使用CDM7160和STM32F446RE控制CO2浓度
通过精确的CO2监测轻松呼吸
已发布 10月 08, 2024
点击板
NDIR CO2 Click
开发板
Nucleo 64 with STM32F446RE MCU
编译器
NECTO Studio
微控制器单元
STM32F446RE
专注于福祉，我们的二氧化碳监测解决方案确保室内空间保持最佳二氧化碳水平，从而提高舒适度和认知表现。
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硬件概览
它是如何工作的？
NDIR CO2 Click 基于 Figaro Engineering 的 CDM7160，这是一种预校准的单光源、双波长二氧化碳传感系统。其光源发出的光由两个红外传感器检测。一个光传感器位于仅允许部分受二氧化碳气体影响的红外光谱通过的滤波器后面，而第二个传感器位于允许未受二氧化碳气体影响的红外光谱通过的滤波器后面。这形成了传感器的差分输入 - 集成的 MCU 将通过区分这些读数来处理接收到的数据。这允许获得二氧化碳气体浓度的绝对值，并消除粒子和其他干扰的影响，因为它们同样影响两个传感器。这确保了在各种温度和环境（包括富含腐蚀性气体（SO2，H2S等）的区域）以及较长时间（老化）内的一致读数。CDM7160 传感器可以以两种方式输出数据：根据 MSEL 引脚的状态，它可以使用 UART 或 I2C 通信接口。如果该引脚被拉至低逻辑电平，则在 CDM7160 重置周期后将选择 I2C 接口。否则，将选择 UART 接口。由于通信引脚在接口之间共享（SCL/RX 和 SDA/TX），因此每次使用不同类型的通信时需要将它们切换到相应的 mikroBUS™ 引脚。因此，Click board™ 上有一个带有三个小 SMD 滑动开关的部分，标记为 COM SEL。将所有三个开关置于左侧位置将选择 I2C 接口，而右侧位置将选择 UART 接口。当选择 I2C 接口时，可用一个
额外的引脚来设置设备的 I2C 地址。该引脚决定 I2C 从地址的最低有效位，当它被拉至低逻辑电平时，该位变为 0。这允许将最多 2 个不同设备连接到同一 I2C 总线。该引脚连接到另一个标记为 ADD SEL 的 SMD 滑动开关。可以对该传感器执行两种类型的校准：零点校准和背景校准。零点校准在二氧化碳浓度为 0 ppm 的环境中进行，而背景校准在二氧化碳值为 400 ppm 的环境中进行。由于传感器受海平面和大气压力的影响，每当这些条件变化时应进行校准。这将提高二氧化碳浓度读数的准确性。CDM7160 传感器提供一个标记为 CAL 的引脚，用于轻松校准：如果将 CAL 引脚拉至低逻辑电平约 2 到 11 秒，将执行背景校准。如果拉至低逻辑电平超过 12 秒，将执行零点校准。该引脚在正常操作期间应保持高电平。内部上拉电阻确保该引脚在悬空时始终保持高电平。该引脚连接到 mikroBUS™ CS 引脚，标记为 CAL。CDM7160 传感器的 ALERT 引脚在主 MCU 上触发中断。如果二氧化碳浓度超过 1000ppm，将默认触发中断。如果浓度降至 900ppm 以下，将清除中断。可以通过向相应的 ALHI 和 ALLO 寄存器（上限和下限阈值寄存器）写入值来更改这些设置。CDM7160 传感器的 ALERT 引脚连接到 mikroBUS™ INT 引脚。传感器的 BUSY 引
脚提供了一种手段，使传感器无需轮询传感器寄存器即可验证设备是否准备好进行通信。通过为 BUSY 引脚设置中断，MCU 仅在传感器准备好接受新命令时才会自动触发。逻辑低电平向 MCU 发出信号，表明传感器不能接受新命令。传感器在内部处理数据时可能不可用约 0.3 秒。该引脚连接到 mikroBUS™ RST 引脚，在 Click board™ 上标记为 BSY。除了 UART 和 I2C 通信外，传感器还提供一个 1KHz PWM 信号，其占空比取决于二氧化碳浓度（0 到 5000 ppm 的二氧化碳）。Click board™ 配备了一个运算放大器，用于对 PWM 信号进行平均化，在其输出端提供模拟直流电压（0 到 5V），该电压与 PWM 信号的脉冲宽度直接成正比。通过将标记为 AN ENABLE 的 SMD 跳线切换到 EN 位置，可以在 mikroBUS™ 的 AN 引脚上获取该运算放大器输出的电压。默认情况下，跳线焊接在 DIS 位置。运算放大器输出的全尺度电压为 5V（5000 ppm 的二氧化碳等于 5V）。为了允许与 3.3V MCU 通信，使用了两个额外的 IC：一个是 PCA9306，用于转换 I2C 信号的电压电平，另一个是 TXB0106，用于转换剩余 IC 引脚的电压电平，包括 UART。这些 IC 被许多其他设计使用，并已被证明是可靠的解决方案。
功能概述
开发板
Nucleo-64 搭载 STM32F446RE MCU 提供了一种经济高效且灵活的平台，供开发者探索新想法并原型设计他们的项目。该板利用 STM32 微控制器的多功能性，使用户能够为他们的项目选择最佳的性能与功耗平衡。它配备了 LQFP64 封装的 STM32 微控制器，并包含了如用户 LED（同时作为 ARDUINO® 信号）、用户和复位按钮，以及 32.768kHz 晶体振荡器用于精确的计时操作等基本组件。Nucleo-64 板设计考虑到扩展性和灵活性，它特有的 ARDUINO® Uno
