FastBond3挑战部分-基于M5STACK Dial检测车内二氧化碳浓度指标

内容介绍

一、项目介绍

夏日炎炎，开车都是需要开空调的。汽车空调有一个内循环/外循环的选择。顾名思义，内循环就是将车内的空气通过冷却系统降温，再循环输出到车内；外循环则是将车外的空气通过冷却系统降温输送到车内。很明显两者降温的效率有明显的差别，在制冷方面，内循环明显要比外循环更有效率一些，使用内循环能更好的节约能源，即更省油。

网上有另外一种声音，说是内循环会使车内二氧化碳聚集，导致驾驶员缺氧，容易引发事故。为了驾驶员的安全建议在高速路上行驶不要使用内循环，要使用外循环。作为一个理工男，决定动手做一个二氧化碳监测装置，看看车内二氧化碳到底是怎样变化的！

二、硬件介绍

主控使用ESP32-S3_SMART_DIAL。M5Dial是一款多功能的嵌入式开发板，配备1.28寸圆形TFT触摸屏，以M5StampS3为主控(ESP32-S3@Xtensa LX7 ,8M-FLASH,WIFI,OTG\CDC功能)，内置旋转编码器，可精确记录旋钮位置。此外，板载RFID检测模块，RTC电路，板载蜂鸣器以及屏下按键用于设备互动和提醒唤醒等功能。供电方面，产品设计支持宽电压6-36V直流电输入，并预留了锂电池接口和充电电路，以提供不同需求。

二氧化碳传感器使用了MH-Z19B。MH-Z19B二氧化碳气体传感器是一个通用智能小型传感器，利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CO2进行探测，具有很好的选择性和无氧气依赖性，寿命长等特点；内置温度补偿；同时具有串口输出、模拟输出及PWM输出，方便使用。该传感器是将成熟的红外吸收气体检测技术与精密光路设计、精良电路设计紧密结合而制作出的高性能传感器。

三、系统设计

M5Dial功能非常强大，M5Dial提供了1.28寸的彩线屏幕，直接使用这块显示屏来显示车内二氧化碳浓度。MH-Z19B传感器提供串口(UART)、模拟(DAC)、PWM波形等输出方式，这里选用串口与M5Dial连接。

系统整体构架很简单，主控和二氧化碳传感器都是使用了模块化的设计，所以只需要将不同的模块连接起来就可以了。M5Dial底部有两个Grove的接口，我这里使用2.0mm的排母，直接接上去，只使用了A接口。MH-Z19B在模块两端，预留了排针接口，这里也是使用2.54mm的排母进行连接。

PCB的设计这里考虑了这几个方面。PCB既是连接主控和传感器的桥梁，同时也是这个系统的骨架，需要同时固定M5Dial和MH-Z19B模块，并且要在车内好摆放。于是PCB我选用强度更大的铝基板，外形设计成球拍状，下部的柄的宽度设计的与车内安装手机支架的位置正好匹配，能够方便地插入车机上的手机支架的卡槽中。上边球拍部分，留有螺丝孔，用螺丝将M5Dial牢牢固定。并且在球拍中间开了个大圆孔，M5Dial在这个位置上有个隐藏的按键，在编程时出现死机情况可以按这个按键强行烧写程序。

打样、焊接、安装。还不错，算是严丝合缝。

四、系统编程

软件使用arduino编程。编程工具Vscode+platformio。传感器使用了第三方的库文件。参考着例程实现了MH-Z19B模块的读取和校正。这个MH-Z19B模块校正还挺有意思的，看它校正过程，感觉应该是使用自然环境中二氧化碳浓度为400ppm的均值这个特性，设置一个400ppm的参考点，然后读取的数据都和这个值作比较，得出相对的二氧化碳浓度。

[env:m5stack-stamps3]
platform = espressif32
board = m5stack-stamps3
framework = arduino
platform_packages = framework-arduinoespressif32@https://github.com/espressif/arduino-esp32/archive/refs/tags/2.0.14.zip
upload_speed = 115200
monitor_speed = 115200
; 指定FLASH和PSRAM的运行模式
board_build.arduino.memory_type = qio_opi
build_flags =
   -DARDUINO_USB_CDC_ON_BOOT=1
   -DBOARD_HAS_PSRAM


lib_deps =
  strange-v/MHZ19 @ ^1.1.2

这里需要注意一点，ESP32-S3的串口有三个，串口0映射到USB口了，编程是用来显示系统运行的一些信息。和MH-Z19B模块连接这里使用了串口1。默认串口1 对应的管脚是 TX1-13,RX1-15。但是我这里MH-Z19B模块连接的分别是 TX1-16,RX1-15，所以需要重新设置一下对应关系。

从MH-Z19B模块读取到二氧化碳浓度和温度信息，然后在屏幕上进行显示。二氧化碳浓度单位使用的是ppm，当浓度小于450ppm时，空气质量优，使用绿色显示；在1000ppm时，使用翠绿色，1000ppm~2000ppm之间时使用黄色，超过2000ppm时，使用红色显示。每20秒更新一次数据。当按键被按下时，就对MH-Z19B模块进行校准。

void dispCO2(u16_t co2val, int8_t temp)
{
  if (co2val <= 450)
  { // 优
    M5Dial.Display.setTextColor(GREEN);
  }
  else if (co2val <= 1000)
  { // 良
    M5Dial.Display.setTextColor(GREENYELLOW);
  }
  else if (co2val <= 2000)
  { // 一般
    M5Dial.Display.setTextColor(YELLOW);
  }
  else if (co2val <= 5000)
  { // 差
    M5Dial.Display.setTextColor(RED);
  }
  M5Dial.Display.setTextFont(&fonts::Orbitron_Light_32);
  M5Dial.Display.setTextSize(2);
  M5Dial.Display.drawString(String(co2val),
                            M5Dial.Display.width() / 2,
                            M5Dial.Display.height() / 2);
  M5Dial.Display.setTextSize(1);
  M5Dial.Display.drawString(String(temp),
                            M5Dial.Display.width() / 2,
                            M5Dial.Display.height() / 2 + 80);
  M5Dial.Display.setTextFont(&fonts::FreeSerifBoldItalic9pt7b);
  // M5Dial.Display.setTextSize(1);
  M5Dial.Display.setTextColor(BLUE);
  M5Dial.Display.drawString("CO2(ppm)",
                            70,
                            M5Dial.Display.height() / 2 - 70);
}