DIY Luchtkwaliteitmonitor: Kosteneffectieve EPA-compliante detector

Deze compacte detector biedt een budgetvriendelijke oplossing voor het beoordelen van de omgevingsluchtkwaliteit. Het richt zich op de vijf kernverontreinigingen uit de EPA's Air Quality Index – ozon, fijnstof, koolmonoxide, zwaveldioxide en stikstofoxide – en levert nauwkeurige metingen voor alle behalve zwaveldioxide, die momenteel niet gemonitord wordt door de huidige sensorsuite.

Daarnaast waarschuwt een stadsgassensor gebruikers voor ontvlambare lekkages, terwijl een temperatuur-en-vochtigheidsmodule rekening houdt met omgevingsfactoren die de sensorprestaties beïnvloeden.

Hoewel het apparaat nog niet volledig gekalibreerd is, hebben we voorlopige data uit fabrikant-datasheets geëxtraheerd om verontreinigingsconcentraties te schatten. De goedkope sensoren variëren aanzienlijk in precisie, dus kalibratie tegen bekende gasconcentraties is essentieel voor betrouwbare resultaten.

Stap 1: Materialen

Besturing en Voeding

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

Sensoren

• Shinyei PPD42 Fijnstofdetector
• MQ‑2 Gassensor
• MQ‑9 Gassensor
• MiCS‑2714 Gassensor (NO₂)
• MiCS‑2614 Gassensor (O₃)
• Keyes DHT11 Temperatuur- en Vochtigheidssensor

Behuizing en Montage

• Toegang tot een 3D-printer
• Soldeerplaat
• 5 V-ventilator
• 10–15 × 24-gauge draden

Stap 2: Algemeen circuitschema

Het bovengenoemde diagram toont de complete schakeling voor de verontreinigingsdetector. Meeste verbindingen zijn flexibel – als je een digitale of analoge pin moet hertoewijzen, pas gewoon de bijbehorende code aan. Een gedetailleerd schema voor de soldeerplaat volgt later.

Stap 3: Fijnstofsensor

We gebruiken twee Shinyei PPD42 stofsensoren om fijn- en grof-deeltjesdata vast te leggen. Elke sensor geeft twee digitale signalen uit: één voor deeltjes <2,5 µm en een ander voor grovere deeltjes. De sensoren ontvangen 5 V voeding en verbinden met de digitale ingangen van de Arduino. De uitgang van de fotodetector wordt omgezet in een laag-puls-bezettingspercentage dat direct correleert met de fijnstofconcentratie.

Een uitgebreide reverse-engineering analyse door Tracy Allen is te vinden op https://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP.pdf.

Stap 4: Gassensor-printplaat

Het bovenstaande diagram illustreert het bord dat de gas- en temperatuur/vochtigheidssensoren herbergt. Hoewel je bord fysiek kan verschillen, blijven de pin-out en stroomrelaties hetzelfde. We raden een PCB aan voor surface-mount devices, hoewel zorgvuldig handmatig solderen op de achterkant van de module ook haalbaar is.

Stap 5: Ozon- en NO₂-sensoren

MiCS‑2614 en MiCS‑2714 surface-mount sensoren detecteren ozon en stikstofdioxide respectievelijk. Hun voelelement is een weerstand (≈10–20 kΩ) tussen pinnen G en K. Een apart verwarmingselement (≈50–60 Ω) verbindt pinnen A en H om de optimale werkingtemperatuur te handhaven.

Bij solderen zonder PCB, gebruik een laagtemperatuursoldeer en wees extreem voorzichtig. In het schema plaatsen we een 82 Ω-weerstand in serie met de MiCS‑2614-verhitter en een 131 Ω-weerstand (of 120 Ω + 12 Ω in serie) voor de MiCS‑2714-verhitter. De voelweerstanden vormen een spanningsdeler met een 22 kΩ-weerstand: R_sen = 22 kΩ × (5 V / V_out – 1).

Stap 6: MQ-giftige gassensoren

De MQ‑2 en MQ‑9 eenheden meten propaan, butaan, LPG en koolmonoxide. Net als de MiCS-sensoren gebruiken ze een SnO₂-gebaseerde gasgevoelige weerstand en een interne verhitter. De MQ‑9 gebruikt een transistor om de verwarmingsstroom te regelen, terwijl de MQ‑2 een vaste weerstand gebruikt.

Raadpleeg het soldeerplaat-schema voor exacte pinverbindingen: voor MQ‑2, verbind pin A met 5 V, pin G met massa, en pin S met massa via een 47 kΩ-weerstand; voor MQ‑9, verbind pin A met de transistor, pin B met 5 V, pin G met massa, en pin S met massa door een 10 kΩ-weerstand.

Stap 7: Temperatuur- en vochtigheidssensor

De DHT11-sensor meet zowel temperatuur als vochtigheid, factoren die de gassensor-metingen significant beïnvloeden. Monteer de sensor zodat de linker pin naar 5 V gaat, de middelste pin naar een digitale Arduino-pin (standaard poort 2 in onze code), en de rechter pin naar massa. Pas de code aan als je een andere pin gebruikt.

Stap 8: Voeding en ventilator

De complete montage vereist slechts een enkele 5 V-voeding, die geleverd kan worden door een gewone USB- of wandadapter. Een 5 V-ventilator zorgt voor voldoende luchtstroom door de behuizing, waardoor sensor-oververhitting wordt voorkomen.

Stap 9: Behuizing

We fabriceren de behuizing met een UP 3D-printer. Het STL-bestand voor de finale print is beschikbaar voor download.

Stap 10: Coderen

De meegeleverde Arduino-sketch leest ruwe data van alle sensoren, geeft sensorweerstandswaarden, Shinyei laag-puls-bezettingspercentages en temperatuur/vochtigheidsmetingen weer op de seriële monitor, en cycelt deze waarden op het LCD-scherm.

Voordat je compileert, download de vereiste bibliotheken: LCD-schild bibliotheek en DHT-sensorbibliotheek.

Stap 11: Data interpreteren

We zijn momenteel algoritmes aan het verfijnen om ruwe sensoruitgangen om te zetten in actievolle verontreinigingsconcentraties. Kalibratie tegen bekende referentiebronnen is essentieel voor precisie.

Voor fijnstof gebruikten we onderzoek van David Holstius om Shinyei PPD42-uitgang te correleren met EPA-metingen:
PM₂.₅ = 5 + 5 × (laag-puls-bezettings%).

Gassensor-weerstanden worden geïnterpreteerd met de kurven uit hun datasheets. Voor MQ-eenheden duidt een weerstandsdaling tot <50% van de baseline typisch op de aanwezigheid doelgassen; een daling tot <10% wijst op concentraties die naderen tot 1 000 ppm, dicht bij wettelijke limieten.

Zodra we benaderende concentraties afleiden, verwijzen we naar EPA-technische documenten en CDC-richtlijnen om gezondheidsrisico's te contextualiseren.

Volledige interpretatiecode zal vrijgegeven worden zodra kalibratie compleet is.

Bron: Air Pollution Detector