Датчик MH-Z19B: все о датчике CO2 NDIR, его работе, калибровке и применении

Мир газовых датчиков значительно расширился в последние годы, особенно в связи с растущей обеспокоенностью качеством воздуха и здоровьем в помещениях. Один из датчиков, вызвавший наибольший интерес в среде производителей, образовательных и профессиональных сообществ, – это MH-Z19B. Его репутация обусловлена способностью точно измерять углекислый газ (CO2), лёгкой интеграцией с такими платформами, как Arduino и ESP8266/ESP32, и более доступной ценой по сравнению с профессиональными аналогами. Если вам интересно, Что такое MH-Z19B, как он работает, что делает его таким особенным и как его можно использовать в своих проектах?, Вы пришли в нужное место.

В этой статье вы подробно изучите все детали Датчик MH-Z19B, от принципов работы и технических характеристик до передовых методов использования, калибровки и применения в реальных условиях. Всё представлено в доступной и полезной форме для тех, кто хочет выйти за рамки технических характеристик и поэкспериментировать с измерением CO2 в различных условиях.

Что такое датчик MH-Z19B?

El MH-Z19B Это газовый датчик, специализирующийся на Измерение CO2 Экологичный. Компактный дизайн, низкая стоимость и простота использования сделали его популярным среди любителей технологий, профессионалов и преподавателей. Этот датчик, произведенный китайской компанией Winsen, использует принцип недисперсионный инфракрасный (NDIR) для количественной оценки концентрации углекислого газа в воздухе, избегая помех со стороны других газов и обеспечивая большую точность, чем электрохимические или металлооксидные датчики.

Начало NDIR Принцип действия основан на том, что CO2 поглощает инфракрасное излучение определённой длины волны. Внутри датчика находится небольшая камера, где этот луч света пропускается через образец воздуха. Детектор измеряет ослабление, вызванное присутствием CO2, что позволяет рассчитать его количество в воздухе. частей на миллион (ppm)Благодаря этой технологии MH-Z19B обладает низкой перекрестной чувствительностью (т. е. на него практически не влияют другие газы, например кислород), длительным сроком службы и высокой надежностью.

Технические характеристики и варианты MH-Z19B

MH-Z19B выделяется прежде всего своей универсальностью и простотой интеграции.Он предназначен не только для продвинутых пользователей: его часто используют в образовательных проектах, системах домашней автоматизации, домашних метеостанциях и даже системах мониторинга окружающей среды в школах и офисах. Давайте подробнее рассмотрим его основные характеристики:

Средний ток <60 мА

Característica	значение
Типо датчик	NDIR (недисперсионный инфракрасный)
Обнаружен газ	Углекислый газ (CO2)
Диапазоны измерения	0–2000 ppm, 0–5000 ppm, 0–10000 ppm (в зависимости от версии)
прецизионный	±50 ppm + 3% от показания
Рабочее напряжение	4.5–5.5 В постоянного тока
Корриенте Максима	150 мА
Салида де Сеньяль	UART (последовательный), ШИМ, аналоговый
Уровень интерфейса	3.3 В (совместимо с 5 В)
Время разогрева	3 минут
Время отклика	<120 с (Т90)
Рабочая температура	0-50 ° С
RH	0–90% относительной влажности (без конденсации)
размеры	33 x 20 х 9 мм
вес	5 gramos
Полезная жизнь	Более 5 лет

Модель MH-Z19B принадлежит к одному семейству с другими моделями, такими как MH-Z19C и MH-Z19D. Каждый из них имеет небольшие различия, особенно в точности и допустимом отклонении напряжения питания. MH-Z19C требует очень узкого диапазона напряжения питания (4.9–5.1 В), что может затруднить его использование без хорошо стабилизированного источника питания. С другой стороны, MH-Z19D более новый и всё ещё ожидает глубокого анализа со стороны сообщества.

