حسگر متان MQ-4

گاز شهری که در خانه‌ها سوخت می‌شود عمدتاً متان (Methane) است؛ گازی بی‌رنگ و بی‌بو که شرکت‌های گاز برای تشخیص نشتی به آن مرکاپتان اضافه می‌کنند تا بو بگیرد. در درس قبل با MQ-2 دیدید که به همهٔ گازهای قابل اشتعال و دود واکنش می‌دهد. حسگر MQ-4 برخلاف آن روی متان تنظیم شده است و همین تمرکز، نقطهٔ قوت و ضعفش را می‌سازد.

متان چیست و MQ-4 چه می‌سنجد؟

متان سبک‌ترین گاز هیدروکربنی است و از هوای سبک‌تر؛ پس در نشتی بالا می‌رود و زیر سقف جمع می‌شود. MQ-4 همان معماری خانوادهٔ MQ را دارد: المان حس‌گری از تنیور دی‌اکسید قلع (SnO2) که با هیتر داخلی گرم می‌شود و با حضور گاز هدف، مقاومتش افت می‌کند. تفاوت در ترکیب و دمای کار المان است که حساسیت را به سمت متان برده است؛ MQ-4 به CNG و بوتان هم واکنش می‌دهد، اما دود را — برخلاف MQ-2 — خوب نمی‌بیند.

حساسیت متقاطع: MQ-4 در برابر بقیهٔ خانواده

هیچ حسگری از این خانواده «فقط یک گاز» را نمی‌بیند؛ هر مدل حساسیت متقاطع (Cross-sensitivity) با گازهای دیگر دارد. جدول خانوادهٔ رایج:

نتیجهٔ عملی: اگر «دود یا هر نشتی قابل اشتعال» مهم است، MQ-2 انتخاب است؛ اگر دغدغهٔ اصلی نشتی گاز شهری است، MQ-4 پاسخ بهتری می‌دهد. اما هرگز روی تشخیص قطعی نوع گاز حساب نکنید.

پین‌ها و گرم‌شدن

ساختار برد ماژول MQ-4 با MQ-2 یکسان است:

از نظر گرمایش، عادت خانوادهٔ MQ برقرار است: پس از هر روشن‌شدن چند دقیقه پیش‌گرمایش لازم است تا خوانش‌ها روی پایه بنشیند. در منابع خانواده، زمان پیش‌گرمایش در بازهٔ حدود یک دقیقه تا چند دقیقه ذکر می‌شود و برای حسگر انبارشده، کار سخت اولیهٔ طولانی‌مدت توصیه شده است؛ چون این مقادیر بین نسخه‌های دیتاشیت فرق می‌کند، زمان دقیق را از دیتاشیت خودتان بخوانید. مفهوم Ro هم مثل درس قبل است: مقاومت المان در هوای پاک، مبنای همهٔ مقایسه‌ها.

سیم‌کشی

اسکچ و تفسیر خوانش

const int AO_PIN = A0;
const int DO_PIN = 2;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(DO_PIN, INPUT);
}

void loop() {
  int value = analogRead(AO_PIN);
  Serial.print("Sensor: ");
  Serial.println(value);

  if (digitalRead(DO_PIN) == LOW) {  // most LM393 boards pull LOW on alarm
    Serial.println("ALARM: threshold exceeded");
  }
  delay(1000);
}

تفسیر خوانش: عدد Sensor: یک مقدار خام ۰ تا ۱۰۲۳ است و ppm نیست. معیار درست، تغییرِ نسبت به مقدار پایهٔ هوای پاک است: اگر پایه ۲۰۰ باشد و خوانش به ۲۵۰ برسد، یعنی ۲۵ درصد افت مقاومت نسبت به Ro و این سیگنال معناداری است — بدون ادعایی دربارهٔ غلظت مطلق.

دربارهٔ DO: مقایسه‌گر LM393 روی اکثر بردشکن‌ها در حالت عادی HIGH می‌دهد و وقتی خوانش از آستانهٔ پتانسیومتر بگذرد LOW می‌شود؛ اما جهت این رفتار روی همهٔ بردها یکسان نیست. برد خودتان را با بخار آرام یا هوای بازدم آزمایش کنید.

اعداد نمونه‌اند و به حسگر و محیط شما بستگی دارند؛ قالب چاپ و رفتار شرط هشدار قطعی است.

جایابی و ایمنی

خطاهای رایج و عیب‌یابی

تمرین‌ها

const int AO_PIN = A0;
const int CAL_SAMPLES = 20;
long baseline = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < CAL_SAMPLES; i++) {
    sum += analogRead(AO_PIN);
    delay(200);
  }
  baseline = sum / CAL_SAMPLES;  // clean-air reference (Ro)
  Serial.print("Baseline: ");
  Serial.println(baseline);
}

void loop() {
  int value = analogRead(AO_PIN);
  Serial.print("Ratio: ");
  Serial.println((float)value / baseline, 2);
  delay(1000);
}

عدد ۱٫۰ یعنی شرایط مثل هوای پاک. دقت کنید این نسبت بر خلاف Rs/Ro مستقیم است: با حضور گاز، مقاومت المان (Rs) افت می‌کند و ولتاژ خروجی بالا می‌رود، پس انحراف نسبت به بالای ۱٫۰ یعنی حضور احتمالی گاز. اعداد نمونه‌اند؛ نسبت، برخلاف عدد خام، مستقل از تنظیم روز پتانسیومتر مقایسه می‌شود. ::: :::

خلاصه

• متان، گاز اصلی گاز شهری است؛ سبک‌تر از هواست و در نشتی زیر سقف جمع می‌شود.
• MQ-4 همان معماری MQ-2 را دارد ولی روی متان تنظیم شده؛ همهٔ اعضای خانواده حساسیت متقاطع دارند و MQ-4 دود را خوب نمی‌بیند.
• خوانش درست، تغییر نسبی نسبت به مقدار پایه (Ro) است؛ عدد آنالوگ ppm نیست.
• DO با پتانسیومتر آستانه‌گذاری می‌شود و روی اکثر بردها هنگام هشدار LOW می‌شود؛ جهتش را روی برد خودتان تأیید کنید.
• حسگر باید نزدیک سقف نصب شود و برای ایمنی واقعی، دتکتور گواهی‌شده جایگزین آن است.

حسگرهای محیطی را با MQ-4 کامل کردید؛ در درس بعدی با ماژول DS3231 زمان واقعی را به پروژه‌هایتان اضافه می‌کنید.