传感器:MQ-5燃气模块测量燃气值(底部附代码)

一、简介

本篇文章介绍使用MQ-5燃气模块测量燃气值,CPU还是选择单片机,MQ-5主要使用的技术为ADC,燃气对于单片机来说是模拟信号,需要转换为数字信号,再经过相关计算公式将燃气模拟值转换成对应的燃气数值,便于人们方便查看。例如家庭使用燃气模块测量燃气值,如果燃气值超过一定的范围,可以外设一个报警装置,保证家庭的生命安全。

二、ADC介绍

1、STM32F1 ADC基本概括

(1)ADC(analog to digital converter)即模数转换器,它可以将模拟信号转换为数字信号。按照其转换原理主要分为逐次逼近型、双积分型、电压频率转换型三种。STM32F1的ADC就是逐次逼近型的模拟数字转换器。
(2)STM32F103 系列一般都有 3 个 ADC,这些 ADC 可以独立使用,也可以使用双重(提高采样率)。STM32F1 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模拟数字转换器。它具有多达 18个复用通道,可测量来自16 个外部源、2 个内部源信号。 这些通道的 A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC 的结果可以左对齐或右对齐方式存储在 16 位数据寄存器中。ADC具有模拟看门狗特性,允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的阀值上限或者下限。

2、STM32F1 ADC结构框图

STM32F1 ADC拥有这么多功能,是由ADC内部结构所决定。要更好的理解STM32F1的ADC,就需要了解它内部的结构。如下图所示:(大家也可以查看《STM32F10x中文参考手册》-11模数转换器(ADC)章-ADC功能说明),后面依次按照以下图中标号进行介绍:

.(1)标号1:电压输入引脚
ADC输入电压范围为: VREF- ≤ VIN ≤ VREF+。由 VREF-、 VREF+ 、 VDDA 、 VSSA这四个外部引脚决定。通常我们把 VSSA和 VREF-接地,把 VREF+和 VDDA 接 3.3V,因此ADC的输入电压范围为:0~3.3V。我们使用的开发板ADC输入电压范围为0-3.3V。
(2)标号2:输入通道
STM32 的 ADC的输入通道多达 18 个,其中外部的 16 个通道就是框图中的 ADCx_IN0、ADCx_IN1…ADCx_IN5(x=1/2/3,表示ADC数),通过这16个外部通道可以采集模拟信号。这 16 个通道对应着不同的 IO 口, 具体是哪一个 IO 口可以从数据手册查询到,也可以从下图查看,同样我们在开发板芯片原理图内也给大家标注了。其中 ADC1 还有2个内部通道:ADC1 的通道16连接到了芯片内部的温度传感器,通道17连接到了内部参考电压 VREFINT。ADC2 和ADC3的通道 16、 17全部连接到
了内部的 VSS。

