Detector de contaminación del aire

Este dispositivo está destinado a proporcionar al usuario un medio rentable para determinar la calidad del aire. Nuestro sensor se enfoca en los cinco componentes del Índice de Calidad del Aire de la Agencia de Protección Ambiental:ozono, material particulado, monóxido de carbono, dióxido de azufre y óxido nitroso. Este dispositivo detecta todos estos contaminantes excepto el dióxido de azufre. El dispositivo también incluye un sensor de gas ciudad para alertar al usuario sobre fugas de gas o la presencia de gases inflamables. Además, se incluye un sensor de temperatura y humedad, ya que estas condiciones pueden afectar el rendimiento de los sensores de gas.

Aún tenemos que calibrar completamente nuestro dispositivo, pero hemos extraído datos de las hojas de datos de los sensores para hacer algunas estimaciones preliminares. Los sensores utilizados son relativamente económicos y varían mucho de un componente a otro, por lo que deben calibrarse con concentraciones conocidas de los gases objetivo. Todavía no hemos tenido la oportunidad de hacerlo.

Paso 1:Materiales

Control y potencia

• Arduino Uno
• Fuente de alimentación de 5 V
• Pantalla LCD RGB 16 × 2

Sensores

• Detector de partículas en suspensión Shinyei PPD42
• Sensor de gas MQ-2
• Sensor de gas MQ-9
• Sensor de gas MiCS-2714 (NO2)
• Sensor de gas MiSC-2614 (ozono)
• Sensor de temperatura y humedad Keyes DHT11

Caja y montaje

• Acceso a la impresora 3D
• Tablero de soldadura
• Ventilador de 5 V
• 10 a 15 cables de calibre 24

Paso 2:Diagrama general del circuito

El diagrama de circuito anterior es la totalidad de las funciones de este detector de contaminación. A continuación se muestra un diagrama de circuito detallado para la placa de soldadura. Tenga en cuenta que puede cambiar la mayoría de los puertos digitales y puertos analógicos a los que ingresan los sensores si lo necesita (por cualquier motivo); esto solo requerirá que edite el código que le proporcionamos para tener en cuenta estos cambios.

Paso 3:Sensor de partículas en suspensión

Usamos dos sensores de polvo Shinyei PPD42 para recopilar datos sobre partículas.

Cada detector Shinyei tiene dos salidas de señal:una para partículas pequeñas (cable amarillo izquierdo en la imagen de arriba) y otra para partículas más grandes. Estas señales de salida están conectadas a las entradas digitales del Ardiuno. El detector debe alimentarse suministrando + 5V y tierra a los puertos del detector. Consulte el diagrama de circuito general para obtener más detalles.

Cada detector utiliza un LED infrarrojo y un fotodetector para medir la dispersión de pequeñas partículas en el aire. Los circuitos internos convierten la salida del fotodetector en señales de salida digitales. Generalmente, el sensor emite una señal de + 5V, cuando detecta partículas, envía un pulso de bajo voltaje. La fracción del tiempo que la señal de salida es baja o el "porcentaje de ocupación de pulso bajo" es proporcional a la concentración de partículas en el aire.

Se puede encontrar un análisis detallado de ingeniería inversa del Shinyei PPD42 por Tracy Allen en http://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP…

Paso 4:placa de circuito del sensor de gas

Arriba está el diagrama de circuito de la placa de circuito que aloja los sensores de gas y el sensor de temperatura / humedad. Los detalles sobre el montaje de cada uno de los dispositivos separados se encuentran en los siguientes pasos. Tenga en cuenta que su placa de circuito puede verse diferente a la nuestra físicamente. De hecho, le recomendamos que imprima una placa de circuito para los dispositivos de montaje en superficie en lugar de utilizar una placa de soldadura. Debería funcionar igual de bien siempre que siga el diagrama del circuito.

Paso 5:Sensores de ozono y NO2

Usamos sensores de montaje en superficie MiCS-2614 y MiCS-2714 para detectar ozono y dióxido de nitrógeno respectivamente.

Ambos dispositivos utilizan una resistencia interna como elemento sensor. La resistencia de detección está conectada entre los pines (G) y (K ) en el diagrama de arriba. Utilice un ohmímetro para comprobar que ha encontrado los pines correctos. La resistencia debe ser del orden de 10-20 kΩ.

Ambos dispositivos también tienen un elemento calefactor entre los pines (A) y (H). Este elemento calefactor mantiene el elemento sensor a la temperatura adecuada. La resistencia del elemento calefactor es 50-60Ω.

Idealmente, estos dispositivos deberían montarse en la superficie sobre una placa de circuito. Sin embargo, en ausencia de una impresora de placa de circuito, todavía es posible soldar con cuidado la parte posterior de estos dispositivos utilizando soldadura a muy baja temperatura y mucho cuidado.

Como se muestra en el diagrama del circuito de la placa de soldadura, colocamos la resistencia de 82 Ω y la resistencia de 131 Ω en serie con los elementos calefactores de las unidades MiCS-2614 y MiCS-2714 respectivamente. Esto asegura que los elementos calefactores reciban el nivel adecuado de potencia. Si no tiene acceso a una resistencia de 131 Ω (no es un valor estándar), use una resistencia de 120 Ω y una resistencia de 12 Ω en serie.

Colocamos las resistencias de detección en ambos dispositivos en serie con resistencias de 22 kΩ para crear un divisor de voltaje. A partir del voltaje en la salida del divisor de voltaje, podemos calcular la resistencia de detección.

