Open source nitrox analyzer

Reprise d'un article écrit le 20-07-2014 sur l'ancien blog

La mesure du pourcentage d'oxygène est incontournable de la plongée aux mélanges respirables enrichis en oxygène, ce que les plongeurs respirent sous le nom de nitrox. Cette mesure fait intervenir l'analyseur nitrox, un appareil qui convertit basiquement le signal issu d'un capteur chimique, la cellule oxygène, en l'affichage d'un pourcentage d'oxygène sur un écran. Le fait d'avoir affaire à un analyseur chimique en fait, en apparence, un produit technique compliqué avec suffisamment de voodoo derrière pour justifier le prix élevé généralement constaté sur cette gamme de produits (la plupart autour de 200-300 euros).

Un peu de théorie

Une cellule oxygène (Teledyne R17-VAN)

Le circuit électronique

Le montage proposé ne fait pas exception au fonctionnement habituel du truc jaune et vert mais diffère des autres par le fait qu'il offre des fonctions supplémentaires sans effort: calibration automatique ou manuelle, affichage de la stabilisation de la mesure, un grand afficheur alphanumérique retro-éclairé et même sortie en continu de la mesure via USB ou pour quelques euros de plus via bluetooth.

Les analyseurs à fabriquer utilisent classiquement au moins un module voltmètre, des résistances à remplacer ou ajouter sur le module et un potentiomètre. Ma liste de course diffère grandement puisque j'utilise un module électronique programmable en langage C, qui va analyser des données issues d'un composant qui va convertir le voltage mesuré sur la cellule en données numériques.

Arduino Uno



Le Shield LCD

L'ADS 1115

Le programme

La liste des courses

• - Un arduino UNO ("Arduino Uno")
• - Un convertisseur à base de ADS1115. ("ADS1115 breakout board"). Ne pas prendre le composant seul... qui ne fait que quelques mm² donc pas soudable pour un humain. Prendre obligatoirement une plaque sur lequel il est déjà soudé et qui comporte des broches notées SCA et SCL. Celui que j'utilise vient de chez TDVdesign.com (http://www.tdvdesign.com/ADS1115/). Un autre modèle facile à trouver est en vente chez Adafruit.com sous la référence 1085 (http://www.adafruit.com/products/1085). Les deux sont interchangeables.
• - Un shield LCD alphanumérique avec clavier. Là aussi, différentes marques existent pour un même produit. ("LCD Keypad arduino shield")
• - Un interrupteur à bascule (avec un capuchon étanche si le boitier est destiné à être étanche).
• - Des fils électriques de couleurs différentes. On peut envisager comme je l'ai fait des fils avec connecteurs enfichables femelles dit "jumper wire" ou "cable jumper". Dans ce cas, il faut ajouter de la barrette sécable male au pas de 2.54 qu'on placera et soudera sur les différentes cartes. L'avantage de cette option est qu'en cas d'erreur, on a pas à dessouder puis ressouder des fils. 1 barrette suffit largement.
• - Un connecteur pour la sonde. Sur la R17, c'est un prolongateur jack Male/Male et une prise jack femelle de 3.5mm.
• - Une résistance optionnelle pour la sonde (100Kohm pour la R17).
• - Un coupleur de pile et une pile.
• - Un boitier (étanche ou non)

• Un petit tournevis
• Un fer à souder et l'étain pour la soudure

Assemblage

• - coupleur de pile: la broche rouge est connectée à l'une des broches de côté de l'interrupteur.
• - orange/blanc (+ alimentation). Attention ce fil positif venant de la broche du milieu de l'interrupteur doit être marqué d'un signe distinctif pour ne pas être confondu avec le fil orange 5V puisqu'il délivre normalement 9V et peut détruire l'electronique s'il est connecté au mauvais endroit. Il est connecté au niveau de la broche VIN du shield afficheur LCD.
• - orange (+5V): le fil d'alimentation du convertisseur. Il est relié entre la broche 5V du shield afficheur et la broche VDD du convertisseur
• - bleu (+3.3V): le fil d'alimentation du circuit bluetooth optionnel. Il est relié entre la broche 3.3V du shield afficheur et la broche VDC du module bluetooth
• - noir (- la masse). Le fil issu du coupleur de pile est connecté à la broches GND du module bluetooth et à l'une des deux broches à gauche de VIN sur le shield afficheur. La broche non utilisée est connectée à la broche GND du convertisseur. Ces fils alimentent les différents circuits de l'analyseur. Le convertisseur est cablé de la façon suivante:
• - vert (bus I2C): le cable relie la broche SDA du convertisseur à la broche A4.
• - jaune (bus I2C): le cable relie la broche SCL du convertisseur à la broche A5.
• - rouge et blanc (sonde nitrox): faire une soudure de chaque cable à la prise de l'analyseur (ici jack 3.5mm male). Ne pas oublier de mettre une resistance de 100Kohm (pour une cellule Teledyne R17, voir fiche produit spécifique aux autres cellules) aux broches de la prise. Mesurer la tension avec un voltmètre réglé sur 50-200mV. Lorsque la tension est positive, brancher le cable relié à la borne + du voltmètre à la borne A0 et l'autre à A1. A l'exécution du programme, si la mesure est négative, inverser les broches.

