Luchtverontreinigingsdetector

Dit apparaat is bedoeld om de gebruiker een kostenefficiënte manier te bieden om de luchtkwaliteit te bepalen. Onze sensor richt zich op de vijf componenten van de luchtkwaliteitsindex van de Environmental Protection Agency:ozon, fijnstof, koolmonoxide, zwaveldioxide en lachgas. Dit apparaat detecteert al deze verontreinigende stoffen behalve zwaveldioxide. Het apparaat bevat ook een stadsgassensor om de gebruiker te waarschuwen voor gaslekken of de aanwezigheid van ontvlambare gassen. Bovendien wordt een temperatuur- en vochtigheidssensor meegeleverd, omdat deze omstandigheden de prestaties van de gassensoren kunnen beïnvloeden.

We moeten ons apparaat nog volledig kalibreren, maar we hebben gegevens uit sensorgegevensbladen gehaald om enkele voorlopige schattingen te maken. De gebruikte sensoren zijn relatief goedkoop en variëren sterk van component tot component, dus ze moeten worden gekalibreerd met bekende concentraties van de doelgassen. We hebben nog niet de kans gehad om dit te doen.

Stap 1:Materialen

Controle en kracht

• Arduino Uno
• 5V voeding
• RGB 16×2 LCD-scherm

Sensoren

• Shinyei PPD42 deeltjesdetector
• MQ-2 gassensor
• MQ-9 gassensor
• MiCS-2714 Gassensor (NO2)
• MiSC-2614 Gassensor (Ozon)
• Keyes DHT11 temperatuur- en vochtigheidssensor

Doos en montage

• Toegang tot 3D-printer
• Soldeerbord
• 5V-ventilator
• 10 tot 15 draden met een dikte van 24

Stap 2:Algemeen schakelschema

In het bovenstaande schakelschema is het geheel van deze vervuilingsdetector te zien. Een gedetailleerd schakelschema voor het soldeerbord volgt later. Houd er rekening mee dat u de meeste digitale poorten en analoge poorten die sensoren invoeren kunt wijzigen als dat nodig is (om welke reden dan ook); hiervoor hoeft u alleen de code aan te passen die we hebben verstrekt om rekening te houden met deze wijzigingen.

Stap 3:Fijnstofsensor

We gebruiken twee Shinyei PPD42-stofsensoren om gegevens over fijnstof te verzamelen.

Elke Shinyei Detector heeft twee signaaluitgangen:een voor kleine fijnstof (linker gele draad in de afbeelding hierboven) en een voor grotere fijnstof. Deze uitgangssignalen worden aangesloten op de digitale ingangen van de Ardiuno. De detector moet worden gevoed door +5V te leveren en te aarden naar de poorten op de detector. Zie het algemene schakelschema voor details.

Elke detector gebruikt een infrarood-LED en een fotodetector om de verstrooiing van kleine deeltjes in de lucht te meten. Interne circuits zetten de output van de fotodetector om in digitale outputsignalen. Over het algemeen geeft de sensor een +5V-signaal af, wanneer hij deeltjes detecteert, zendt hij een laagspanningspuls uit. De fractie van de tijd dat het uitgangssignaal laag is of het “lage pulsbezettingspercentage” is evenredig met de concentratie fijnstof in de lucht.

Een gedetailleerde reverse engineering-analyse van de Shinyei PPD42 door Tracy Allen is te vinden op http://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP…

Stap 4:Gassensorprintplaat

Hierboven ziet u het schakelschema voor de printplaat waarop de gassensoren en de temperatuur- / vochtigheidssensor zijn ondergebracht. Details over het monteren van elk van de afzonderlijke apparaten vindt u in de volgende stappen. Houd er rekening mee dat uw printplaat er fysiek anders uit kan zien dan de onze. We raden u zelfs aan om een ​​printplaat voor de opbouwapparaten te printen in plaats van een soldeerbord te gebruiken. Het zou net zo goed moeten werken als je het schakelschema volgt.

