Monitor de Qualidade do Ar DIY: Detector EPA-Compliant Custo-Efetivo

Este detector compacto oferece solução econômica para avaliar qualidade do ar ambiente. Visa os cinco poluentes-chave do Índice de Qualidade do Ar da EPA — ozônio, material particulado, monóxido de carbono, dióxido de enxofre e óxido nitroso — fornecendo leituras precisas para todos exceto dióxido de enxofre, que permanece não monitorado pelo conjunto atual de sensores.

Além disso, sensor de gás de cidade alerta usuários a vazamentos inflamáveis, enquanto módulo de temperatura e umidade conta para fatores ambientais que influenciam performance dos sensores.

Embora o dispositivo não tenha passado por calibração completa, extraímos dados preliminares de datasheets dos fabricantes para estimar concentrações de poluentes. Sensores de baixo custo variam significativamente em precisão, então calibração contra concentrações de gás conhecidas é essencial para resultados confiáveis.

Passo 1: Materiais

Controle e Alimentação

• Arduino Uno
• Fonte 5 V
• Shield LCD RGB 16×2

Sensores

• Detector de Material Particulado Shinyei PPD42
• Sensor de Gás MQ-2
• Sensor de Gás MQ-9
• Sensor de Gás MiCS-2714 (NO₂)
• Sensor de Gás MiCS-2614 (O₃)
• Sensor de Temperatura e Umidade Keyes DHT11

Caixa e Montagem

• Acesso a impressora 3D
• Placa de solda
• Ventoinha 5 V
• 10–15 × fios 24 AWG

Passo 2: Diagrama Geral do Circuito

O diagrama acima mostra a circuitaria completa necessária para o detector de poluição. A maioria das conexões é flexível — se precisar reatribuir pino digital ou analógico, simplesmente ajuste o código. Um esquema detalhado para a placa de solda segue depois.

Passo 3: Sensor de Material Particulado

Empregamos dois sensores de poeira Shinyei PPD42 para capturar dados de partículas finas e grossas. Cada sensor emite dois sinais digitais: um para partículas <2,5 µm e outro para partículas maiores. Sensores recebem alimentação 5 V e conectam às entradas digitais do Arduino. A saída do fotodetector é convertida em porcentagem de ocupação de pulso baixo que correlaciona diretamente com concentração de particulados.

Análise abrangente de engenharia reversa por Tracy Allen em https://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP.pdf.

Passo 4: Placa de Circuito dos Sensores de Gás

O diagrama acima ilustra a placa que abriga sensores de gás e temperatura/umidade. Sua placa pode diferir fisicamente, mas pinout e relações de potência permanecem iguais. Recomendamos usar PCB para dispositivos surface-mount, embora solda manual cuidadosa no verso do módulo também seja viável.

Passo 5: Sensores de Ozônio e NO₂

Sensores surface-mount MiCS-2614 e MiCS-2714 detectam ozônio e dióxido de nitrogênio, respectivamente. Seu elemento sensor é resistor (≈10–20 kΩ) entre pinos G e K. Elemento de aquecimento separado (≈50–60 Ω) conecta pinos A e H para manter temperatura operacional ideal.

Ao soldar sem PCB, use solda de baixa temperatura e aplique grande cuidado. No esquema, colocamos resistor de 82 Ω em série com aquecedor do MiCS-2614 e resistor de 131 Ω (ou 120 Ω + 12 Ω em série) para aquecedor do MiCS-2714. Resistores sensores formam divisor de tensão com resistor de 22 kΩ: R_sen = 22 kΩ × (5 V / V_out – 1).

Passo 6: Sensores de Gás Tóxico MQ

Unidades MQ-2 e MQ-9 medem propano, butano, GLP e monóxido de carbono. Como sensores MiCS, usam resistor sensível a gás baseado em SnO₂ e aquecedor interno. MQ-9 usa transistor para regular potência do aquecedor, enquanto MQ-2 usa resistor fixo.

Consulte esquema da placa de solda para conexões exatas: para MQ-2, conecte pino A a 5 V, pino G a terra, pino S a terra via resistor 47 kΩ; para MQ-9, conecte pino A ao transistor, pino B a 5 V, pino G a terra, pino S a terra através de resistor 10 kΩ.

Passo 7: Sensor de Temperatura e Umidade

Sensor DHT11 mede temperatura e umidade, fatores que influenciam significativamente leituras de sensores de gás. Monte sensor para que pino esquerdo conecte a 5 V, pino do meio a pino digital do Arduino (porta 2 padrão no nosso código), pino direito a terra. Ajuste código se usar pino diferente.

Passo 8: Alimentação e Ventoinha

Montagem inteira requer apenas fonte única de 5 V, que pode ser adaptador USB ou de parede comum. Ventoinha 5 V garante fluxo de ar adequado pela caixa, prevenindo superaquecimento dos sensores.

Passo 9: Caixa

Fabricamos a caixa usando impressora 3D UP. Arquivo STL usado para impressão final está disponível para download.

Passo 10: Codificação

O sketch Arduino fornecido lê dados brutos de todos sensores, imprime valores de resistência dos sensores, porcentagens de ocupação de pulso baixo Shinyei e leituras de temperatura/umidade no monitor serial, e cicla estes valores na tela LCD.

Antes de compilar, baixe bibliotecas necessárias: biblioteca LCD shield e biblioteca sensor DHT.

Passo 11: Interpretando os Dados

Estamos refinando algoritmos para converter saídas brutas dos sensores em concentrações de poluentes acionáveis. Calibração contra fontes de referência conhecidas será essencial para precisão.

Para material particulado, usamos pesquisa de David Holstius para correlacionar saída Shinyei PPD42 com medições EPA:
PM₂.₅ = 5 + 5 × (ocupação de pulso baixo %).

Resistências de sensores de gás são interpretadas usando curvas de seus datasheets. Para unidades MQ, queda de resistência a <50% da linha de base tipicamente sinaliza presença de gases alvo; queda a <10% indica concentrações próximas a 1.000 ppm, perto de limites regulatórios.

Uma vez derivadas concentrações aproximadas, referenciamos documentos técnicos EPA e diretrizes CDC para contextualizar riscos à saúde.

Código completo de interpretação será lançado quando calibração estiver completa.

Fonte: Air Pollution Detector