Monitor de qualidade do ar DIY - PM2.5, CO2, VOC, Ozônio, Temp &Hum Medidor Arduino

Você já se perguntou sobre a qualidade do ar que está respirando, ou talvez, por que às vezes você se sente sonolento no escritório ou cansado pela manhã, mesmo depois de dormir a noite toda? A má qualidade do ar pode levar a muitos efeitos negativos para a saúde, bem como causar cansaço, dores de cabeça, perda de concentração, aumento da frequência cardíaca e assim por diante. Monitorar a qualidade do ar pode ser mais importante do que você imagina. Então, neste tutorial vamos aprender a construir nosso próprio Monitor de Qualidade do Ar que é capaz de medir PM2,5, CO2, VOC, Ozônio, bem como temperatura e umidade.

Você pode assistir ao vídeo a seguir ou ler o tutorial escrito abaixo.

Visão geral

Vou explicar como cada um dos parâmetros de qualidade do ar nos afeta e como os sensores funcionam. O cérebro deste projeto é uma placa Arduino Pro Mini que, em combinação com uma tela de toque Nextion de 2,8” fornece uma interface de usuário decente.

Podemos ver as medições de todos os sensores em tempo real e, se clicarmos em um determinado sensor, obteremos valores das últimas 24 horas desse sensor. Há também uma função de escurecimento através da qual podemos diminuir o brilho da tela ou até desligá-la completamente. Isso é conveniente, por exemplo, se quisermos rastrear a qualidade do ar em nosso quarto durante a noite.

Podemos desligar a tela durante a noite e no dia seguinte podemos verificar os valores de cada sensor individualmente.

No entanto, agora vou orientá-lo em todo o processo de construção e explicar como tudo funciona. No final deste vídeo, você será capaz de construir um por conta própria. Então vamos começar.

O Sensor PM2.5 – PMS5003

Este dispositivo possui quatro componentes principais ou sensores de qualidade do ar. Estamos usando o sensor PMS5003 para medir PM2,5 ou material particulado no ar com diâmetro de cerca de 2,5 mícrons. As partículas são a forma mais prejudicial de poluição do ar porque podem penetrar profundamente nos pulmões, na corrente sanguínea e no cérebro, causando muitos problemas de saúde.

Este sensor funciona com base no princípio da dispersão do laser. O sensor possui um ventilador que cria um fluxo de ar controlado para que as partículas ambientais passem por um feixe de laser focado.

As partículas causam dispersão de luz que é detectada por um fotodiodo e depois convertida em concentração de PM com a ajuda de seu microprocessador. Achei os resultados deste sensor bastante confiáveis e ao longo do PM2.5 ele também pode gerar valores PM1 e PM10.

O Sensor de CO2 – MH-Z19

Em seguida, estamos usando o sensor MH-Z19 para medir CO2 ou dióxido de carbono. Como as pessoas emitem dióxido de carbono durante a respiração, a concentração interna de CO2 pode facilmente ficar muito alta. O CO2 não é apenas perigoso em altas concentrações, mas também pode causar sonolência, cansaço, diminuir nosso nível de produtividade e assim por diante.

O sensor está usando o princípio infravermelho não dispersivo para medir o CO2 no ar. Uma fonte infravermelha direciona a luz através de um tubo que é preenchido com o ar que estamos medindo. Do outro lado da fonte de infravermelho, há um filtro óptico e um detector de infravermelho que mede a quantidade de luz infravermelha que passa.

As moléculas de gás CO2 que estão presentes no ar que estamos medindo absorvem uma faixa específica de luz infravermelha enquanto deixam passar alguns comprimentos de onda. Assim, o nível de CO2 é calculado de acordo com a diferença entre a quantidade de luz emitida e a quantidade de luz IR recebida pelo detector. Os resultados deste sensor também são bastante precisos.

