今天為大家?guī)?lái)的是來(lái)自Hackster創(chuàng)作者M(jìn)ondal3011的作品:可以檢測(cè)困倦的海綿寶寶.這個(gè)裝置主要是使用二氧化碳傳感器去進(jìn)行二氧化碳濃度測(cè)試，通過(guò)識(shí)別二氧化碳來(lái)判斷環(huán)境是否會(huì)造成人體困倦。通常，房間里的高 CO2 會(huì)導(dǎo)致嗜睡。當(dāng)房間里的 CO2 水平上升時(shí)，這個(gè)海綿寶寶會(huì)變得困倦，這樣你就可以打開(kāi)窗戶了！

材料清單

硬件

Seeed Studio XIAO ESP32S3 Sense

Mq135

跳線

絲桿電機(jī)

M4螺栓

軟件

Arduino IDE

JLCPCB易達(dá)

故事背景

最近，你可能注意到自己在課堂上感到很困。也許你并不覺(jué)得課程無(wú)聊，而且晚上睡得很好，所以這不是原因。經(jīng)過(guò)一些在線研究（主要是通過(guò) Google 和 ChatGPT），你發(fā)現(xiàn)這種困倦可能是由于教室里積累了過(guò)多的二氧化碳。這讓人覺(jué)得有道理，因?yàn)樽罱鞖夂芾?，教室的門窗大部分時(shí)間都關(guān)著。

同樣的問(wèn)題也可能出現(xiàn)在你的宿舍。當(dāng)你學(xué)習(xí)時(shí)，可能會(huì)感到昏昏欲睡，因?yàn)橐恢标P(guān)著窗戶，導(dǎo)致房間內(nèi)二氧化碳濃度過(guò)高。于是，你想出了一個(gè)創(chuàng)意，制作一個(gè)看起來(lái)很酷且直觀易懂的 CO2 監(jiān)測(cè)器！這個(gè)監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于海綿寶寶，眼瞼會(huì)根據(jù)二氧化碳水平的變化而上下移動(dòng)，顯示他有多困。當(dāng) CO2 水平較低時(shí)，海綿寶寶的眼睛會(huì)睜得大大的，眼瞼高高翹起；隨著二氧化碳濃度的升高，眼瞼會(huì)逐漸降低。如果眼睛完全閉上，意味著房間里的二氧化碳濃度過(guò)高，你最好讓一些新鮮空氣進(jìn)來(lái)！

加工流程

該項(xiàng)目的主要組件是 MQ135 空氣質(zhì)量傳感器和小 esp32 微控制器。該裝置還包含 5 個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器，每個(gè)傳感器都映射到特定的 CO2 ppm 水平。電機(jī)通過(guò) L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 連接到微控制器。該電機(jī)是一種 DIY 絲桿電機(jī)，可根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向上下移動(dòng)眼瞼。眼瞼的長(zhǎng)端包含一個(gè)磁鐵，霍爾傳感器可以檢測(cè)到該磁鐵。微控制器讀取 MQ135 傳感器的模擬輸出，并通過(guò)一些數(shù)學(xué)運(yùn)算將其轉(zhuǎn)換為 CO2 ppm 水平。這是在特定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)完成的（在我的代碼中為 5 分鐘），并且 ppm 值是該持續(xù)時(shí)間的平均值。然后，微控制器打開(kāi)絲桿電機(jī)，直到磁體位于霍爾傳感器前面，該傳感器對(duì)應(yīng)于相同的 ppm（在容差范圍內(nèi)）。這樣眼瞼就會(huì)移動(dòng)以匹配 ppm 水平。

電路設(shè)計(jì)

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，決定設(shè)計(jì)一個(gè) PCB 并組裝起來(lái)是個(gè)很好的選擇。盡管之前沒(méi)有過(guò)這樣的經(jīng)驗(yàn)，但這正是一個(gè)探索新領(lǐng)域的機(jī)會(huì)。許多創(chuàng)作者在 Instructables 和 YouTube 上展示了他們自己的 PCB 制作過(guò)程，這為這個(gè)項(xiàng)目提供了很好的靈感和指導(dǎo)。

使用 EasyEDA 設(shè)計(jì)電路和 PCB 是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。雖然可能還有其他更優(yōu)秀的工具，但 EasyEDA 因其易于學(xué)習(xí)和使用而受到許多 YouTuber 的青睞。通過(guò)這個(gè)平臺(tái)，可以有效地設(shè)計(jì)出所需的電路圖和印刷電路板，從而使整個(gè)項(xiàng)目更加順利地進(jìn)行。

設(shè)計(jì)PCB

PCB 由 Seeed Fusion 制造，因此在設(shè)計(jì)之前，確保仔細(xì)閱讀了他們的所有指南。

首先，用戶在設(shè)計(jì)菜單中選擇了“將原理圖轉(zhuǎn)換為 PCB”選項(xiàng)，立創(chuàng)EDA 隨即生成了一個(gè)新的 PCB 文件，其中包含了原理圖中的所有元器件。接下來(lái)，用戶開(kāi)始設(shè)計(jì) PCB，并生成了 Gerber 文件。目前的設(shè)計(jì)以海綿寶寶為特色，雖然沒(méi)有他的 SquarePants，但歡迎其他人添加褲子，完全沒(méi)有規(guī)定禁止這樣做！

