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: R_sen = 22 кОм × (5 В / V_out – 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