Os sensores de VOC e ozônio – MP503 e MQ-131

Para medir VOC e Ozônio, estamos usando os sensores de gás MP503 e MQ131. Estes são sensores de óxido metálico aquecidos e seu princípio de trabalho é baseado na detecção de mudanças na resistência na presença de gases alvo.

Uma corrente elétrica específica passa por um substrato metálico e a resistência muda de acordo com a quantidade de gás presente.

O gás alvo do sensor MQ131 é apenas o ozônio, que em uma casa normal pode ser gerado por produtos como certos purificadores de ar, vaporizadores faciais, lâmpadas germicidas que produzem luz ultravioleta e assim por diante.

Por outro lado, o sensor MP503 possui vários gases alvo, incluindo álcool, fumaça, isobutano, metanal e outros. VOC significa Compostos Orgânicos Voláteis e são emissões orgânicas de produtos que usamos diariamente, como detergentes para roupas, produtos de limpeza, purificadores de ar, tintas, maquiagem e assim por diante. Os VOCs podem causar muitos efeitos negativos à saúde, incluindo dores de cabeça, irritação nos olhos, reações na pele, tontura e assim por diante.

Monitor de qualidade do ar Arduino DIY – Diagrama de circuito

No entanto, vamos dar uma olhada no diagrama de circuito agora e explicar como tudo precisa ser conectado.

Você pode obter os componentes necessários para este monitor de qualidade do ar Arduino nos links abaixo:

Sensor PMS5003 PM …………………….
Sensor de CO2 MH-Z19 ……………………..
MQ-131 Sensor de Ozônio …………………..
Sensor COV MP503 ……………………….
DHT22 Temp &Hum Sensor………….
Exibição Nextion 2,8″ ……………………..
DS3231 RTC ………………………………….
Arduino Pro Mini………………..…….…..
Distância/porcas espaçadoras M3 ……………
Mini conector USB ……………………….
Pinar cabeçalhos ………………………………….
Interruptor de 2 posições …………………………
Valores dos capacitores:0,1uF cerâmico e 10uF eletrolítico
Transistores – 2N3904
Alternar

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Valores corretos dos resistores:R1 =1K, R2 =2K, R6=100K ou 1M, R7=1K

O sensor PM2.5 se comunica com o Arduino através de uma interface serial. Funciona em 5V, mas o nível lógico de recepção RX funciona em 3,3v, portanto, precisamos de um divisor de tensão para ele. O sensor de CO2 e o display Nextion também usam comunicação serial. Para a leitura dos sensores de VOC e Ozônio utilizamos entradas analógicas do Arduino, enquanto o sensor de temperatura e umidade DHT22 utiliza um pino digital para essa finalidade.

Os dois transistores são usados para ativar os aquecedores dos sensores. Também estamos usando um módulo Real Time Clock para acompanhar a hora ao armazenar os valores dos sensores, e ele usa a comunicação I2C. Todo o dispositivo é alimentado com 5V através de um conector Mini USB.

Veja também: Os 8 melhores kits iniciais do Arduino [Atualização de 2021]

Agora, se tentarmos conectar tudo junto, teremos uma grande confusão por causa das muitas conexões.

Então, definitivamente precisamos de um PCB para este projeto.

Criando um PCB para o Arduino Air Quality Monitor

Para fazer um PCB para este projeto, vou usar o Altium Designer que na verdade é o patrocinador deste vídeo.

O Altium Designer representa décadas de inovação e desenvolvimento dedicados a criar um ambiente de design verdadeiramente unificado. Alcançando o equilíbrio perfeito entre potência e facilidade de uso, o Altium Designer garantiu sua posição como a solução de design de PCB mais utilizada no mercado.

Agora vou mostrar como desenhei a PCB para este projeto usando o Altium Designer. Comecei fazendo o esquema para o projeto. O Altium Designer possui bibliotecas integradas com componentes eletrônicos básicos, mas melhor ainda, você pode pesquisar componentes diretamente dos fabricantes, o que torna muito conveniente o fornecimento de componentes para o seu projeto.