(3)标号3:通道转换顺序
外部的 16 个通道在转换的时候可分为2组通道:规则通道组和注入通道组,其中规则通道组最多有16路,注入通道组最多有 4 路。
规则通道组:从名字来理解,规则通道就是一种规规矩矩的通道,类似于正常执行的程序,通常我们使用的都是这个通道。
注入通道组:从名字来理解,注入即为插入,是一种不安分的通道,类似于中断。当程序正常往下执行时,中断可以打断程序的执行。同样如果在规则通道转换过程中,有注入通道插入,那么就要先转换完注入通道,等注入通道转换完成后再回到规则通道的转换流程。
每个组包含一个转换序列,该序列可按任意顺序在任意通道上完成。
例如,可按以下顺序对序列进行转换: ADC_IN3、ADC_IN8、 ADC_IN2、 ADC_IN2、 ADC_IN0、 ADC_IN2、 ADC_IN2、 ADC_IN15。
(4)标号4:触发源
选择好输入通道,设置好转换顺序,接下来就可以开始转换。要开启ADC转换,可以直接设置ADC 控制寄存器ADC_CR2 的 ADON位为1,即使能ADC。当然ADC还支持外部事件触发转换,触发源有很多,具体选择哪一种触发源,由 ADC 控制寄存器2:ADC_CR2 的 EXTSEL[2:0]和 JEXTSEL[2:0]位来控制。EXTSEL[2:0]用于选择规则通道的触发源,JEXTSEL[2:0]用于选择注入通道的触发源。选定好触发源之后,触发源是否要激活,则由 ADC 控制寄存器ADC_CR2 的 EXTTRIG 和 JEXTTRIG
这两位来激活。
如果使能了外部触发事件,我们还可以通过设置 ADC 控制寄存器 2:ADC_CR2 的EXTEN[1:0]和JEXTEN[1:0]来控制触发极性,可以有 4 种状态,分别是:禁止触发检测、上升沿检测、下降沿检测以及上升沿和下降沿均检测。
(5)标号5:ADC时钟
ADC 输入时钟 ADC_CLK 由 APB2经过分频产生,最大值是14MHz,分频因子由 RCC 时钟配置寄存器 RCC_CFGR 的位 15:14 ADCPRE[1:0]设置,可以是 2/4/6/8 分频,注意这里没有 1 分频。我们知道APB2总线时钟为72M,而ADC最大工作频率为14M,所以一般设置分频因子为6,这样ADC的输入时钟为12M。
ADC要完成对输入电压的采样需要若干个ADC_CLK周期,采样的周期数可通过ADC 采样时间寄存器 ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2 中的 SMP[2:0]位设置, ADC_SMPR2控制的是通道 0~9, ADC_SMPR1 控制的是通道 10~17。每个通道可以分别用不同的时间采样。其中采样周期最小是1.5个,即如果我们要达到最快的采样,那么应该设置采样周期为1.5个周期,这里说的周期就是 1/ADC_CLK。
ADC 的总转换时间跟ADC 的输入时钟和采样时间有关,其公式如下:
Tconv = 采样时间 + 12.5个周期
其中Tconv为ADC总转换时间,当ADC_CLK=14Mhz的时候,并设置1.5个周期的采样时间,则Tcovn=1.5+12.5=14个周期=1us。
(6)标号6:数据寄存器
ADC 转换后的数据根据转换组的不同,规则组的数据放在ADC_DR 寄
存器内,注入组的数据放在 JDRx内。
因为STM32F1的ADC是12位转换精度,而数据寄存器是16位,所以ADC
在存放数据的时候就有左对齐和右对齐区分。如果是左对齐,AD转换完
成数据存放在 ADC_DR 寄存器的[4:15]位内;如果是右对齐,则存放在
ADC_DR 寄存器的[0:11]位内。具体选择何种存放方式,需通过ADC_CR2
的 11 位 ALIGN 设置。
(7)标号7:中断
当发生如下事件且使能相应中断标志位时,ADC能产生中断。
1.转换结束(规则转换)与注入转换结束
2.模拟看门狗事件
3.DMA请求
我们知道STM32F1 ADC转换模式有单次转换与连续转换区分。
》》在单次转换模式下,ADC 执行一次转换。可以通过 ADC_CR2 寄存器的SWSTART 位(只适用于规则通道)启动,也可以通过外部触发启动(适用于规则通道和注入通道),这时 CONT 位为 0。以规则通道为例,一旦所选择的通道转换完成,转换结果将被存在 ADC_DR 寄存器中,EOC(转换结束)标志将被置位,如果设置了 EOCIE,则会产生中断。然后 ADC 将停止,直到下次启动。
》》在连续转换模式下,ADC 结束一个转换后立即启动一个新的转换。CONT 位为 1 时,可通过外部触发或将 ADC_CR2 寄存器中的 SWSTRT 位置 1 来启动此模式(仅适用于规则通道)。需要注意的是:此模式无法连续转换注入通道。连续模式下唯一的例外情况是,注入通道配置为在规则通道之后自动转换(使用 JAUTO 位)。

3、ADC基本配置步骤

接下来我们介绍下如何使用库函数对ADC进行配置。这个也是在编写
程序中必须要了解的。具体步骤如下:(ADC相关库函数在
stm32f10x_adc.c和stm32f10x_adc.h文件中)
(1)使能端口时钟和ADC时钟,设置引脚模式为模拟输入
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AN; //模拟输入模式
(2)设置ADC的分频因子
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);       
(3)初始化ADC参数,包括ADC工作模式、规则序列等
void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
typedef struct
{
	uint32_t ADC_Mode; // ADC 工作模式选择
	FunctionalState ADC_ScanConvMode; /* ADC 扫描(多通道)或者单次(单通道)模式选择 */
	FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; // ADC 单次转换或者连续转换选择
	uint32_t ADC_ExternalTrigConv; // ADC 转换触发信号选择
	uint32_t ADC_DataAlign; // ADC 数据寄存器对齐格式
	uint8_t ADC_NbrOfChannel; // ADC 采集通道数
} ADC_InitTypeDef;
ADC_InitTypeDef       ADC_InitStructure;
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;//非扫描模式	
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//关闭连续转换
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;//禁止触发检测,使用软件触发
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//右对齐	
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;//1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1 
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);//ADC初始化
(4)使能ADC并校准
void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);  
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);//开启AD转换器
执行复位校准的方法是:
ADC_ResetCalibration(ADC1);
执行 ADC 校准的方法是:
ADC_StartCalibration(ADC1); //开始指定 ADC1 的校准状态
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待复位校准结束
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校准结束  
(5)读取ADC转换值
设置规则序列通道以及采样周期的库函数是:
void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t 
ADC_Channel,uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);

ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 ); 

设置好规则序列通道及采样周期,接下来就要开启转换,由于我们采
用的是软件触发,库函数
void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
开启转换之后,就可以获取ADC 转换结果数据,调用的库函数是:
uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx);

获取 AD 转换的状态信息的库函数是:
FlagStatus ADC_GetFlagStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t 
ADC_FLAG);

例如我们要判断 ADC1 的转换是否结束,方法是:
while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));//等待转换结束

三、MQ-5源代码

1、rq.h头文件

#ifndef _RQ_H
#define _RQ_H

#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
  	 


void RQ_Init(void); 	
u16 get_gas(u8 ch);
u16 get_gas_average(u8 ch,u8 times);
void get_gas_real_value(float* value);

#endif

2、rq.c源文件

#include "rq.h"
#include "stdio.h"
void RQ_Init(void)
{  
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd ( RCC_APB2Periph_ADC3|RCC_APB2Periph_GPIOF, ENABLE ); 	//使能ADC3通道时钟	
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div2);//设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;   
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 
	GPIO_Init ( GPIOF, & GPIO_InitStructure );	
	
//	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;	
//	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;   
//	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 
//	GPIO_Init ( GPIOF, & GPIO_InitStructure );	
	
	ADC_DeInit(ADC3);  //复位ADC3,将外设 ADC3 的全部寄存器重设为缺省值
	
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//模数转换工作在连续转换模式
	ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//ADC数据右对齐
	ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;//转换由软件而不是外部触发启动
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;//ADC工作模式:ADC1和ADC2工作在独立模式
	ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;//顺序进行规则转换的ADC通道的数目
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;//模数转换工作在单通道模式
	ADC_Init(ADC3, &ADC_InitStructure);
	
	ADC_Cmd(ADC3, ENABLE);//使能指定的ADC3
	
	ADC_ResetCalibration(ADC3);//使能复位校准  
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC3));//等待复位校准结束

	ADC_StartCalibration(ADC3);//开启ADC校准
	while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC3));//等待校准结束

}

u16 get_gas(u8 ch)   
{
  	//设置指定ADC的规则组通道,一个序列,采样时间
				ADC_RegularChannelConfig(ADC3, ch, 3, ADC_SampleTime_239Cycles5 );	//ADC3,ADC通道,采样时间为239.5周期	  			    
  
				ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC3, ENABLE);		//使能指定的ADC3的软件转换启动功能	
	 
				while(!ADC_GetFlagStatus(ADC3, ADC_FLAG_EOC ));//等待转换结束

				return ADC_GetConversionValue(ADC3);	//返回最近一次ADC3规则组的转换结果
}

//多次取值,求平均值提高准确性
u16 get_gas_average(u8 ch,u8 times)
{
		u32 temp_val=0;
		u8 t;
		for(t=0;t<times;t++) //times=10
		{
							temp_val+= get_gas(ch);//temp_val=temp_val+get_gas(ch);
							delay_ms(5);
		}
		return temp_val/times;//返回ADC采集的数据的平均值
}

void get_gas_real_value(float* value)
{
	u16 gas_val=0;
	gas_val = get_gas_average(ADC_Channel_6,10);//得到ADC通道获取的平均值
	*value = (gas_val/4096.0*3.3)*210+ 10;//燃气值计算公式可以查看MQ-5数据手册
}

3、main.c主函数

/*
本程序只供学习使用,未经作者许可,不得用于其他用途!
开 发 板:普中STM32-F1开发板
实验项目:基于STM32F103ZET6的燃气检测实验
作    者:xxx//老规矩,有需要联系下面邮箱即可
邮    箱:Zhangyc_Engineer@qq.com
日    期:2022年06月09日
版权所有,盗版必究。
*/
#include"stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "rq.h"
#include "stdio.h"  	
float value = 0.0;
 int main(void)
 { 
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);// 设置中断优先级分组2
	delay_init();	    	 //延时函数初始化	 
	uart_init(9600);	 	//串口初始化为9600
	RQ_Init();
	while(1)
	{
		get_gas_real_value(&value);
	    printf("燃气值=%.4f\r\n",value);
		delay_ms(1000);
	}
}
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