Дополнительные функции датчика

Низкая перекрестная чувствительность: На него не влияет присутствие кислорода или других распространенных газов, что повышает надежность измерений.
Позолоченная газовая камера: Это придает ему устойчивость к коррозии и продлевает срок его службы.
Внутренняя температурная компенсация: Хотя датчик включает в себя внутренний термистор для корректировки измерений, сообщаемая температура не предназначена для наружного использования.
Множественный выход: Вы можете выбрать между UART, ШИМ и аналоговым выходом для извлечения информации в зависимости от ваших потребностей.
Встроенный фильтр для воды: предотвращает повреждение или загрязнение от влаги.
Автокалибровка ABC: Автоматически регулирует базовый уровень CO2, если датчик подвергается воздействию чистого воздуха не менее 20 минут в течение 24 часов, обеспечивая точность показаний с течением времени.

Различные версии MH-Z19 и их особенности

Линейка MH-Z19 представлена на рынке в нескольких модификациях. MH-Z19B Этот вариант наиболее распространён и общепризнанно считается наиболее сбалансированным по цене, точности и простоте интеграции. Однако существуют и другие варианты с важными отличиями, которые следует учитывать:

MH-Z19 (оригинал): Версии на 2000 и 5000 ppm, точность ±50 ppm + 5% от показаний. Несколько устарели, но всё ещё работают.
MH-Z19B: Версии 2000, 5000 и 10000 ppm с улучшенной точностью ±50 ppm + 3%. Это улучшенная версия, которая лучше всего подходит для общего применения.
МХ-Z19C: Тот же диапазон 2000, 5000 или 10000 ppm, точность ±50 ppm + 5% и необходимость очень точного источника питания (4.9–5.1 В). Это ограничение делает его менее подходящим для большинства пользователей.
МХ-Z19D: новейшая разработка, по своему поведению очень похожая на C, хотя она все еще изучается энтузиастами и не имеет подробной документации на английском языке.

Важнейшей проблемой является распространение поддельные датчики на рынке, особенно на импортных платформах. Часто отмечается, что датчики MH-Z19B с черной печатной платой, вместо традиционного зеленого или синего, может быть неофициальные версии или клоны с неопределенными характеристиками. Чтобы избежать проблем с надёжностью, лучше приобретать датчик у проверенных дистрибьюторов.

Как работает MH-Z19B: принцип NDIR

Сердцем датчика является технология NDIR., широко используемый в профессиональных датчиках. Работу MH-Z19B можно описать несколькими ключевыми этапами:

Образец воздуха вводится во внутреннюю камеру датчика, которая содержит источник инфракрасного света и детектор.
Инфракрасный свет будет проходить через камеру, но часть этого света будет поглощена молекулами CO2 в зависимости от их концентрации.
Детектор измеряет, сколько света достигает его после прохождения через пробу воздуха, и рассчитывает количество присутствующего CO2.
Датчик выдает значение CO2 в частях на миллион (ppm)..

Благодаря этому косвенному методу измерение практически нечувствительно к наличию влажности, температуры или газов, отличных от CO2, при условии соблюдения эксплуатационных пределов, указанных в техническом описании.

Выходные данные, доступные на MH-Z19B

Одним из многочисленных преимуществ MH-Z19B является его гибкость при получении данныхВ зависимости от ваших предпочтений в плане простоты, точности или интеграции в вашу систему вы можете выбрать один из трех принципов вывода:

UART (последовательный TTL при 3.3 В/5 В): Это самый простой вариант, поскольку датчик отправляет значение непосредственно в ppm. Требуется всего лишь скорость передачи данных 9600 бод, и его можно легко подключить к микроконтроллеру. Чтобы расширить свои знания, вы также можете обратиться к Наше руководство по датчикам качества окружающей среды и узнайте, как интегрировать различные датчики в ваши проекты.
ШИМ: Датчик генерирует импульсно-модулированный сигнал, коэффициент заполнения которого отражает концентрацию CO2. Он идеально подходит, если вам нужен прямой выходной сигнал и вы хотите использовать импульсные показания микроконтроллера.
Аналоговый выход: встречается реже, но позволяет считывать сигнал, пропорциональный концентрации CO2. Может потребоваться дополнительная калибровка, поэтому для большинства пользователей этот вариант не является предпочтительным.

Каждый из этих методов имеет свои преимущества. Arduino или ESP, выход UART является наиболее практичным и точным, поскольку не требует дополнительных вычислений, а интерпретация данных проста.