Como exemplo, encontrei o conector Mini USB usando esse recurso de pesquisa de peças do fabricante. A partir daqui, você também pode acessar facilmente os dados relacionados aos componentes, como modelos 3D, pegadas, dimensões etc.

Você também pode criar suas próprias bibliotecas de componentes. Eu criei a maioria dos componentes para este projeto por conta própria, pois queria criar minhas próprias pegadas 3D para cada peça para que, no final, eu tivesse toda a PCB em 3D. Para criar modelos 3D para os footprints de PCB, você pode usar qualquer software CAD, salvar os arquivos como arquivos .STEP e importá-los no Altium Designer.

Assim que terminei o esquema, gerei o PCB. Organizei os componentes como eu queria, e com apenas um simples clique usando o recurso Auto Route, o software gerou todos os traces automaticamente.

Se necessário, podemos criá-los ou ajustá-los manualmente. Além disso, podemos definir regras de design como o roteamento automático fará os traços, definir larguras diferentes para cada rede e assim por diante. Neste ponto, também vemos o PCB em 3D e exportamos um arquivo 3D de toda a montagem do PCB que será usado para projetar um gabinete para ele mais tarde.

No entanto, gostaria de agradecer à Altium por patrocinar conteúdo educacional como este. Se você gostaria de saber mais sobre este software e também experimentá-lo, você pode conferir os links abaixo. Você também pode experimentar o visualizador Altium 365 baseado na web para visualizações de projetos e arquivos.

Avaliação gratuita do Altium Designer – https://www.altium.com/yt/howtomechatronics
Visualizador do Altium 365:https://www.altium.com/viewer

Aqui estão os arquivos do projeto Altium Designer:

Arquivos do Altium Designer incluindo o arquivo de projeto, bibliotecas e arquivos .STEP dos modelos 3D dos componentes eletrônicos:

Arquivo PCB Gerber:

Ok, assim que terminei o PCB, gerei os arquivos Gerber e NC Drill, coloquei-os em um único arquivo zip, e então estava pronto para encomendar o PCB a ser fabricado.

Eu pedi o PCB de JCLPCB. Aqui podemos simplesmente arrastar e soltar o arquivo zip e, uma vez carregado, obteremos todas as informações visuais sobre nosso PCB.

Então podemos selecionar as propriedades que queremos e encomendar nosso PCB a um preço razoável.

Montagem do PCB

Depois de vários dias, os PCBs chegaram. A qualidade do PCB é ótima e tudo é exatamente igual ao design.

Então, agora estamos prontos para começar a montar o PCB. Comecei inserindo e soldando primeiro os componentes menores, os resistores e os dois transistores.

Então podemos soldar a placa Arduino Pro Mini no lugar. No entanto, primeiro precisamos soldar os cabeçalhos dos pinos nele. Observe que não precisamos de todos os pinos, mas certifique-se de não perder o que precisamos, como o pino A4, A5 e DTR. Certifique-se também de ter exatamente a mesma placa Arduino Pro Mini com esse layout de pinos, porque às vezes eles podem ser diferentes.

Em seguida, podemos inserir o sensor DHT22 no lugar. Para isso, primeiro precisamos dobrar seus pinos em 90 graus. Às vezes também uso adesivo Blu-tack para manter os componentes no lugar ao soldar.

Os dois capacitores usados neste projeto são para estabilizar a fonte de alimentação. A alimentação da placa virá de um conector mini-USB ao qual podemos conectar 5V.

Logo acima do conector da fonte de alimentação, precisamos soldar os dois interruptores. Um é para ligar e desligar o dispositivo, e o outro é usado quando queremos fazer upload de um sketch para a placa Arduino. Em seguida, podemos inserir os pinos da interface USB para UART, o display e o sensor PM2.5, bem como os sensores VOC, Ozônio e CO2 no local.

