MQ-5 도시가스 센서의 알코올 선택성을 Rs/R0로 MQ-2와 비교하기

이 센서로 무엇을 잴 수 있나

MQ-5는 한웨이 데이터시트에서 "LPG, 천연가스, 도시가스에 감도가 높고 알코올과 연기에는 감도가 낮다"고 소개하는 센서예요. 쓰임새도 "알코올, 요리 연기, 담배 연기의 방해를 피하는" 가스 누출 감지기로 적혀 있어요. 감지 범위는 LPG·LNG·천연가스·아이소뷰테인·프로판·도시가스 200~10000ppm이에요. 우리나라 도시가스는 주로 메테인이 든 LNG예요.

학교에서는 도시가스나 LPG를 학생이 다루지 않으니, 이 글은 다른 질문을 잡아요. "정말 알코올에는 덜 반응할까?"예요. MQ-5와 MQ-2를 나란히 두고 같은 손 소독제를 대어 보면, 데이터시트가 말하는 선택성을 직접 숫자로 확인할 수 있어요. 기준값이 전원 전압이나 날짜에 따라 얼마나 흔들리는지도 잴 수 있어요.

원리

다른 MQ 센서처럼 데운 산화주석 막의 저항(Rs)이 기체에 따라 내려가는 원리예요. MQ-5의 히터 저항은 31Ω(±10%)이라 5V에서 약 0.16A가 흘러요.

이 글의 핵심은 계산이에요. 데이터시트 식 Rs = (Vc ÷ V − 1) × RL에서 V는 AO 전압이에요. 깨끗한 공기에서 잰 전압을 V0, 그때 저항을 R0라고 하면

Rs ÷ R0 = ((Vc − V) ÷ V) ÷ ((Vc − V0) ÷ V0)

가 돼요. 분자와 분모에 같은 RL이 곱해져 있어서 나누면 사라져요. 모듈 뒷면의 RL 값을 몰라도, 회로를 바꾸지 않는 한 Rs/R0는 정확히 구할 수 있다는 뜻이에요. 1보다 작아질수록 반응한 기체가 많아요.

데이터시트는 기준 저항 Ro를 "깨끗한 공기 속 1000ppm 수소에서의 저항"으로, 곡선은 RL 20kΩ 조건으로 그렸어요. 5000ppm 메테인 속 Rs는 10~60kΩ으로 적혀 있어서, 같은 모델끼리도 최대 6배 차이가 날 수 있어요. 센서마다 자기 기준과 비교해야 하는 이유예요.

준비물

• 라즈베리파이 피코와 USB 케이블
• MQ-5 모듈, 비교용 MQ-2 모듈
• 10kΩ 저항 2개, 20kΩ 저항 2개
• 브레드보드, 점퍼선, 멀티미터
• 손 소독제, 면봉, 자
• (탐구 2) 전원이 다른 USB 포트나 5V 어댑터

배선

브레드보드 따라 꽂기 순서 (10단계)

1. 피코를 브레드보드 가운데 홈에 걸쳐 꽂아요. USB 단자가 왼쪽을 보게 하고, 1번 핀이 f2, 40번 핀이 e2에 들어가요. 다리가 홈 양쪽에 모두 들어갔는지 옆에서 봐요.
2. 빨간 선: 피코 40번 핀(VBUS) 옆 칸 a2 → 아래쪽 + 줄(5V). 이제 이 줄 전체가 5V예요. 위쪽 + 줄(3.3V)과 아래쪽 + 줄(5V)은 절대 서로 잇지 않아요.
3. 검은 선: 피코 3번 핀(GND) 옆 칸 j4 → 아래쪽 − 줄(GND). 이제 이 줄 전체가 GND예요.
4. 메테인·천연가스·LPG MQ-5 꽂기: 다리 VCC · GND · AO를 아래쪽 j24 · j25 · j26에 차례로 꽂아요. 다리가 브레드보드에 바로 안 들어가면 암-수 점퍼선으로 같은 칸에 이어요.
5. 빨간 선(5V 전원): 메테인·천연가스·LPG VCC 줄 i24 → 아래쪽 + 줄(5V)
6. 검은 선(GND): 메테인·천연가스·LPG GND 줄 i25 → 아래쪽 − 줄(GND)
7. 저항 10kΩ(색띠 갈색·검정·주황): g26 ↔ g28 (AO 다리 칸 → 나눔 칸 28열)
8. 저항 20kΩ(색띠 빨강·검정·주황): i28 ↔ 아래쪽 − 줄(GND)
9. 초록 선: 나눔 칸 h28 → 피코 31번 핀(GP26) 옆 칸 a11. 5V 신호가 3.3V 아래로 줄어 피코가 안전해요.
10. 마지막 확인: ① 위쪽 + 줄(3.3V)과 아래쪽 + 줄(5V)이 서로 이어지지 않았나요? ② 모든 부품의 GND가 − 줄에 이어졌나요? ③ 5V 신호 다리는 저항을 거쳐 피코에 이어졌나요? ④ 긴 브레드보드는 + − 줄이 가운데에서 끊긴 것도 있어요(빨간·파란 선이 끊겨 있으면 짧은 선으로 이어요). ⑤ 그림과 한 칸씩 비교한 뒤 USB를 꽂아요.