Rsenor =22kΩ * (5V / Vout - 1)

Contaminación del aire

Paso 6:Sensores de gases tóxicos MQ

Usamos sensores de gas MQ-2 y MQ-9 para medir gases tóxicos, incluidos propano, butano, GLP y monóxido de carbono.

Los detectores MQ-2 y MQ-9 son muy similares a los detectores MiCS. Utilizan una resistencia sensible al gas (SnO2) para detectar concentraciones de gases tóxicos y tienen un elemento de calentamiento interno para mantener el sensor a la temperatura adecuada. Los circuitos que usamos para estos dispositivos son prácticamente los mismos que los circuitos para los sensores MiCS, excepto que usamos un transistor en lugar de una resistencia para regular la potencia del calentador en el MQ-9.

Consulte el diagrama del circuito de la placa de soldadura para obtener detalles de montaje. Para el sensor MQ-2, conecte las clavijas marcadas A a la alimentación de 5 V, conecte la clavija marcada G a tierra y conecte la clavija marcada S está conectada a tierra en serie con una resistencia de 47 kΩ. Para el sensor de gas MQ-9, conecte el pin marcado A al transistor, el pin marcado B a la potencia de 5 V, el pin marcado G a tierra y el pin marcado S a tierra en serie con una resistencia de 10 kΩ.

Paso 7:Sensores de temperatura y humedad

Este sensor se proporciona porque la temperatura y la humedad juegan un papel en las concentraciones de gas que detectan nuestros sensores. La humedad y la temperatura altas, así como los cambios drásticos en cualquiera de ellas, tendrían efectos perjudiciales en la precisión de las lecturas. Por lo tanto, es útil poder monitorear estas variables. Tanto la temperatura como la humedad se pueden leer desde este único sensor. Orientado como está en la foto de arriba, el pin izquierdo debe conectarse a la alimentación, el pin del medio es la señal de salida y el pin derecho está conectado a tierra. La señal de salida de este componente va a un puerto digital en el Arduino. Nuestro código está configurado para esperar la señal de temperatura en el puerto digital 2. Esto se puede cambiar a otro puerto digital si lo necesita; simplemente modifique el código de acuerdo con el puerto que haya elegido. Consulte el diagrama de la placa de soldadura para utilizar este componente.

Paso 8:Encendido y ventilador

Si observa el diagrama del circuito de todo el proyecto, verá que solo necesitamos un voltaje de entrada de 5 V. Se puede usar un adaptador común como el que se muestra arriba para alimentar el proyecto. Además, necesitará un ventilador para garantizar el flujo de aire a través de la caja y evitar el sobrecalentamiento. Usamos el ventilador anterior, pero se puede usar cualquier ventilador que use 5 V y sea del tamaño apropiado.

Paso 9:contenedor

Si bien hay muchas formas de hacer una caja eficaz, optamos por utilizar una impresora UP 3D para nuestra caja. Hemos adjuntado el STL que usamos para la impresión final.

Paso 10:codificación

El código para extraer datos sin procesar del dispositivo se adjunta arriba. Este código imprimirá los valores de resistencia del sensor, los porcentajes de ocupación de pulso bajo Shinyei PPD42 y las lecturas de temperatura y humedad en la computadora a través del monitor en serie. También recorrerá los datos sin procesar en la pantalla LCD.

Para que el código funcione, primero deberá descargar las bibliotecas para el protector LCD y los sensores de temperatura y humedad. Encontrará las bibliotecas en los siguientes sitios web

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

Código del sensor de temperatura y humedad:https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library

Paso 11:Interpretación de los datos

Estamos en el proceso de determinar cómo transformar los valores brutos de los sensores en resultados significativos. Eventualmente será necesario realizar una calibración contra fuentes de contaminación conocidas para garantizar la precisión. Mientras tanto, hemos utilizado hojas de datos de sensores e investigaciones previas para hacer aproximaciones.

Para estimar las concentraciones de materia particulada utilizamos información de un artículo de investigación de David Holstius. El documento correlaciona las salidas del sensor de polvo Shinyei PPD42 con las mediciones de la EPA. Los gráficos del apéndice muestran las líneas que mejor se ajustan a los datos. Usamos los gráficos para aproximar la concentración de PM2.5 en microgramos por metro cúbico como:

PM2.5 =5 + 5 * (porcentaje de ocupación de pulso bajo de PM pequeño)

Para estimar las concentraciones de gas de los sensores de gas MiCS, usamos los gráficos en las hojas de datos (NO2 y O3) para extraer funciones que relacionan la resistencia del sensor con la concentración de gas.

Para los sensores MQ, utilizamos los gráficos en las hojas de datos del dispositivo para evaluar cualitativamente los datos. Cuando el valor de la resistencia cae a menos de la mitad de la resistencia en el aire, es probable que el dispositivo esté detectando los gases objetivo. Cuando la resistencia se reduce en un factor de 10, los niveles de gas objetivo son probablemente de alrededor de 1000 ppm, cerca del límite de seguridad legal.

Una vez que obtenemos concentraciones aproximadas de los gases objetivo, nos remitimos a los estándares del gobierno de EE. UU. Para interpretar los datos. Utilizamos principalmente el Documento de asistencia técnica de la EPA para informar sobre la calidad diaria del aire y una hoja de información de los CDC sobre los peligros del propano.

Desafortunadamente, nuestro código que interpreta los datos sin procesar aún no es completamente funcional. Esperamos poder cargarlo en una fecha posterior.

Fuente:Detector de contaminación del aire