Em seguida, para soldar novamente o módulo DS3231 Real Time Clock, primeiro precisamos dobrar os pinos em 90 graus. Uma vez soldada, podemos inserir a bateria que mantém o controle do tempo mesmo quando o PCB principal perde energia. Com isso a PCB está realmente pronta, e o que resta a fazer agora é preparar os cabos que usaremos para conectar o sensor PM2.5 e o display à PCB. Soldei conectores de pinos machos ao cabo que vem com o sensor e, assim, consegui conectá-lo facilmente ao PCB. Para conectar o monitor ao PCB, soldei quatro fios na parte de trás do conector do monitor e os conectei ao PCB.

E é isso, nosso Monitor de Qualidade do Ar está realmente pronto. Claro, o que precisamos fazer agora é fazer algum tipo de caixa ou estojo para isso. Como temos o modelo 3D de toda a montagem da PCB do Altium Designer, podemos importá-lo em um software CAD e projetar um case para ele.

Usei o SOLIDWORKS para esse propósito e fiz o caso mais simples possível, consistindo em apenas duas peças e poucos parafusos e porcas. Decidi fazer o case usando acrílico transparente porque gosto de como a PCB e os componentes ficam expostos e também é uma ótima maneira de mostrar seu projeto de bricolage.

Você pode baixar este modelo 3D do DYI Air Quality Monitor, bem como explorá-lo em seu navegador no Thangs.

Baixe o modelo 3D em Thangs.

Apoiando o Monitor de Qualidade do Ar

O acrílico que vou usar é de 4mm que se encaixa perfeitamente com a tela. Como atualmente não tenho uma máquina CNC, cortei as formas manualmente usando uma simples serra de metal.

Para fazer a abertura para exposição, primeiro fiz dois furos com uma furadeira. Então passei por uma lâmina de uma mini serra e cortei cuidadosamente a forma. Usando uma grosa simples, alisei a forma. Em seguida, usando uma furadeira de 3 mm, fiz todos os furos para prender as PCBs e conectar as duas placas de acrílico.

Neste ponto, removi a película protetora do acrílico o que, para ser sincero, é um processo bastante satisfatório. Para prender a placa de circuito impresso na placa de base, usei alguns parafusos e porcas M3. Para fixar o sensor PM2.5 à placa, precisamos de parafusos M2.

Em seguida, usando algumas porcas de distância, podemos unir as duas placas. Usando uma porca de distância fêmea e uma macho, consegui facilmente obter a distância desejada entre as duas placas.

Pessoalmente, gosto muito de como este gabinete ficou, além disso, é funcional, pois o ar pode circular facilmente pelos sensores.

Programação

Tudo bem, agora podemos ligar o dispositivo e fazer o upload do programa. Podemos alimentar o monitor de qualidade do ar através do conector Mini USB e podemos obter os 5 volts de um adaptador USB de 5V, um carregador de telefone de 5V ou um banco de potência.

Para fazer o upload do programa para a placa Arduino Pro Mini, precisamos de uma interface USB para UART serial que pode ser conectada ao cabeçalho de programação. Antes de conectá-lo ao USB do computador, primeiro devemos ligar a alimentação principal do dispositivo, caso contrário, a energia proveniente do USB do computador, que é de apenas 500mA, pode não ser suficiente para funcionar corretamente. Ao fazer o upload do esboço do Arduino, também precisamos alternar a chave de upload na PCB.

Aqui você pode baixar o código Arduino e o programa Nextion Display:

Para fazer o upload de um sketch para uma placa Arduino Pro Mini, primeiro no Arduino IDE precisamos selecionar esta placa, selecionar a versão adequada do processador, selecionar a porta e selecionar o método de programação para “USBasp”.

Depois de fazer o upload do código para o Arduino, também precisamos fazer o upload de um código para o display Nextion. As telas Nextion têm um controlador ARM integrado que, na verdade, controla a tela por conta própria.

