Monitor DIY de calidad del aire: detector EPA-compliant económico

Este detector compacto ofrece una solución asequible para evaluar calidad del aire ambiente. Apunta a los cinco contaminantes clave del Índice de Calidad del Aire de la EPA —ozono, materia particulada, monóxido de carbono, dióxido de azufre y óxido nitroso— proporcionando lecturas precisas para todos excepto dióxido de azufre, que no monitoriza el conjunto actual de sensores.

Además, un sensor de gas de ciudad alerta sobre fugas inflamables, mientras un módulo de temperatura y humedad cuenta factores ambientales que influyen en el rendimiento de los sensores.

Aunque el dispositivo no ha pasado calibración completa, hemos extraído datos preliminares de hojas de datos de fabricantes para estimar concentraciones. Los sensores de bajo coste varían significativamente en precisión, por lo que calibrar contra concentraciones de gas conocidas es esencial para resultados fiables.

Paso 1: Materiales

Control y Alimentación

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

Sensores

• Detector Materia Particulada Shinyei PPD42
• Sensor Gas MQ-2
• Sensor Gas MQ-9
• Sensor Gas MiCS-2714 (NO₂)
• Sensor Gas MiCS-2614 (O₃)
• Sensor Temperatura y Humedad Keyes DHT11

Caja y Montaje

• Acceso a impresora 3D
• Placa de soldar
• Ventilador 5 V
• 10–15 × cables 24 AWG

Paso 2: Diagrama general del circuito

El diagrama superior muestra el circuito completo requerido para el detector de contaminación. La mayoría de conexiones son flexibles —si necesitas reasignar un pin digital o analógico, simplemente ajusta el código adjunto. Un esquema detallado para la placa de soldar sigue después.

Paso 3: Sensor Materia Particulada

Empleamos dos sensores Shinyei PPD42 para capturar datos de partículas finas y gruesas. Cada sensor emite dos señales digitales: una para partículas <2,5 µm y otra para mayores. Los sensores reciben alimentación 5 V y conectan a entradas digitales del Arduino. La salida del fotodetector se convierte en porcentaje de ocupación de pulso bajo que correlaciona directamente con concentración de particulados.

Un análisis exhaustivo de ingeniería inversa por Tracy Allen está en https://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP.pdf.

Paso 4: Placa circuito sensores gas

El diagrama superior ilustra la placa que aloja sensores de gas y temperatura/humedad. Aunque tu placa difiera físicamente, el pinout y relaciones de potencia son iguales. Recomendamos PCB para dispositivos de montaje superficial, aunque soldadura manual cuidadosa en el reverso del módulo también es viable.

Paso 5: Sensores Ozono y NO₂

Los sensores MiCS-2614 y MiCS-2714 de montaje superficial detectan ozono y dióxido de nitrógeno respectivamente. Su elemento sensor es una resistencia (≈10–20 kΩ) entre pines G y K. Un elemento calefactor separado (≈50–60 Ω) conecta pines A y H para mantener temperatura óptima de operación.

Al soldar sin PCB, usa soldadura baja temperatura y extrema cuidado. En el esquema, ponemos resistencia de 82 Ω en serie con calefactor MiCS-2614 y 131 Ω (o 120 Ω + 12 Ω en serie) para calefactor MiCS-2714. Las resistencias sensor forman divisor de voltaje con resistencia de 22 kΩ: R_sen = 22 kΩ × (5 V / V_out – 1).

Paso 6: Sensores gas tóxicos MQ

Las unidades MQ-2 y MQ-9 miden propano, butano, GLP y monóxido de carbono. Como los sensores MiCS, usan resistor sensible a gas basado en SnO₂ y calefactor interno. El MQ-9 emplea transistor para regular potencia del calefactor, mientras MQ-2 usa resistencia fija.

Consulta el esquema de placa de soldar para conexiones exactas: para MQ-2, conecta pin A a 5 V, pin G a tierra, y pin S a tierra vía resistencia 47 kΩ; para MQ-9, conecta pin A al transistor, pin B a 5 V, pin G a tierra, y pin S a tierra a través de resistencia 10 kΩ.

Paso 7: Sensor Temperatura y Humedad

El sensor DHT11 mide temperatura y humedad, factores que influyen significativamente en lecturas de sensores de gas. Monta el sensor para que el pin izquierdo conecte a 5 V, el central a pin digital Arduino (puerto 2 por defecto en nuestro código), y el derecho a tierra. Ajusta el código si usas otro pin.

Paso 8: Alimentación y Ventilador

El conjunto completo requiere solo una fuente 5 V, suministrable por adaptador USB o de pared común. Un ventilador 5 V asegura flujo de aire adecuado por la carcasa, evitando sobrecalentamiento de sensores.

Paso 9: Carcasa

Fabricamos la carcasa con impresora 3D UP. El archivo STL usado para la impresión final está disponible para descarga.

Paso 10: Programación

El sketch Arduino adjunto lee datos crudos de todos los sensores, emite valores de resistencia de sensores, porcentajes de ocupación de pulso bajo Shinyei, y lecturas de temperatura/humedad al monitor serie, y cicla estos valores en pantalla LCD.

Antes de compilar, descarga librerías requeridas: librería shield LCD y librería sensor DHT de Adafruit.

Paso 11: Interpretar los datos

Estamos refinando algoritmos para convertir salidas crudas de sensores en concentraciones de contaminantes accionables. Calibración contra fuentes de referencia conocidas será esencial para precisión.

Para materia particulada, usamos investigación de David Holstius para correlacionar salida Shinyei PPD42 con mediciones EPA:
PM₂.₅ = 5 + 5 × (% ocupación pulso bajo).

Resistencias de sensores gas se interpretan usando curvas de sus hojas de datos. Para unidades MQ, caída de resistencia a <50 % de baseline típicamente indica presencia de gases objetivo; caída a <10 % indica concentraciones cercanas a 1 000 ppm, cerca de límites regulatorios.

Una vez derivamos concentraciones aproximadas, referenciamos documentos técnicos EPA y guías CDC para contextualizar riesgos de salud.

Código completo de interpretación se liberará cuando calibración termine.

Fuente: Air Pollution Detector