Detector de poluição do ar

Este dispositivo tem como objetivo fornecer ao usuário um meio econômico de determinar a qualidade do ar. Nosso sensor se concentra nos cinco componentes do Índice de Qualidade do Ar da Agência de Proteção Ambiental:ozônio, material particulado, monóxido de carbono, dióxido de enxofre e óxido nitroso. Este dispositivo detecta todos esses poluentes, exceto o dióxido de enxofre. O dispositivo também inclui um sensor de gás da cidade para alertar o usuário sobre vazamentos de gás ou a presença de gases inflamáveis. Além disso, um sensor de temperatura e umidade está incluído, pois essas condições podem afetar o desempenho dos sensores de gás.

Ainda não calibramos totalmente nosso dispositivo, mas extraímos dados das planilhas de dados do sensor para fazer algumas estimativas preliminares. Os sensores usados ​​são relativamente baratos e variam muito de componente para componente, portanto, precisam ser calibrados com concentrações conhecidas dos gases-alvo. Ainda não tivemos oportunidade de o fazer.

Etapa 1:Materiais

Controle e potência

• Arduino Uno
• Fonte de alimentação 5V
• Blindagem LCD RGB 16 × 2

Sensores

• Detector de matéria particulada Shinyei PPD42
• Sensor de gás MQ-2
• Sensor de gás MQ-9
• Sensor de gás MiCS-2714 (NO2)
• Sensor de gás MiSC-2614 (ozônio)
• Sensor de temperatura e umidade Keyes DHT11

Caixa e Montagem

• Acesso à impressora 3D
• Placa de solda
• Ventilador 5V
• 10 a 15 fios de bitola 24

Etapa 2:Diagrama geral do circuito

O diagrama do circuito acima é a totalidade deste detector de poluição funciona. Um diagrama de circuito detalhado para a placa de solda segue mais tarde. Observe que você pode alterar a maioria das portas digitais e analógicas nas quais os sensores entram, caso seja necessário (por qualquer motivo); isso exigirá apenas que você edite o código que fornecemos para contabilizar essas mudanças.

Etapa 3:sensor de matéria particulada

Usamos dois Sensores de Poeira Shinyei PPD42 para coletar dados sobre partículas.



Cada Detector Shinyei tem duas saídas de sinal:uma para partículas pequenas (fio amarelo à esquerda na imagem acima) e uma para partículas maiores. Esses sinais de saída são conectados às entradas digitais do Ardiuno. O detector precisa ser alimentado com + 5 V e aterramento para as portas do detector. Consulte o diagrama geral do circuito para obter detalhes.

Cada detector usa um LED infravermelho e um fotodetector para medir a dispersão de pequenas partículas transportadas pelo ar. Os circuitos internos transformam a saída do fotodetector em sinais de saída digital. Geralmente o sensor emite um sinal de + 5V, quando detecta partículas emite um pulso de baixa voltagem. A fração de tempo em que o sinal de saída fica baixo ou a “porcentagem de ocupação de pulso baixo” é proporcional à concentração de partículas no ar.

Uma análise detalhada de engenharia reversa do Shinyei PPD42 por Tracy Allen pode ser encontrada em http://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP…

Etapa 4:Placa de circuito do sensor de gás

Acima está o diagrama do circuito da placa de circuito que hospeda os sensores de gás e o sensor de temperatura / umidade. Os detalhes sobre a montagem de cada um dos dispositivos separados estão nas etapas a seguir. Observe que sua placa de circuito pode ser diferente da nossa fisicamente. Na verdade, recomendamos que você imprima uma placa de circuito para os dispositivos de montagem em superfície em vez de usar uma placa de solda. Deve funcionar tão bem, desde que você siga o diagrama de circuito.

Etapa 5:sensores de ozônio e NO2

Usamos sensores de montagem em superfície MiCS-2614 e MiCS-2714 para detectar ozônio e dióxido de nitrogênio, respectivamente.



Ambos os dispositivos usam um resistor interno como elemento de detecção. O resistor de detecção está conectado entre os pinos (G) e (K ) no diagrama acima. Use um ohmímetro para verificar se você encontrou os pinos corretos. A resistência deve ser da ordem de 10-20 kΩ.

Ambos os dispositivos também têm um elemento de aquecimento entre os pinos (A) e (H). Este elemento de aquecimento mantém o elemento sensor na temperatura apropriada. A resistência do elemento de aquecimento é de 50-60Ω.

O ideal é que esses dispositivos sejam montados na superfície de uma placa de circuito. No entanto, na ausência de uma impressora de placa de circuito, ainda é possível soldar cuidadosamente na parte de trás desses dispositivos usando solda de temperatura muito baixa e muito cuidado.

Conforme mostrado no diagrama de circuito da placa de solda, colocamos o resistor de 82Ω e o resistor de 131Ω em série com os elementos de aquecimento das unidades MiCS-2614 e MiCS-2714, respectivamente. Isso garante que os elementos de aquecimento recebam o nível adequado de energia. Se você não tiver acesso a um resistor de 131Ω (não é um valor padrão), use um resistor de 120Ω e um resistor de 12Ω em série.

Colocamos os resistores sensores em ambos os dispositivos em série com resistores de 22kΩ para criar um divisor de tensão. A partir da tensão na saída do divisor de tensão, podemos calcular a resistência de detecção.