V3 扩展连接器和 ST morpho 扩展引脚头，提供了对 STM32 I/O 的完全访问，以实现全面的项目整合。电源供应选项灵活，支持 ST-LINK USB VBUS 或外部电源，确保在各种开发环境中的适应性。该板还配备了一个具有 USB 重枚举功能的板载 ST-LINK 调试器/编程器，简化了编程和调试过程。此外，该板设计旨在简化高级开发，它的外部 SMPS 为 Vcore 逻辑供电提供高效支持，支持 USB 设备全速或 USB SNK/UFP 全速，并内置加密功能，提升了项目的功效
和安全性。通过外部 SMPS 实验的专用连接器、 用于 ST-LINK 的 USB 连接器以及 MIPI® 调试连接器，提供了更多的硬件接口和实验可能性。开发者将通过 STM32Cube MCU Package 提供的全面免费软件库和示例得到广泛支持。这些，加上与多种集成开发环境（IDE）的兼容性，包括 IAR Embedded Workbench®、MDK-ARM 和 STM32CubeIDE，确保了流畅且高效的开发体验，使用户能够充分利用 Nucleo-64 板在他们的项目中的能力。
微控制器概述
MCU卡片 / MCU
建筑
ARM Cortex-M4
MCU 内存 (KB)
512
硅供应商
STMicroelectronics
引脚数
64
RAM (字节)
131072
你完善了我！
配件
Click Shield for Nucleo-64 配备了两个专有的 mikroBUS™ 插座，使得所有的 Click board™ 设备都可以轻松地与 STM32 Nucleo-64 开发板连接。这样，Mikroe 允许其用户从不断增长的 Click boards™ 范围中添加任何功能，如 WiFi、GSM、GPS、蓝牙、ZigBee、环境传感器、LED、语音识别、电机控制、运动传感器等。您可以使用超过 1537 个 Click boards™，这些 Click boards™ 可以堆叠和集成。STM32 Nucleo-64 开发板基于 64 引脚封装的微控制器，采用 32 位 MCU，配备 ARM Cortex M4 处理器，运行速度为 84MHz，具有 512Kb Flash 和 96KB SRAM，分为两个区域，顶部区域代表 ST-Link/V2 调试器和编程器，而底部区域是一个实际的开发板。通过 USB 连接方便地控制和供电这些板子，以便直接对 Nucleo-64 开发板进行编程和高效调试，其中还需要额外的 USB 线连接到板子上的 USB 迷你接口。大多数 STM32 微控制器引脚都连接到了板子左右边缘的 IO 引脚上，然后连接到两个现有的 mikroBUS™ 插座上。该 Click Shield 还有几个开关，用于选择 mikroBUS™ 插座上模拟信号的逻辑电平和 mikroBUS™ 插座本身的逻辑电压电平。此外，用户还可以通过现有的双向电平转换器，使用任何 Click board™，无论 Click board™ 是否在 3.3V 或 5V 逻辑电压电平下运行。一旦将 STM32 Nucleo-64 开发板与我们的 Click Shield for Nucleo-64 连接，您就可以访问数百个工作于 3.3V 或 5V 逻辑电压电平的 Click boards™。
使用的MCU引脚
mikroBUS™映射器
“仔细看看！”
Click board™ 原理图
一步一步来
项目组装
从选择您的开发板和Click板™开始。以Nucleo 64 with STM32F446RE MCU作为您的开发板开始。
实时跟踪您的结果
应用程序输出
1. 应用程序输出 - 在调试模式下，“应用程序输出”窗口支持实时数据监控，直接提供执行结果的可视化。请按照提供的教程正确配置环境，以确保数据正确显示。
2. UART 终端 - 使用UART Terminal通过USB to UART converter监视数据传输，实现Click board™与开发系统之间的直接通信。请根据项目需求配置波特率和其他串行设置，以确保正常运行。有关分步设置说明，请参考提供的教程。
3. Plot 输出 - Plot功能提供了一种强大的方式来可视化实时传感器数据，使趋势分析、调试和多个数据点的对比变得更加直观。要正确设置，请按照提供的教程，其中包含使用Plot功能显示Click board™读数的分步示例。在代码中使用Plot功能时，请使用以下函数：plot(insert_graph_name, variable_name);。这是一个通用格式，用户需要将“insert_graph_name”替换为实际图表名称，并将“variable_name”替换为要显示的参数。
软件支持
库描述
此库包含 NDIR CO2 Click 驱动程序的 API。
关键功能:
ndirco2_read_co2- 二氧化碳浓度读取功能ndirco2_check_average_complete- 平均完成检查功能ndirco2_set_mode- 模式设置功能
