GraftSense-基于 MEMS 气体传感器的空气质量监测模块(MicroPython)
GraftSense-基于 MEMS 气体传感器的空气质量监测模块(MicroPython)
GraftSense MEMS Gas Sensor-based Air Quality Monitoring Module
目录
简介
本项目是 GraftSense 系列基于 MEMS 气体传感器的空气质量监测模块，属于 FreakStudio 开源硬件项目。模块通过 PCA9546A I2C 扩展芯片挂载 4 路 MEMS 气体传感器（烟雾、一氧化碳、VOC、甲醛），配合 ADS1115 高精度 ADC 实现模拟量采集，支持将传感器电压转换为气体浓度（ppm），广泛适用于电子 DIY 环境监测实验、室内空气质量演示等场景。
主要功能
- 多传感器集成：支持 4 路 MEMS 气体传感器（烟雾传感器 JED115、一氧化碳传感器 JED104、VOC 传感器 JED101、甲醛传感器 JED116），覆盖常见有害气体检测。
- I2C 扩展设计：通过 PCA9546A 芯片扩展 I2C 总线，避免多传感器地址冲突，支持灵活扩展。
- 高精度 ADC 采集：基于 ADS1115 16 位 ADC，提供稳定的模拟电压采集，支持多通道切换与采样率配置。
- 多项式校准：内置多项式校准逻辑，支持自定义或使用内置多项式，将传感器电压线性转换为气体浓度（ppm）。
- 灵活数据读取：支持单次/多次采样取平均，可直接获取原始电压或浓度值，适配不同应用需求。
- Grove 接口兼容：遵循 Grove 接口标准，连接便捷，适配主流 MCU 开发平台。
硬件要求
- 核心芯片：PCA9546A（I2C 扩展）、ADS1115（16 位 ADC）、4 路 MEMS 气体传感器（烟雾、CO、VOC、甲醛）。
- 供电：3.3V 或 5V 直流供电，模块内置 DC-DC 转换电路，适配不同平台供电需求。
- 通信接口：I2C 总线（SDA、SCL 引脚），遵循 Grove 接口定义，支持 400kHz 高速模式。
- 传感器通道：4 路模拟输出通道，分别对应 4 种气体传感器，通过 ADS1115 通道切换采集。
文件说明
ads1115.py：ADS1115 ADC 驱动文件，封装了 ADC 初始化、通道切换、原始值读取、电压转换等核心功能，为 MEMS 传感器提供底层采集支持。mems_air_quality.py：MEMS 空气质量传感器驱动文件，基于 ADS1115 实现传感器选择、电压读取、多项式校准、浓度计算等功能，提供统一的高层接口。main.py：驱动测试与示例程序，演示了 I2C 总线初始化、设备扫描、传感器配置、电压与浓度读取的完整流程。
软件设计核心思想
- 分层架构：将底层 ADC 采集（ADS1115）与上层传感器逻辑（MEMS 驱动）分离，降低耦合度，提升代码复用性与可维护性。
- 多项式校准抽象：通过内置/自定义多项式实现电压到浓度的线性转换，适配不同传感器的特性曲线，提升检测精度。
- 通道抽象化：通过类常量（
CH20/SMK/VOC/CO）封装传感器通道，简化通道选择逻辑，避免直接使用数字索引导致的错误。 - 采样优化：支持多次采样取平均，通过延时控制采样间隔，有效降低噪声干扰，提升数据稳定性。
- 参数校验：对输入参数（如传感器类型、多项式系数长度）进行严格校验，避免无效操作导致的程序异常。
使用说明
-
硬件连接：
-
将模块通过 Grove 接口连接至 MCU 的 I2C 总线（SDA、SCL 引脚），接入 3.3V/5V 供电。
- 确保 4 路 MEMS 传感器已正确焊接至模块对应通道。
- 初始化配置：
python
from machine import Pin, I2C from ads1115 import ADS1115 from mems_air_quality import MEMSAirQuality
初始化 I2C 总线（SDA=4, SCL=5, 400kHz）
i2c = I2C(id=0, sda=Pin(4), scl=Pin(5), freq=400000)
扫描 I2C 设备获取 ADS1115 地址
devices = i2c.scan() adc_addr = devices[0] if devices else None
if adc_addr:
初始化 ADS1115（增益=1）
adc = ADS1115(i2c, adc_addr, 1)
初始化 MEMS 空气质量模块（采样率=7）
mems = MEMSAirQuality(adc, adc_rate=7)
3. **传感器校准配置**：
```python
# 查看 VOC 传感器的多项式系数
mems.get_polynomial(MEMSAirQuality.VOC)
# 设置 VOC 传感器自定义多项式（3 个系数）
mems.set_custom_polynomial(MEMSAirQuality.VOC, [20, 100, 20])
# 恢复 VOC 传感器内置多项式
mems.select_builtin(MEMSAirQuality.VOC)
- 数据读取：
python
读取 VOC 传感器电压（V）
voltage = mems.read_voltage(MEMSAirQuality.VOC)
读取 VOC 传感器浓度（ppm），3 次采样取平均
ppm = mems.read_ppm(MEMSAirQuality.VOC, samples=3, delay_ms=10)
---
## 示例程序
```python
# MicroPython v1.23.0
from machine import Pin, I2C
import time
from ads1115 import ADS1115
from mems_air_quality import MEMSAirQuality
# 上电延时
time.sleep(3)
print("FreakStudio: MEMS Air Quality Sensor Test Program")
# 初始化 I2C 总线
i2c = I2C(id=0, sda=Pin(4), scl=Pin(5), freq=400000)
devices = i2c.scan()
print("I2C devices found:", [hex(d) for d in devices])
adc_addr = devices[0] if devices else None
if not adc_addr:
print("No ADS1115 found!")
exit()
# 初始化 ADC 与 MEMS 模块
adc = ADS1115(i2c, adc_addr, 1)
mems = MEMSAirQuality(adc, adc_rate=7)
# 配置 VOC 传感器多项式
mems.select_builtin(MEMSAirQuality.VOC)
print("VOC polynomial:", mems.get_polynomial(MEMSAirQuality.VOC))
# 循环读取数据
while True:
voltage = mems.read_voltage(MEMSAirQuality.VOC)
ppm = mems.read_ppm(MEMSAirQuality.VOC, samples=3, delay_ms=10)
print(f"VOC Voltage: {voltage:.3f}V, Concentration: {ppm:.2f} ppm")
time.sleep(1)
注意事项
- I2C 地址冲突：使用 PCA9546A 扩展 I2C 时，需确保各传感器地址不冲突，模块已通过硬件设计规避该问题。
- 采样率选择：
adc_rate取值范围为 0-7，对应不同采样速度，值越大采样速度越快，噪声也会相应增加，需根据场景平衡选择。 - 多项式校准：自定义多项式需包含 3 个浮点数系数，若系数格式错误将导致浓度计算异常，建议先使用内置多项式验证。
- 传感器兼容性：模块仅适配指定型号 MEMS 传感器（JED115/JED104/JED101/JED116），更换其他传感器需重新校准多项式。
- 供电稳定性：模块内置 DC-DC 转换电路，需确保供电电压稳定，避免电压波动导致 ADC 采集精度下降。
联系方式
如有任何问题或需要帮助，请通过以下方式联系开发者：
📧 邮箱：liqinghsui@freakstudio.cn
💻 GitHub：https://github.com/FreakStudioCN
许可协议
本项目采用 MIT 开源许可协议，完整协议内容如下：
MIT License
Copyright (c) [年份] FreakStudioCN
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