Stap 5:Ozon- en NO2-sensoren

We gebruiken op het oppervlak gemonteerde sensoren MiCS-2614 en MiCS-2714 om respectievelijk ozon en stikstofdioxide te detecteren.

Beide apparaten gebruiken een interne weerstand als detectie-element. De detectieweerstand is aangesloten tussen de pinnen (G) en (K ) in het schema hierboven. Gebruik een ohmmeter om te controleren of u de juiste pinnen hebt gevonden. De weerstand moet in de orde van 10-20 kΩ zijn.

Beide apparaten hebben ook een verwarmingselement tussen pinnen (A) en (H). Dit verwarmingselement houdt het sensorelement op de juiste temperatuur. De weerstand van het verwarmingselement is 50-60Ω.

Idealiter zouden deze apparaten op een printplaat moeten worden gemonteerd. Bij afwezigheid van een printplaatprinter is het echter nog steeds mogelijk om voorzichtig aan de achterkant van deze apparaten te solderen met soldeer op zeer lage temperatuur en met veel zorg.

Zoals te zien is in het schakelschema van het soldeerbord, plaatsen we de 82Ω weerstand en de 131Ω weerstand in serie met de verwarmingselementen van respectievelijk de MiCS-2614 en MiCS-2714. Dit zorgt ervoor dat de verwarmingselementen het juiste vermogen krijgen. Als je geen toegang hebt tot een weerstand van 131Ω (dit is geen standaardwaarde), gebruik dan een weerstand van 120Ω en een weerstand van 12Ω in serie.

We plaatsen de detectieweerstanden in beide apparaten in serie met 22kΩ-weerstanden om een ​​spanningsdeler te creëren. Uit de spanning aan de uitgang van de spanningsdeler kunnen we de detectieweerstand berekenen.

Rsenor =22kΩ * (5V / Vout – 1)

Luchtvervuiling De

Stap 6:MQ toxische gassensoren

We gebruikten MQ-2- en MQ-9-gassensoren om giftige gassen te meten, waaronder propaan, butaan, LPG en koolmonoxide.

De MQ-2 en MQ-9 lijken erg op de MiCS-detectoren. Ze gebruiken een gasgevoelige weerstand (SnO2) om concentraties van giftige gassen te detecteren en hebben een intern verwarmingselement om de sensor op de juiste temperatuur te houden. De circuits die we voor deze apparaten gebruiken, zijn praktisch hetzelfde als de circuits voor de MiCS-sensoren, behalve dat we een transistor gebruiken in plaats van een weerstand om het verwarmingsvermogen in de MQ-9 te regelen.

Raadpleeg het schakelschema van het soldeerbord voor montagedetails. Sluit voor de MQ-2-sensor de pinnen gemarkeerd met A aan op de 5V-voeding, sluit de pin gemarkeerd met G aan op aarde en sluit de pin gemarkeerd met S aan op aarde in serie met een 47 kΩ-weerstand. Sluit voor de MQ-9-gassensor de pin gemarkeerd met A aan op de transistor, de pin gemarkeerd met B op de 5 V-voeding, de pin gemarkeerd met G op aarde en de pin gemarkeerd met S op aarde in serie met een weerstand van 10 kΩ.

Stap 7:Temperatuur- en vochtigheidssensoren

Deze sensor wordt geleverd omdat temperatuur en vochtigheid een rol spelen bij de gasconcentraties die onze sensoren detecteren. Hoge vochtigheid en temperatuur, evenals dramatische veranderingen in beide, zouden nadelige effecten hebben op de nauwkeurigheid van metingen. Het is daarom nuttig om deze variabelen te kunnen controleren. Zowel temperatuur als luchtvochtigheid zijn af te lezen van deze enkele sensor. Georiënteerd zoals op de foto hierboven, moet de linker pin worden aangesloten op de voeding, de middelste pin is het uitgangssignaal en de rechter pin is geaard. Het uitgangssignaal voor dit onderdeel gaat naar een digitale poort op de Arduino. Onze code is zo ingesteld dat het temperatuursignaal in digitale poort 2 wordt verwacht. Dit kan worden gewijzigd in een andere digitale poort als dat nodig is; verander eenvoudig de code in overeenstemming met de poort die u hebt gekozen. Raadpleeg het soldeerborddiagram om dit onderdeel te gebruiken.