Rsenor =22kΩ * (5V / Vout - 1)

Poluição do Ar De

Etapa 6:Sensores de gás tóxico MQ

Usamos sensores de gás MQ-2 e MQ-9 para medir gases tóxicos, incluindo propano, butano, GLP e monóxido de carbono.



O MQ-2 e o MQ-9 são muito semelhantes aos detectores MiCS. Eles usam um resistor sensível a gás (SnO2) para detectar concentrações de gases tóxicos e têm um elemento de aquecimento interno para manter o sensor na temperatura certa. Os circuitos que usamos para esses dispositivos são praticamente os mesmos que os circuitos para os sensores MiCS, exceto que usamos um transistor em vez de um resistor para regular a potência do aquecedor no MQ-9.

Consulte o diagrama de circuito da placa de solda para detalhes de montagem. Para o sensor MQ-2, conecte os pinos marcados com A à alimentação de 5 V, conecte o pino marcado com G ao aterramento e conecte o pino marcado com S conectado ao aterramento em série com um resistor de 47 kΩ. Para o sensor de gás MQ-9, conecte o pino marcado A ao transistor, o pino marcado B à alimentação de 5 V, o pino marcado G ao aterramento e o pino marcado S ao aterramento em série com um resistor de 10 kΩ.

Etapa 7:Sensores de temperatura e umidade

Este sensor é fornecido porque a temperatura e a umidade desempenham um papel nas concentrações de gás que nossos sensores detectam. Alta umidade e temperatura, bem como mudanças dramáticas em qualquer um deles, teriam efeitos prejudiciais na precisão das leituras. Portanto, é útil ser capaz de monitorar essas variáveis. A temperatura e a umidade podem ser lidas a partir deste único sensor. Orientado como está na foto acima, o pino esquerdo deve ser conectado à alimentação, o pino do meio é o sinal de saída e o pino direito é aterrado. O sinal de saída para este componente vai para uma porta digital no Arduino. Nosso código é configurado de forma a esperar o sinal de temperatura na porta digital 2. Isso pode ser alterado para outra porta digital se necessário; simplesmente altere o código de acordo com a porta que você escolheu. Consulte o diagrama da placa de solda para usar este componente.

Etapa 8:Potência e ventilação

Se você olhar o diagrama de circuito de todo o projeto, verá que precisamos apenas de uma tensão de entrada de 5 V. Um adaptador comum como o mostrado acima pode ser usado para alimentar o projeto. Além disso, você precisará de um ventilador para garantir o fluxo de ar pela caixa e evitar o superaquecimento. Usamos a ventoinha acima, mas qualquer ventoinha que use 5 V e seja do tamanho apropriado pode ser usada.

Etapa 9:contêiner

Embora existam muitas maneiras de fazer uma caixa eficaz, optamos por usar uma impressora UP 3D para a nossa caixa. Anexamos o STL que usamos para a impressão final.

Etapa 10:Codificação

O código para extrair dados brutos do dispositivo está anexado acima. Este código imprimirá os valores de resistência do sensor, porcentagens de ocupação de pulso baixo Shinyei PPD42 e leituras de temperatura e umidade no computador por meio do monitor serial. Ele também percorrerá os dados brutos na tela LCD.

Para fazer o código funcionar, primeiro você precisa baixar as bibliotecas do escudo do LCD e dos sensores de temperatura e umidade. Você encontrará as bibliotecas nos seguintes sites

Código do escudo LCD:https://learn.adafruit.com/rgb-lcd-shield/using-th…

Código do sensor de temperatura e umidade:https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library

Etapa 11:Interpretando os dados

Estamos em processo de determinação de como transformar os valores brutos do sensor em resultados significativos. A calibração contra fontes de poluição conhecidas será eventualmente necessária para garantir a precisão. Nesse ínterim, usamos as planilhas de dados do sensor e pesquisas anteriores para fazer aproximações.

Para estimar as concentrações de partículas, usamos informações de um artigo de pesquisa de David Holstius. O artigo correlaciona as saídas do sensor de poeira Shinyei PPD42 com as medições da EPA. Os gráficos no apêndice mostram as linhas de melhor ajuste para os dados. Usamos os gráficos para aproximar a concentração de PM2,5 em microgramas por metro cúbico como:

PM2,5 =5 + 5 * (pequena porcentagem de ocupação de pulso baixo de PM)

Para estimar as concentrações de gás dos sensores de gás MiCS, usamos os gráficos nas planilhas de dados (NO2 e O3) para extrair funções que relacionam a resistência do sensor à concentração de gás.

Para sensores MQ, usamos os gráficos nas planilhas de dados do dispositivo para avaliar qualitativamente os dados. Quando o valor da resistência cai para menos da metade da resistência no ar, é provável que o dispositivo esteja detectando os gases-alvo. Quando a resistência cai por um fator de 10, os níveis de gás alvo estão provavelmente em torno de 1000 ppm, perto do limite de segurança legal.

Depois de obter as concentrações aproximadas dos gases-alvo, seguimos os padrões do governo dos Estados Unidos para interpretar os dados. Usamos principalmente o Documento de Assistência Técnica da EPA para Relatórios da Qualidade do Ar Diário e uma folha de informações do CDC sobre os perigos do propano.

Infelizmente, nosso código que interpreta os dados brutos ainda não está totalmente funcional. Esperamos poder carregá-lo em uma data posterior.

Fonte:Detector de Poluição do Ar