Теме статьи:

Полное руководство по датчику BME680: качество окружающей среды с помощью Arduino

Калибровка MH-Z19B: обеспечение точности

Точность любого датчика может меняться со временем из-за факторов окружающей среды и старения самого компонента. MH-Z19B включает в себя два метода калибровки, обеспечивающие надежность показаний:

Ручная калибровка (калибровка нулевой точки)

Чтобы убедиться в правильности настройки датчика, можно выполнить ручную калибровку. Для этого датчик помещают в хорошо проветриваемое помещение, в идеале на открытом воздухе, где концентрация CO2 составляет около 400 частей на миллионКак минимум через 20 минут стабильной работы простая аппаратная команда (соединение выводов HD и GND на 7 секунд) или программная команда маркируют эту точку как нулевую точку отсчёта датчика. Важно помнить, что эта калибровка необходима после транспортировки или в случае изменения условий окружающей среды, в которой установлен датчик.

Автоматическая калибровка ABC (автоматическая коррекция базовой линии)

MH-Z19B оснащён алгоритмом самокалибровки, который определяет минимальное значение CO24 каждые 2 часа и использует его для корректировки своего эталонного значения. Это очень удобно в жилых помещениях с периодическим притоком свежего воздуха. Важно, чтобы датчик имел доступ к чистому воздуху не менее 20 минут каждые 24 часа.В противном случае коррекция может быть неточной. При установке датчика в закрытых, плохо проветриваемых помещениях (например, в теплицах) рекомендуется отключить этот режим и периодически проводить ручную калибровку.

Теме статьи:

Модуль для измерения качества воздуха с Arduino (детектор газа)

Наконец, существует метод калибровки высшей точки или Спан-Пойнт, но обычно не рекомендуется для домашнего использования, поскольку требует стабильной атмосферы с известной и контролируемой концентрацией CO2 (например, 2000 ppm) и специального лабораторного оборудования.

Примеры применения и использования MH-Z19B

Универсальность MH-Z19B такова, что его применение расширяется далеко за пределами типичных домашних измерителей качества воздухаНиже приведены некоторые из наиболее популярных сред и вариантов использования:

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха: Контролирует концентрацию CO2 для оптимизации воздухообмена в домах, офисах и учебных классах.
Домашняя автоматизация и умные дома: Интегрируйте датчик в такие платформы, как Home Assistant или аналогичные, чтобы управлять вентиляторами и очистителями воздуха на основе обнаруженных уровней.
Образовательный мониторинг: Во многих образовательных центрах установлены датчики MH-Z19B для обеспечения надлежащей вентиляции в классах, особенно в условиях пандемии COVID-19.
Теплицы и точное земледелие: Контроль уровня CO2 в теплицах позволяет оптимизировать рост растений.
Очистители воздуха и системы качества: Некоторые коммерческие очистители оснащены встроенными датчиками NDIR для работы в соответствии с фактическими потребностями окружающей среды.
Проекты своими руками: Часто можно встретить руководства по установке светофоров CO2, которые предупреждают с помощью светодиодов или звуковых сигналов, когда концентрация превышает определенные пороговые значения.

Датчик MH-Z19B также можно интегрировать в системы мониторинга окружающей среды, портативные измерительные приборы, домашние метеостанции и малобюджетное лабораторное оборудование.

Как подключить MH-Z19B к микроконтроллерам

Электрическое подключение MH-Z19B отличается простотой. Контакты датчика чётко обозначены на шелкографии, а базовая конфигурация требует всего четырёх подключений (питание и данные). Вот пример назначения контактов для Arduino MEGA:

Ардуино МЕГА	MH-Z19B
19 (RX1)	TX
18 (TX1)	RX
GND	GND
5V	Вин

Для других моделей плат или микроконтроллеров могут потребоваться преобразователи логических уровней, хотя MH-Z19B поддерживает входы как 3.3 В, так и 5 В. Рекомендуется всегда проверять распиновку вашего датчика, так как в зависимости от партии или производителя возможны небольшие различия.

Чтение и обработка данных с MH-Z19B

Получить полезные данные от MH-Z19B так же просто, как подключить выход UART к плате разработки и считать переданные данные.Скорость передачи данных составляет 9600 бод, 8 бит данных, 1 стоповый бит, контроль чётности отсутствует. Для упрощения работы с Arduino можно использовать специальную библиотеку, например: MHZ19.hили отправьте команды вручную в соответствии с паспортом производителя.

