Детектор загрязнения воздуха

Это устройство предназначено для предоставления пользователю экономичных средств определения качества воздуха. Наш датчик ориентирован на пять компонентов индекса качества воздуха Агентства по охране окружающей среды:озон, твердые частицы, оксид углерода, диоксид серы и закись азота. Это устройство обнаруживает все эти загрязнители, кроме диоксида серы. Устройство также включает в себя городской газовый датчик, предупреждающий пользователя об утечках газа или наличии горючих газов. Кроме того, в комплект входит датчик температуры и влажности, поскольку эти условия могут повлиять на работу датчиков газа.

Нам еще предстоит полностью откалибровать наше устройство, но мы извлекли данные из паспортов датчиков, чтобы сделать некоторые предварительные оценки. Используемые датчики относительно недороги и сильно различаются от компонента к компоненту, поэтому их необходимо калибровать с известными концентрациями целевых газов. У нас еще не было возможности сделать это.

Шаг 1. Материалы

Контроль и мощность

• Arduino Uno
• Источник питания 5 В
• ЖК-экран RGB 16 × 2

Датчики

• Детектор твердых частиц Shinyei PPD42
• Датчик газа MQ-2
• Датчик газа MQ-9
• Датчик газа MiCS-2714 (NO2)
• Газоанализатор MiSC-2614 (озон)
• Датчик температуры и влажности Keyes DHT11

Коробка и сборка

• Доступ к 3D-принтеру
• Плата для пайки
• вентилятор 5 В
• от 10 до 15 проводов калибра 24

Шаг 2. Общая принципиальная схема

Принципиальная схема выше представляет собой полную схему работы этого детектора загрязнения. Подробная принципиальная схема платы для пайки будет представлена ​​позже. Обратите внимание, что вы можете изменить большинство цифровых и аналоговых портов, которые вводятся датчиками, если вам это необходимо (по любой причине); для этого потребуется всего лишь отредактировать код, который мы предоставили для учета этих изменений.

Шаг 3. Датчик твердых частиц

Мы используем два датчика пыли Shinyei PPD42 для сбора данных о твердых частицах.

Каждый детектор Shinyei имеет два выхода сигнала:один для мелких твердых частиц (левый желтый провод на рисунке выше) и один для более крупных твердых частиц. Эти выходные сигналы подключены к цифровым входам Ardiuno. Детектор должен быть запитан путем подачи + 5В и заземления на порты детектора. Подробную информацию см. На общей принципиальной схеме.

Каждый детектор использует инфракрасный светодиод и фотодетектор для измерения рассеяния мелких частиц в воздухе. Внутренняя схема преобразует выход фотодетектора в цифровые выходные сигналы. Обычно датчик выдает сигнал + 5В, когда он обнаруживает частицы, выдает низковольтный импульс. Часть времени, в течение которой выходной сигнал является низким, или «процент занятости с низким уровнем импульсов», пропорционален концентрации твердых частиц в воздухе.

Подробный анализ обратного инжиниринга Shinyei PPD42 Трейси Аллен можно найти на http://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP…

Шаг 4. Печатная плата датчика газа

Выше представлена ​​принципиальная схема печатной платы, на которой размещены датчики газа и датчик температуры / влажности. Подробная информация о монтаже каждого отдельного устройства содержится в следующих шагах. Обратите внимание, что ваша печатная плата может внешне отличаться от нашей. Фактически, мы рекомендуем вам распечатать печатную плату для устройств поверхностного монтажа вместо использования паяльной платы. Он должен работать так же хорошо, пока вы следуете принципиальной схеме.

Шаг 5. Датчики озона и NO2

Мы используем датчики поверхностного монтажа MiCS-2614 и MiCS-2714 для обнаружения озона и диоксида азота соответственно.

Оба этих устройства используют внутренний резистор в качестве чувствительного элемента. Чувствительный резистор подключается между контактами (G) . и (K ) на диаграмме выше. С помощью омметра проверьте, правильно ли вы нашли контакты. Сопротивление должно быть порядка 10-20 кОм.

Оба устройства также имеют нагревательный элемент между контактами (A) . и (H). Этот нагревательный элемент поддерживает соответствующую температуру чувствительного элемента. Сопротивление нагревательного элемента составляет 50-60 Ом.

В идеале эти устройства должны монтироваться на печатной плате. Однако в отсутствие печатной платы принтера все еще можно аккуратно припаять заднюю часть этих устройств, используя очень низкотемпературный припой и проявляя особую осторожность.

Как показано на принципиальной схеме паяльной платы, мы размещаем резистор 82 Ом и резистор 131 Ом последовательно с нагревательными элементами блоков MiCS-2614 и MiCS-2714 соответственно. Это гарантирует, что нагревательные элементы получат должный уровень мощности. Если у вас нет доступа к резистору 131 Ом (это нестандартное значение), используйте последовательно резистор 120 Ом и резистор 12 Ом.

Мы размещаем чувствительные резисторы в обоих устройствах последовательно с резисторами 22 кОм, чтобы создать делитель напряжения. По напряжению на выходе делителя напряжения мы можем рассчитать чувствительное сопротивление.