AO는 5V까지 올라갈 수 있어 각각 10kΩ(AO 쪽)·20kΩ(GND 쪽)으로 2/3로 낮춰요. 피코 ADC가 3.3V를 넘는 전압을 받지 않게 하려는 거예요. 배선 그림과 따라 꽂기는 MQ-5 하나만 보여 줘요. 비교용 MQ-2는 같은 모양으로 분압 저항 한 벌을 더 꽂아 GP27에 이어요. 분압 저항은 RL과 나란히 붙지만, 위 식에서 RL이 약분되듯 이 영향도 함께 사라져요. 회로를 그대로 두기만 하면 돼요.

히터 두 개가 동시에 약 0.31A를 써요. USB 2.0 포트는 보통 500mA까지라서, 전원이 없는 USB 허브를 거치면 모자랄 수 있어요. 컴퓨터 본체 포트나 충분한 5V 어댑터에 바로 꽂으세요.

코드

from machine import ADC, Pin
import time

VC = 5.0                       # 센서 회로 전압(VBUS). 멀티미터로 재서 고치기
mq5 = ADC(Pin(26))             # MQ-5 AO → 분압 → GP26
mq2 = ADC(Pin(27))             # 비교용 MQ-2 AO → 분압 → GP27

def volt(adc):
    s = 0
    for i in range(16):
        s += adc.read_u16()
    return s / 16 * 3.3 / 65535 * 1.5

def ratio(v, v0):
    # Rs/R0 = ((VC-V)/V) / ((VC-V0)/V0) : 부하 저항 RL이 약분돼 사라져요
    if v <= 0 or v0 <= 0 or v >= VC:
        return 0
    return ((VC - v) / v) / ((VC - v0) / v0)

print("두 센서를 충분히 켠 뒤, 깨끗한 공기에서 기준을 재요")
b5 = 0
b2 = 0
for i in range(20):
    b5 += volt(mq5)
    b2 += volt(mq2)
    time.sleep(0.5)
b5 = b5 / 20
b2 = b2 / 20
print(f"기준 전압 MQ-5 {b5:.3f} V, MQ-2 {b2:.3f} V")

while True:
    r5 = ratio(volt(mq5), b5)
    r2 = ratio(volt(mq2), b2)
    print(f"DATA: mq5_ratio={r5:.3f}, mq2_ratio={r2:.3f}")
    time.sleep(1)

• volt(adc)는 어느 센서든 받아서 16번 평균한 AO 전압을 돌려줘요.
• ratio(v, v0)가 위의 Rs/R0 식이에요. 전압이 0이거나 VC보다 크면 계산이 안 되므로 0을 돌려줘요.
• 기준(b5, b2)은 10초 동안 20번 읽은 평균이에요. 두 센서 모두 같은 공기에서 잡아야 해요.
• 출력 mq5_ratio, mq2_ratio가 1에서 얼마나 내려갔는지 비교하면 돼요.

값 해석과 보정

같은 소독제에 MQ-2 비율이 MQ-5보다 1에서 훨씬 멀리 내려갔다면, 그 기체에 대해 MQ-2의 저항 변화가 더 컸다는 뜻이에요. 이렇게 "원하는 기체에는 크게, 다른 기체에는 작게" 반응하는 정도를 선택성이라고 해요. 다만 두 센서의 자리, 거리, 공기 흐름이 같아야 공정해요. 한 번 잰 뒤 두 센서의 자리를 바꿔 한 번 더 재면 위치 차이를 걸러낼 수 있어요.

VC는 실제 VBUS 전압이어야 해요. 그런데 이 값이 조금 틀려도 비율은 크게 흔들리지 않아요. 예를 들어 V0=1.0V, V=2.0V일 때 VC를 5.0V로 넣으면 0.375, 4.9V로 넣으면 0.372예요. VC 오차보다 기준을 잡는 순간의 공기가 깨끗했는지가 훨씬 중요해요.