开源
代码示例
完整的应用程序代码和一个现成的项目可以通过NECTO Studio包管理器直接安装到NECTO Studio。 应用程序代码也可以在MIKROE的GitHub账户中找到。
/*!
* \file
* \brief NDIRCO2 Click example
*
* # Description
* This application measures absolute CO2 concetration.
*
* The demo application is composed of two sections :
*
* ## Application Init
* Initializes I2C driver and performs driver reset and determines
* number of averaging measurements.
*
* ## Application Task
* Reads CO2 concentration data in ppm unit after each completed measurement.
* One measurement is finished after 300 ms, and period between two measurements is 2 seconds.
* Results of measurements logs on USBUART.
*
*
* \author MikroE Team
*
*/
// ------------------------------------------------------------------- INCLUDES
#include "board.h"
#include "log.h"
#include "ndirco2.h"
// ------------------------------------------------------------------ VARIABLES
static ndirco2_t ndirco2;
static log_t logger;
// ------------------------------------------------------ APPLICATION FUNCTIONS
void application_init ( void )
{
log_cfg_t log_cfg;
ndirco2_cfg_t cfg;
/**
* Logger initialization.
* Default baud rate: 115200
* Default log level: LOG_LEVEL_DEBUG
* @note If USB_UART_RX and USB_UART_TX
* are defined as HAL_PIN_NC, you will
* need to define them manually for log to work.
* See @b LOG_MAP_USB_UART macro definition for detailed explanation.
*/
LOG_MAP_USB_UART( log_cfg );
log_init( &logger, &log_cfg );
log_info( &logger, "---- Application Init ----" );
// Click initialization.
ndirco2_cfg_setup( &cfg );
NDIRCO2_MAP_MIKROBUS( cfg, MIKROBUS_1 );
ndirco2_init( &ndirco2, &cfg );
Delay_ms( 300 );
ndirco2_reset( &ndirco2 );
ndirco2_write_register( &ndirco2, NDIRCO2_AVERAGING_COUNT_REG, 0x03 );
ndirco2_set_mode( &ndirco2, NDIRCO2_CONTINUOUS_OP_MODE );
log_printf( &logger, "NDIR CO2 is initialized \r\n" );
Delay_ms( 200 );
}
void application_task ( )
{
uint16_t co2_data;
ndirco2_read_co2( &ndirco2, NDIRCO2_CHECK_EACH_MEASURE, &co2_data );
log_printf( &logger, "CO2 concentration is: %d ppm \r\n", co2_data );
Delay_ms(1000);
}
void main ( void )
{
application_init( );
for ( ; ; )
{
application_task( );
}
}
// ------------------------------------------------------------------------ END
