DIY монитор качества воздуха: экономичный детектор, соответствующий стандартам EPA
Этот компактный детектор предлагает бюджетное решение для оценки качества окружающего воздуха. Он нацелен на пять ключевых загрязнителей, указанных в индексе качества воздуха EPA — озон, взвешенные частицы, угарный газ, диоксид серы и оксид азота — предоставляя точные показания для всех, кроме диоксида серы, который остается неотслеживаемым текущим набором датчиков.
Кроме того, датчик городского газа предупреждает об утечках горючих газов, а модуль температуры и влажности учитывает среду, влияющую на производительность датчиков.
Хотя устройство еще не прошло полную калибровку, мы извлекли предварительные данные из даташитов производителей для оценки концентраций загрязнителей. Низкоклассные датчики сильно варьируются в точности, поэтому калибровка против известных концентраций газов необходима для надежных результатов.
Шаг 1: Материалы
Управление и питание
- Arduino Uno
- Блок питания 5 В
- RGB 16×2 LCD shield
Датчики
- Shinyei PPD42 детектор взвешенных частиц
- MQ-2 газоный датчик
- MQ-9 газоный датчик
- MiCS-2714 газоный датчик (NO₂)
- MiCS-2614 газоный датчик (O₃)
- Keyes DHT11 датчик температуры и влажности
Корпус и сборка
- Доступ к 3D-принтеру
- Пайковая плата
- Вентилятор 5 В
- 10–15 × проводов 24 AWG
Шаг 2: Общая схема
Диаграмма выше показывает полную схему для детектора загрязнения. Большинство соединений гибки — если нужно переназначить цифровой или аналоговый пин, просто скорректируйте код. Детальная схема для пайковой платы следует позже.
Шаг 3: Датчик взвешенных частиц
Используем два датчика пыли Shinyei PPD42 для захвата данных о мелких и крупных частицах. Каждый датчик выдает два цифровых сигнала: для частиц <2,5 мкм и для крупных. Датчики получают 5 В питания и подключаются к цифровым входам Arduino. Выход фотодетектора преобразуется в процент низкоуровневой занятости импульсов, коррелирующий с концентрацией частиц.
Комплексный реверс-инжиниринг Трейси Аллена: ShinyeiP.pdf.
Шаг 4: Плата газо датчиков
Диаграмма выше иллюстрирует плату для газо датчиков и температуры/влажности. Физически ваша плата может отличаться, но распиновка и питание те же. Рекомендуем PCB для SMD-компонентов, хотя аккуратная ручная пайка с обратной стороны модуля также возможна.
Шаг 5: Датчики озона и NO₂
Поверхностно-монтажные датчики MiCS-2614 и MiCS-2714 обнаруживают озон и диоксид азота соответственно. Их чувствительный элемент — резистор (~10–20 кОм) между выводами G и K. Отдельный нагревательный элемент (~50–60 Ом) соединяет выводы A и H для поддержания оптимальной рабочей температуры.
При пайке без PCB используйте низкотемпературный припой и будьте крайне осторожны. В схеме мы ставим резистор 82 Ом последовательно с нагревателем MiCS-2614 и 131 Ом (или 120 Ом + 12 Ом последовательно) для MiCS-2714. Чувствительные резисторы образуют делитель напряжения с резистором 22 кОм: Rsen = 22 кОм × (5 В / Vout – 1).
Шаг 6: Токсичные газо датчики MQ
MQ-2 и MQ-9 измеряют пропан, бутан, СУГ и угарный газ. Как и MiCS, они используют SnO₂-базированный газочувствительный резистор и внутренний нагреватель. MQ-9 использует транзистор для регулировки мощности нагревателя, MQ-2 — фиксированный резистор.
Обратитесь к схеме пайковой платы для точных соединений: для MQ-2 соедините вывод A с 5 В, G с землей, S с землей через резистор 47 кОм; для MQ-9 — A к транзистору, B к 5 В, G к земле, S к земле через резистор 10 кОм.
Шаг 7: Датчик температуры и влажности
DHT11 измеряет температуру и влажность, существенно влияющие на показания газо датчиков. Установите датчик так: левый вывод к 5 В, средний к цифровому пину Arduino (по умолчанию порт 2 в нашем коде), правый к земле. Скорректируйте код при другом пине.
Шаг 8: Питание и вентилятор
Вся сборка требует только один источник 5 В, который может быть обычным USB или сетевым адаптером. Вентилятор 5 В обеспечивает достаточный поток воздуха через корпус, предотвращая перегрев датчиков.
Шаг 9: Корпус
Корпус изготовлен на 3D-принтере UP. STL-файл для финальной печати доступен для скачивания.
Шаг 10: Кодирование
Предоставленный Arduino-скетч считывает сырые данные со всех датчиков, выводит значения сопротивления датчиков, проценты низкоуровневой занятости Shinyei и показания температуры/влажности в Serial Monitor, и циклично отображает их на LCD.
Перед компиляцией скачайте нужные библиотеки: библиотека LCD shield и библиотека DHT датчика.
Шаг 11: Интерпретация данных
Мы сейчас уточняем алгоритмы для преобразования сырых выходов датчиков в действенные концентрации загрязнителей. Калибровка против известных референсных источников необходима для точности.
Для взвешенных частиц использовали исследование Дэвида Хольстиуса для корреляции выхода Shinyei PPD42 с измерениями EPA:
PM₂.₅ = 5 + 5 × (low-pulse occupancy %).
Сопротивления газо датчиков интерпретируются по кривым из даташитов. Для MQ единиц, падение сопротивления ниже 50% от базового обычно сигнализирует о наличии целевых газов; падение ниже 10% указывает на концентрации ~1000 ppm, близкие к регуляторным пределам.
Получив приблизительные концентрации, мы ссылаемся на технические документы EPA и рекомендации CDC для контекстуализации рисков для здоровья.
Полный код интерпретации будет выпущен после завершения калибровки.
Источник: Air Pollution Detector
Производственный процесс
- Очистители воздуха: конструкция, история и будущие тенденции
- Кислород: от древнего открытия к современному промышленному гиганту
- Датчики дыма: спасающая жизнь технология, история и современные инновации
- Системы подушек безопасности: дизайн, история и будущие инновации
- Пьезоэлектрические датчики: принцип работы, ключевые спецификации и интеграция с Arduino
- Датчик спирта MQ135: схема, принцип работы и применение
- Инфракрасные (ИК) датчики: как они работают и практические схемы
- Солнечный датчик качества воздуха на Helium: руководство по проектированию и развёртыванию
- Точный датчик температуры подшипников: обнаружение и мониторинг
- Продвинутый углеродный датчик NO₂ улучшает мониторинг качества воздуха в помещениях