데이터시트에는 온도와 습도(33%RH, 85%RH)에 따라 Rs/Ro가 바뀌는 그래프도 있어요. 기준을 잡은 뒤 몇 시간이 지났다면, 비율이 1에서 조금 벗어난 것이 기체 때문인지 날씨 때문인지 구분해야 해요. 실험마다 기준을 다시 잡는 게 가장 간단한 보정이에요.

이 비율로 ppm을 구하려면 표준 가스로 보정해야 해요. 데이터시트도 1000ppm 수소나 LPG로 감도를 맞추고 RL을 20kΩ 근처(10~47kΩ)로 고르라고 권해요. 학교에서 할 수 있는 일은 아니에요.

자주 하는 실수

1. 알코올에 약하게 반응하니 고장이라고 판단하기. 그렇게 설계된 센서예요. MQ-2와 함께 재 봐야 차이가 보여요.
2. 모듈을 바꿔 끼우고 예전 기준을 그대로 쓰기. RL이 약분되는 건 같은 회로일 때만이에요. 모듈을 바꾸면 기준도 새로 잡아요.
3. 히터 두 개를 전원 없는 허브에 연결하기. 전압이 내려가 히터 온도가 바뀌면 두 센서의 기준이 함께 흔들려요.
4. 가스레인지 옆에서 요리 냄새로 시험하기. 데이터시트가 요리 연기에 덜 반응하게 만들었다고 밝힌 센서인 데다, 학생 실험에서 불을 쓰면 안 돼요.

이 센서로 잴 수 있는 탐구

1. MQ-5는 정말 알코올에 덜 반응할까 - 질문: 같은 소독제 증기에 MQ-5와 MQ-2의 Rs/R0는 얼마나 다르게 내려갈까? - 바꾸는 것: 센서 종류(MQ-5, MQ-2)와 두 센서의 자리(왼쪽·오른쪽 바꾸기) - 재는 것: 각 센서의 최소 Rs/R0(비율, 단위 없음) - 방법: 두 센서를 5cm 간격으로 세우고, 소독제 1방울을 묻힌 면봉을 두 센서 가운데 3cm 앞에 20초 둬요. 자리를 바꿔 다시 재고, 조건마다 3번씩 해요. 시도 사이에는 두 비율이 모두 0.95 위로 돌아올 때까지 기다려요.

2. 전원 전압이 다르면 기준도 달라질까 - 질문: 피코를 꽂은 USB 전원에 따라 깨끗한 공기의 AO 전압이 달라질까? - 바꾸는 것: 전원(노트북 USB 포트, 5V 어댑터, 다른 컴퓨터 포트) - 재는 것: 멀티미터로 잰 VBUS(V), 30분 켠 뒤의 기준 전압 b5(V) - 방법: 같은 자리에서 전원만 바꿔 각각 30분 켠 뒤 기준을 기록해요. 전원마다 2번씩 해요.

3. 날마다 기준은 얼마나 같을까 - 질문: 같은 시각, 같은 자리에서 잡은 기준 전압이 5일 동안 얼마나 흔들릴까? - 바꾸는 것: 날짜(5일) - 재는 것: 30분 켠 뒤의 기준 전압(V), 그때의 기온(°C)과 습도(%RH) - 방법: 매일 같은 교시에 같은 책상에서 재고, 기준 전압과 습도를 산점도로 그려 관계가 보이는지 확인해요.

안전

• 도시가스, LPG, 부탄가스는 학생이 다루지 않아요. 반응을 보여 줄 필요가 있다면 교사가 환기된 곳에서 불 없이 아주 조금만 시연해요.
• 가스레인지나 버너를 켜는 실험은 하지 않아요.
• 히터가 두 개라 열도 두 배예요. 켠 채로 만지지 말고, 센서끼리 너무 붙이지 마세요.
• 이 장치는 가스누설경보기로 인증받은 제품이 아니에요. 집의 가스 누출 감시를 맡기지 마세요.

더 알아보기

• 데이터시트: Hanwei Electronics "MQ-5 Technical Data"(감지 기체, RL 20kΩ, 히터 31Ω, Rs 10~60kΩ, 예열 24시간, Ro 정의)
• 라이브러리: 따로 없어요. machine.ADC로 두 채널(GP26, GP27)을 읽어요.
• 기초 글: 분압 회로, 전원 계산, 센서 값의 신뢰도, 피코 핀 지도