Détail des connexions à réaliser sur le shield LCD

L'installation du programme

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Arduitrox version 1.0 
// Main code by Lionel Pawlowski - Copyright (c) 2014
// ADS library by Adafruit
// Running average library by Rob Tillaart 
// Commercial use and/or distribution of this code and relevant 
// hardware forbidden without prior agreement. 
// Provided "as is". Use at your own risk
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal.h>
#include <Adafruit_ADS1015.h>
#include <RunningAverage.h>


Adafruit_ADS1115 ads;
LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);

int opmode=0;
int cnt;
float oldRA;
float sig1,sig,sig2;
float relpourc;
float gain = 0.0078125;
float pour;
RunningAverage RA(10);
int samples=0;

// Définition du gaz de référence
float calibgas=20.95;

void setup(void) 
{
// Message d'accueil si besoin (nom, etc)
lcd.begin(16, 2);
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Arduitrox v1.0");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(""); 
delay(3000);
Serial.begin(9600);
ads.setGain(GAIN_SIXTEEN); // 16x gain 1 bit = 0.0078125mV
ads.begin();
oldRA=0;
cnt=0;
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Cal. auto");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(" ");
}


void loop(void) 
{
int16_t adc0;
oldRA=RA.getAverage();
adc0 = ads.readADC_Differential_0_1(); 
RA.addValue(adc0);
cnt=cnt+1; 
sig=(RA.getAverage()-oldRA)/oldRA;
sig1=abs(sig);

// Calibration Auto
if (opmode==0) {
if (sig1<0.0002) { // 0.0002
samples=samples+1; 
} else { 
// samples = 0; 
}
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(RA.getAverage()*gain,2);
lcd.print("mV ");
lcd.print(calibgas,2);
lcd.print("% ");
lcd.setCursor(10,0);
pour=samples/5; 
lcd.print(pour,0);
lcd.print("% "); 
if ((RA.getAverage()*gain)<0.02) {
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("PANNE CELLULE O2");
opmode=10; 
}
Serial.print("CAL,");
Serial.print(cnt);
Serial.print(",");
Serial.print(RA.getAverage()*gain,4);
Serial.print(",");
Serial.println(calibgas);
if (samples==500) {
samples=0;
opmode=2;
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("CALIBR TERMINEE");
lcd.setCursor(0,0);
delay(3000);
relpourc=100*calibgas/RA.getAverage();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(" ");
lcd.print(" ");
lcd.begin(16, 2);
delay(500); 
}
}

// Lecture des échantillons 
if (opmode==2) {
lcd.setCursor(0,0); 
lcd.print("%O2: ");
pour = RA.getAverage()*relpourc/100;
lcd.print(pour,1);
lcd.print(" ");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("mV : ");
lcd.print(RA.getAverage()*gain,2);
lcd.print(" ");
lcd.setCursor(10,0);
if (sig1<0.0002) {
lcd.print("====");
} else {
lcd.print(" ");
}
Serial.print("MES,");
Serial.print(cnt);
Serial.print(",");
Serial.print(RA.getAverage()*gain,4);
Serial.print(",");
Serial.println(pour,2); 
delay(200); 
}

// Calibration manuelle
if ((analogRead(0)>600)&&(analogRead(0)<700)) {
if (opmode<3) {
opmode=3;
samples=0;
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Calibr. manuelle"); 
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(" ");
delay(500);
} else {
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(" ");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(" ");
delay(2000);
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Cal. auto");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(" ");
opmode=0;
}
}
if (opmode==3) {
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("%O2 REF: ");
lcd.setCursor(9,1); 
lcd.print(calibgas,2);
lcd.print(" ");
if ((analogRead(0)==100)&&(calibgas<99)) {
calibgas=calibgas+1;
delay(100); 
}

if ((analogRead(0)==0)&&(calibgas<100)) {
calibgas=calibgas+0.05;
delay(200); 
}

if ((analogRead(0)==257)&&(calibgas>1)) {
calibgas=calibgas-1;
delay(100);
}
if ((analogRead(0)==411)&&(calibgas>0.05)) {
calibgas=calibgas-0.05;
delay(200);
} 
}
}


<adafruit_ads1015.h>

Le projet une fois complété et opérationnel