Stap 8:voeding en ventilator

Als je het schakelschema voor het hele project bekijkt, zul je zien dat we slechts één ingangsspanning van 5 V nodig hebben. Een gemeenschappelijke adapter zoals hierboven getoond kan worden gebruikt om het project van stroom te voorzien. Verder heb je een ventilator nodig om de luchtstroom door de box te verzekeren en oververhitting te voorkomen. We hebben de bovenstaande ventilator gebruikt, maar elke ventilator die 5 V gebruikt en de juiste maat heeft, kan worden gebruikt.

Stap 9:container

Hoewel er veel manieren zijn om een ​​effectieve doos te maken, hebben we ervoor gekozen om een ​​UP 3D-printer voor onze doos te gebruiken. We hebben de STL bijgevoegd die we hebben gebruikt voor de uiteindelijke afdruk.

Stap 10:Coderen

De code voor het extraheren van onbewerkte gegevens van het apparaat is hierboven bijgevoegd. Deze code drukt de sensorweerstandswaarden, Shinyei PPD42 lage-pulsbezettingspercentages en temperatuur- en vochtigheidsmetingen af ​​naar de computer via de seriële monitor. Het zal ook door de onbewerkte gegevens op het LCD-scherm bladeren.

Om de code te laten werken, moet u eerst de bibliotheken downloaden voor het LCD-scherm en temperatuur- en vochtigheidssensoren. U vindt de bibliotheken op de volgende websites

LCD-schildcode:https://learn.adafruit.com/rgb-lcd-shield/using-th…

Temperatuur- en vochtigheidssensorcode:https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library

Stap 11:de gegevens interpreteren

We zijn bezig te bepalen hoe we onbewerkte sensorwaarden kunnen omzetten in zinvolle outputs. Kalibratie tegen bekende bronnen van vervuiling zal uiteindelijk nodig zijn om nauwkeurigheid te garanderen. In de tussentijd hebben we sensorgegevensbladen en eerder onderzoek gebruikt om schattingen te maken.

Voor het schatten van fijnstofconcentraties gebruiken we informatie uit een onderzoekspaper van David Holstius. Het papier correleert de uitgangen van de Shinyei PPD42-stofsensor met EPA-metingen. De grafieken in de bijlage tonen de best passende lijnen voor de gegevens. We gebruikten de grafieken om de PM2,5-concentratie in microgram per kubieke meter te benaderen als:

PM2.5 =5 + 5 * (klein PM laag-puls bezettingspercentage)

Om gasconcentraties van MiCS-gassensoren te schatten, gebruiken we de grafieken in de datasheets (NO2 en O3) om functies te extraheren die de sensorweerstand aan de gasconcentratie relateren.

Voor MQ-sensoren gebruiken we de grafieken op de datasheets van het apparaat om de gegevens kwalitatief te beoordelen. Wanneer de weerstandswaarde daalt tot minder dan de helft van de weerstand in lucht, is het waarschijnlijk dat het apparaat de doelgassen detecteert. Wanneer de weerstand met een factor 10 daalt, liggen de concentraties van het doelgas waarschijnlijk rond de 1000 ppm, dicht bij de wettelijke veiligheidslimiet.

Zodra we geschatte concentraties van de doelgassen hebben verkregen, stellen we de normen van de Amerikaanse overheid op om de gegevens te interpreteren. We gebruiken voornamelijk het EPA Technical Assistance Document for the Reporting of Daily Air Quality en een CDC-informatieblad over de gevaren van propaan.

Helaas is onze code die de ruwe data interpreteert nog niet volledig functioneel. We hopen het op een later tijdstip te kunnen uploaden.

Bron:Luchtverontreinigingsdetector