABCO 4410400130, для сравнения с похожими датчиками Arduino:

• Тип: пьезоэлемент
• Питание: 8–32 V
• Рабочая температура: –40..+80 °С
• Диапазон измерения: от 0 до 10 bar
• Точность: 0.2–0.3 %
• Предельное давление разрушения: 16 bar

Резюмируя

Надеемся, представленная информация дала достаточно сведений, чтобы выполнить подключение датчика давления любого вида к плате микроконтроллера Arduino. В сущности, ничего сложного нет, для всех вариантов изначальных сенсоров — специализированных цифровых или сторонних аналоговых. Даже количество дополнительных радиодеталей в схемах стремится к нулю.

Видео по теме