在材料選擇上，決定使用 Sunboard，這是一種低密度 PVC 板。Sunboard 非常易于使用，同時(shí)仍然具備較好的耐用性，十分適合這種手工藝項(xiàng)目。

制作海綿寶寶

這個(gè)項(xiàng)目中使用 Sunboard，一種低密度 PVC 板。它非常易于使用，同時(shí)仍然非常耐用，非常適合這種工藝。

組裝

組裝好 PCB 后，把它全部組裝在一起。并將 CO2 傳感器放在后面以將其隱藏起來(lái)。如果您也這樣做，請(qǐng)確保框架不要放置在沒(méi)有空氣流通的房間角落。否則你的海綿寶寶可能總是昏昏欲睡！移動(dòng)時(shí)眼瞼確實(shí)會(huì)有點(diǎn)晃動(dòng)，但這根本不是問(wèn)題。由于它們僅在 CO2 水平存在顯著差異時(shí)才會(huì)移動(dòng)，因此您幾乎不會(huì)看到它們移動(dòng)。但是，它在移動(dòng)時(shí)確實(shí)會(huì)發(fā)出一些噪音。主要是因?yàn)榕f減速電機(jī)磨削。所以認(rèn)為微型 N20 電機(jī)會(huì)是更好的選擇。

代碼

//  為霍爾傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和 MQ135 傳感器定義引腳
const int hallSensors[] = {D1, D2, D3, D4, D5};
const int motorEnable = D8;
const int motorInput1 = D6;
const int motorInput2 = D7;
const int mq135Pin = A0;


MQ135 gasSensor = MQ135(mq135Pin);


// 為每個(gè)霍爾傳感器定義 CO2 ppm 范圍
const int ppmRanges[][2] = {
  {800, 1000},
  {1001, 1200},
  {1201, 1400},
  {1401, 1600},
  {1601, 1800}
};


//存儲(chǔ) CO2 ppm 讀數(shù)
const int maxReadings = 30; // 5 minutes / 10 seconds
float ppmReadings[maxReadings];
int readingIndex = 0;


void setup() {
  Serial.begin(115200);


  // 將霍爾傳感器初始化為輸入端
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    pinMode(hallSensors[i], INPUT);
  }


  // 將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器引腳初始化為輸出端
  pinMode(motorEnable, OUTPUT);
  pinMode(motorInput1, OUTPUT);
  pinMode(motorInput2, OUTPUT);


  // 初始化電機(jī)，使其停止
  digitalWrite(motorEnable, LOW);
}


void loop() {
  // 從 MQ135 傳感器讀取二氧化碳ppm 含量
  float ppm = gasSensor.getPPM();


  //  存儲(chǔ) CO2 ppm 讀數(shù)
  ppmReadings[readingIndex] = ppm;
  readingIndex = readingIndex + 1;
  
  if(readingIndex >= 30)
  {
    //計(jì)算二氧化碳的平均ppm含量
    int avgPPM = calculateAveragePPM();


// 根據(jù) CO2 ppm 平均水平確定目標(biāo)大廳傳感器
    int targetSensor = determineTargetSensor(avgPPM);


    // 將電機(jī)移至目標(biāo)霍爾傳感器處
    moveMotorToTargetSensor(targetSensor);


    readingIndex = 0;
  }


  delay(10000); // 等待 10 秒
}


// 根據(jù)存儲(chǔ)的讀數(shù)計(jì)算二氧化碳的平均ppm含量
int calculateAveragePPM() {
  int sum = 0;
  for (int i = 0; i < maxReadings; i++) {
    sum += ppmReadings[i];
  }
  return sum / maxReadings;
}


// 根據(jù) CO2 ppm 平均水平確定目標(biāo)大廳傳感器
int determineTargetSensor(int avgPPM) {
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    if (avgPPM >= ppmRanges[i][0] && avgPPM <= ppmRanges[i][1]) {
      return i;
    }
  }
  return 0; //如果 avgPPM 超出范圍，則默認(rèn)為第一個(gè)傳感器
}


// 將電機(jī)移至目標(biāo)霍爾傳感器處
void moveMotorToTargetSensor(int targetSensor) {
  int currentSensor = getCurrentSensor();
  if (currentSensor != targetSensor) {
    int direction = (targetSensor > currentSensor) ? 1 : -1;
    while (currentSensor != targetSensor) {
      moveMotor(direction);
      currentSensor = getCurrentSensor();
    }
    stopMotor();
  }
}


// 獲取當(dāng)前霍爾傳感器
int getCurrentSensor() {
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    if (digitalRead(hallSensors[i]) == LOW) {
      return i;
    }
  }
  return 0; // 如果沒(méi)有傳感器處于活動(dòng)狀態(tài)，則默認(rèn)為第一個(gè)傳感器
}


// 按指定方向移動(dòng)電機(jī)
void moveMotor(int direction) {
  digitalWrite(motorEnable, HIGH);
  if (direction == 1) {
    digitalWrite(motorInput1, HIGH);
    digitalWrite(motorInput2, LOW);
  } else {
    digitalWrite(motorInput1, LOW);
    digitalWrite(motorInput2, HIGH);
  }
}


// 停止電機(jī)
void stopMotor() {
  digitalWrite(motorEnable, LOW);
}