Rsenor =22кОм * (5V / Vout - 1)

Загрязнение воздуха De

Шаг 6. Датчики токсичных газов MQ

Мы использовали газовые сенсоры MQ-2 и MQ-9 для измерения токсичных газов, включая пропан, бутан, сжиженный нефтяной газ и окись углерода.

MQ-2 и MQ-9 очень похожи на детекторы MiCS. Они используют газочувствительный резистор (SnO2) для определения концентрации токсичных газов и имеют внутренний нагревательный элемент, чтобы поддерживать датчик при нужной температуре. Схемы, которые мы используем для этих устройств, практически такие же, как схемы для датчиков MiCS, за исключением того, что мы используем транзистор, а не резистор для регулирования мощности нагревателя в MQ-9.

См. Принципиальную схему паяльной платы для получения подробной информации о монтаже. Для датчика MQ-2 подключите контакты с маркировкой A к источнику питания 5 В, подключите контакт с маркировкой G к земле и подключите контакт с маркировкой S, подключенный к земле, последовательно с резистором 47 кОм. Для датчика газа MQ-9 подключите контакт с меткой A к транзистору, контакт с меткой B к источнику питания 5 В, контакт с меткой G - к земле, а контакт с меткой S - к земле последовательно с резистором 10 кОм.

Шаг 7. Датчики температуры и влажности

Этот датчик предоставляется, потому что температура и влажность играют роль в концентрациях газа, которые обнаруживают наши датчики. Высокая влажность и температура, а также резкие изменения любого из них могут отрицательно повлиять на точность показаний. Поэтому полезно иметь возможность контролировать эти переменные. С помощью этого единственного датчика можно считывать как температуру, так и влажность. Ориентированный так, как это показано на фотографии выше, левый контакт должен быть подключен к источнику питания, средний контакт является выходным сигналом, а правый контакт заземлен. Выходной сигнал для этого компонента поступает на цифровой порт на Arduino. Наш код настроен на ожидание сигнала температуры в цифровом порте 2. При необходимости его можно изменить на другой цифровой порт; просто измените код в соответствии с тем, какой порт вы выбрали. См. Схему паяльной платы, чтобы использовать этот компонент.

Шаг 8. Питание и вентилятор

Если вы посмотрите на принципиальную схему для всего проекта, вы увидите, что нам нужно только одно входное напряжение 5 В. Для питания проекта можно использовать обычный адаптер, подобный показанному выше. Кроме того, вам понадобится вентилятор, чтобы обеспечить прохождение воздуха через коробку и предотвратить перегрев. Мы использовали вентилятор выше, но можно использовать любой вентилятор, который потребляет 5 В и имеет соответствующий размер.

Шаг 9. Контейнер

Хотя есть много способов сделать эффективную коробку, мы решили использовать для нее 3D-принтер UP. Мы прикрепили STL, который использовали для окончательной печати. ​​

Шаг 10. Кодирование

Код для извлечения необработанных данных с устройства прикреплен выше. Этот код будет печатать значения сопротивления датчика, процент занятости Shinyei PPD42 с низким импульсом, а также показания температуры и влажности на компьютер через последовательный монитор. Он также будет циклически просматривать необработанные данные на ЖК-экране.

Чтобы код заработал, вам сначала необходимо загрузить библиотеки для ЖК-экрана и датчиков температуры и влажности. Вы найдете библиотеки на следующих веб-сайтах

Код экрана ЖК-дисплея:https://learn.adafruit.com/rgb-lcd-shield/using-th…

Код датчика температуры и влажности:https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library

Шаг 11. Интерпретация данных

Мы находимся в процессе определения того, как преобразовать необработанные значения датчиков в значимые выходные данные. В конечном итоге для обеспечения точности потребуется калибровка по известным источникам загрязнения. Тем временем мы использовали спецификации датчиков и предыдущие исследования, чтобы сделать приблизительные оценки.

Для оценки концентрации твердых частиц мы используем информацию из исследовательской работы Дэвида Холстиуса. В документе данные датчика пыли Shinyei PPD42 сопоставляются с измерениями Агентства по охране окружающей среды. На графиках в приложении показаны наиболее подходящие линии для данных. Мы использовали графики для приблизительной оценки концентрации PM2,5 в микрограммах на кубический метр следующим образом:

PM2,5 =5 + 5 * (процент занятости малых PM с малыми импульсами)

Чтобы оценить концентрацию газа от датчиков газа MiCS, мы используем графики в таблицах данных (NO2 и O3) для извлечения функций, связывающих сопротивление датчика с концентрацией газа.

Для датчиков MQ мы используем графики в технических описаниях устройств для качественной оценки данных. Когда значение сопротивления падает до менее чем половины сопротивления в воздухе, вполне вероятно, что устройство обнаруживает целевые газы. Когда сопротивление падает в 10 раз, уровни целевого газа, вероятно, составляют около 1000 ppm, что близко к допустимому пределу безопасности.

Как только мы получаем приблизительные концентрации целевых газов, мы полагаемся на стандарты правительства США для интерпретации данных. В первую очередь мы используем Документ технической помощи EPA для ежедневной отчетности о качестве воздуха и информационный лист CDC об опасностях, связанных с пропаном.

К сожалению, наш код, интерпретирующий необработанные данные, еще не полностью функционален. Мы надеемся, что сможем загрузить его позже.

Источник:Детектор загрязнения воздуха