Todos os gráficos como botões, texto, imagens, variáveis e assim por diante, são gerados e controlados pelo próprio display. A tela Nextion tem um editor Nextion dedicado, onde podemos criar todos esses itens. O display e a comunicação do Arduino com apenas dois fios usando a comunicação serial. O Arduino simplesmente envia os valores do sensor para o display e vice-versa, o display envia os dados para o Arduino quando necessário.

Para fazer o upload do programa de exibição, precisamos de um cartão microSD onde podemos salvar o arquivo .TFT de saída do editor Nextion.

A tela possui um leitor de cartão onde podemos inserir o cartão microSD enquanto a energia está desligada. Em seguida, podemos ligar o dispositivo e o programa será carregado no monitor. Agora só precisamos remover o cartão, ligar a energia novamente e nosso monitor de qualidade do ar começará a funcionar.

Explicação do código

Então, estamos usando bibliotecas para cada sensor e que podem ser encontradas nos links a seguir, MHZ19, PMS, MQ131, DHT, DS3231. Para entender melhor como lemos os dados de cada sensor recomendo ler as documentações das bibliotecas e experimentar seus exemplos.

Também estamos usando a biblioteca SoftwareSerial porque os sensores MH-Z19 e PMS5003 usam a comunicação serial. O Arduino e o display Nextion também usam a porta serial para comunicação e neste caso estamos usando o padrão, serial de hardware.

Assim, o Arduino lê os sensores e envia esses dados para o display Nextion. Aqui está um exemplo.

Serial.print("tempV.val=");
Serial.print(temp);
Serial.write(0xff);
Serial.write(0xff);
Serial.write(0xff);Code language: Arduino (arduino)

Então temos uma variável no display nextion chamada “tempV” e para atualizar seu valor precisamos enviar um comando para o nextion seguindo “tempV.val=22”. Então o nome da variável, então “.val”, então o valor, digamos 22. As duas primeiras linhas do código fazem isso, e para que a tela Nextion aceite este comando ou realmente qualquer comando, nós precisamos enviar os três únicos comandos “escrever”.

No programa de exibição Nextion, temos um temporizador que é executado em um loop, assim como o loop de código do Arduino, e atualiza constantemente os números no display.

Neste evento timer também temos um código para alterar a cor de fundo de cada sensor dependendo do seu valor.

Na segunda página temos a forma de onda, que obtém os valores dos valores armazenados do Arduino. Observe que você pode encontrar mais informações no próprio código do Arduino, pois há uma explicação nos comentários do código.

As horas e os valores do eixo Y também obtêm seus valores do Arduino.

Em cima da forma de onda, assim como os números na tela principal, você pode notar que temos como objetos transparentes, chamados de “Hotstops” no editor Nextion, e que funcionam como botões. Se pressionarmos o hotstop na forma de onda, podemos ver na seção Evento que ela nos envia de volta à “página 0”.

No geral, é assim que funciona o programa deste monitor de qualidade do ar Arduino. É claro que, para entender completamente como ele funciona, você precisa aprender e saber como cada sensor funciona com suas bibliotecas, bem como o funcionamento da tela Nextion.

Observe que, para o sensor VOC, estamos lendo apenas dados brutos desse sensor, não valores de ppm ou ppb. Apenas valores analógicos de 0 a 1024. Valores mais altos significam que há presença de VOC.

Quanto ao sensor de ozônio, para obter saídas mais precisas, devemos definir os valores setTimeToRead() e setR0() corretamente de acordo com o exemplo de calibração da biblioteca. No entanto, um setTimeToRead mais longo significa que o programa será bloqueado durante a amostragem e todo o resto será congelado. Claro, existem maneiras de contornar isso. Eu até sugeriria não usar o sensor de ozônio, a menos que você realmente precise.

Espero que tenham gostado deste vídeo e aprendido algo novo. Se você gostou, considere me apoiar no Patreon. Sinta-se à vontade para fazer qualquer pergunta na seção de comentários abaixo e confira minha Coleção de projetos do Arduino.

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