Простой пример использования в программе Arduino:

#включать MHZ19mhz(&Serial19); // Использование Serial1 для связи с датчиком void setup() { Serial.begin(1); Serial115200.begin(1); } void loop() { MHZ9600_RESULT response = mhz.retrieveData(); if (response == MHZ19_RESULT_OK) { Serial.print("CO19: "); Serial.println(mhz.getCO2()); } delay(2); }

Результатом будет концентрация CO2 в ppm. Также можно получить доступ к внутренний датчик температуры, хотя, как упоминалось выше, эти данные предназначены для внутренней компенсации и не должны использоваться в качестве справочного значения для температуры окружающей среды.

Режим ШИМ и ручной расчет CO2

Если вы предпочитаете использовать выход ШИМ, для интерпретации сигнала потребуется выполнить небольшое вычисление для преобразования длительности импульса в соответствующую концентрацию CO2. Типичное уравнение для диапазона 2000 ppm выглядит следующим образом:

CO2(ppm) = 2000 · (T_H – 2 мс) / (T_H + T_L – 4 мс)

Где T_H — время цикла в миллисекундах, а T_L — время цикла в миллисекундах. Для диапазона 5000 ppm просто замените 2000 на 5000.

Команды и расширенные операции

Для тех, кто хочет использовать все функции датчика, MH-Z19B реагирует на разные команды управления через UART. Некоторые из наиболее важных:

Показания концентрации CO2: команда 0x86
Калибровка нулевой точки: команда 0x87
Калибровка точки SPAN: команда 0x88
Активировать/деактивировать автокалибровку: команда 0x79
Запрос диапазона измерений: команда 0x99

Ответы датчиков всегда включают в себя CRC-код для проверки, что повышает безопасность от ошибок передачи.

Заметки о поддельных датчиках и качестве измерений

Одной из актуальных проблем является распространение Датчики MH-Z19B сомнительного происхожденияНаиболее очевидным признаком обычно является цвет номерного знака (чёрный вместо зелёного или синего) и отсутствие оригинальной документации или этикеток. Эти датчики могут выглядеть исправными, но их показания могут быть неточными, а их срок службы значительно снижен. Желательно приобретать датчик у проверенных дистрибьюторов. и избегайте чрезмерных скидок на непроверенных платформах.

Мифы и малоизвестные аспекты MH-Z19B

Не все в этом типе датчиков так уж хорошо, и стоит прояснить некоторые моменты, которые часто вызывают сомнения:

Встроенный датчик температуры ненадежен для измерения температуры окружающей среды.: Его функция исключительно внутренняя — корректировка показаний CO2. Не используйте его в качестве термометра.
Значение «U», возвращаемое некоторыми командами, является внутренним параметром.: Он не документирован и не предоставляет пользователю полезной информации.
Не все варианты диапазона физически отличаются: С помощью программных команд можно изменить максимальный диапазон обнаружения датчика, хотя оптимальная точность гарантируется до 2000 ppm.
Качество электроснабжения имеет решающее значение: В таких датчиках, как MH-Z19C, малейшее отклонение за пределы диапазона 4.9–5.1 В может привести к недействительным показаниям, поэтому решающее значение имеет хороший прецизионный регулятор или источник.

Источники информации и дополнительные ресурсы

Документация по MH-Z19B огромна. Помимо официальные технические описания С информацией о микроконтроллерах Winsen можно ознакомиться на сайте производителя. Существует множество блогов, форумов и репозиториев GitHub с примерами и библиотеками для различных микроконтроллеров. Среди наиболее полных источников:

Технические характеристики производителя: для инструкций, шестнадцатеричных команд и более точных технических подробностей.
Технические блоги и форумы: espEasy, Prometec, Emariete и другие предлагают учебные пособия, сравнения и помощь в разрешении сомнений на испанском языке.
GitHub: для поиска обновленного исходного кода и библиотек драйверов для MH-Z19B.

Кроме того, в сообществах создателей существуют активные группы пользователей, где можно обмениваться опытом, советами и решать распространенные проблемы.

Hardwarelibre