DIY Luftqualitätsmonitor: Kosteneffektiver EPA-konformer Detektor

Dieser kompakte Detektor bietet eine budgetfreundliche Lösung zur Bewertung der Umgebungsluftqualität. Er zielt auf die fünf Schlüssel-Schadstoffe ab, die im EPA Air Quality Index aufgeführt sind – Ozon, Feinstaub, Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid und Stickstoffoxid – und liefert genaue Messwerte für alle außer Schwefeldioxid, das vom aktuellen Sensorset nicht überwacht wird.

Zusätzlich warnt ein Stadtgas-Sensor vor brennbaren Lecks, während ein Temperatur- und Feuchtigkeitsmodul Umgebungsfaktoren berücksichtigt, die die Sensorleistung beeinflussen.

Obwohl das Gerät noch nicht vollständig kalibriert wurde, haben wir vorläufige Daten aus Hersteller-Datenblättern extrahiert, um Schadstoffkonzentrationen zu schätzen. Die kostengünstigen Sensoren variieren erheblich in der Präzision, daher ist eine Kalibrierung gegen bekannte Gaskonzentrationen für zuverlässige Ergebnisse unerlässlich.

Schritt 1: Materialien

Steuerung und Stromversorgung

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

Sensoren

• Shinyei PPD42 Feinstaub-Detektor
• MQ-2 Gassensor
• MQ-9 Gassensor
• MiCS-2714 Gassensor (NO₂)
• MiCS-2614 Gassensor (O₃)
• Keyes DHT11 Temperatur- und Feuchtigkeitssensor

Gehäuse und Montage

• Zugang zu einem 3D-Drucker
• Lötplatine
• 5 V Lüfter
• 10–15 × 24-Gauge Drähte

Schritt 2: Gesamtes Schaltbild

Das obige Diagramm zeigt die komplette Schaltung für den Schadstoffdetektor. Die meisten Verbindungen sind flexibel – wenn Sie einen digitalen oder analogen Pin neu zuweisen müssen, passen Sie einfach den begleitenden Code an. Ein detailliertes Schaltbild für die Lötplatine folgt später.

Schritt 3: Feinstaubsensor

Wir setzen zwei Shinyei PPD42 Staubsensoren ein, um Fein- und Grobpartikeldaten zu erfassen. Jeder Sensor gibt zwei digitale Signale aus: eines für Partikel <2,5 µm und eines für größere Partikel. Die Sensoren erhalten 5 V Strom und verbinden sich mit den digitalen Eingängen des Arduino. Der Photodetektor-Output wird in einen Low-Pulse-Occupancy-Prozentsatz umgewandelt, der direkt mit der Partikelkonzentration korreliert.

Eine umfassende Reverse-Engineering-Analyse von Tracy Allen finden Sie unter https://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP.pdf.

Schritt 4: Gassensor-Schaltungsplatine

Das obige Diagramm illustriert die Platine, die die Gas- und Temperatur/Feuchtigkeitssensoren beherbergt. Während Ihre Platine physisch abweichen mag, bleiben Pinout und Strombeziehungen gleich. Wir empfehlen die Verwendung einer PCB für SMD-Bauteile, sorgfältiges Handlöten auf der Modulrückseite ist jedoch ebenfalls machbar.

Schritt 5: Ozon- und NO₂-Sensoren

MiCS-2614 und MiCS-2714 SMD-Sensoren detektieren Ozon bzw. Stickstoffdioxid. Ihr Sensorelement ist ein Widerstand (≈10–20 kΩ) zwischen Pins G und K. Ein separates Heizelement (≈50–60 Ω) verbindet Pins A und H, um optimale Betriebstemperatur zu halten.

Beim Löten ohne PCB verwenden Sie niedrigtemperatur-Lötzinn und größte Sorgfalt. Im Schaltplan platzieren wir einen 82 Ω Widerstand in Reihe mit dem MiCS-2614 Heizer und einen 131 Ω Widerstand (oder 120 Ω + 12 Ω in Reihe) für den MiCS-2714 Heizer. Die Sensowiderstände bilden einen Spannungsteiler mit einem 22 kΩ Widerstand: R_sen = 22 kΩ × (5 V / V_out – 1).

Schritt 6: MQ Giftgas-Sensoren

Die MQ-2 und MQ-9 Einheiten messen Propan, Butan, LPG und Kohlenmonoxid. Wie die MiCS-Sensoren nutzen sie einen SnO₂-basierten gasempfindlichen Widerstand und einen internen Heizer. Der MQ-9 verwendet einen Transistor zur Heizerleistungsregelung, während der MQ-2 einen Festwiderstand nutzt.

Beziehen Sie sich auf das Lötplatine-Schaltbild für genaue Pin-Verbindungen: Für MQ-2 verbinden Sie Pin A mit 5 V, Pin G mit Masse und Pin S über einen 47 kΩ Widerstand mit Masse; für MQ-9 verbinden Sie Pin A mit dem Transistor, Pin B mit 5 V, Pin G mit Masse und Pin S über einen 10 kΩ Widerstand mit Masse.

Schritt 7: Temperatur- und Feuchtigkeitssensor

Der DHT11 Sensor misst sowohl Temperatur als auch Feuchtigkeit, Faktoren, die Gas-Sensor-Messwerte erheblich beeinflussen. Montieren Sie den Sensor so, dass der linke Pin an 5 V, der mittlere Pin an einen digitalen Arduino-Pin (Standard Port 2 in unserem Code) und der rechte Pin an Masse angeschlossen ist. Passen Sie den Code an, falls Sie einen anderen Pin verwenden.

Schritt 8: Stromversorgung und Lüfter

Die gesamte Montage benötigt nur eine einzelne 5-V-Versorgung, die durch ein gängiges USB- oder Wandnetzteil bereitgestellt werden kann. Ein 5-V-Lüfter sorgt für ausreichende Luftzirkulation im Gehäuse und verhindert Sensorüberhitzung.

Schritt 9: Gehäuse

Wir fertigten das Gehäuse mit einem UP 3D-Drucker. Die für den finalen Druck verwendete STL-Datei steht zum Download bereit.

Schritt 10: Programmierung

Der bereitgestellte Arduino Sketch liest Rohdaten aller Sensoren, gibt Sensorwiderstandswerte, Shinyei Low-Pulse-Occupancy-Prozentsätze und Temperatur/Feuchtigkeitswerte an den Serial Monitor aus und zyklisch diese Werte auf dem LCD-Bildschirm.

Vor dem Kompilieren laden Sie die erforderlichen Bibliotheken herunter: LCD Shield Library und DHT Sensor Library.

Schritt 11: Daten interpretieren

Wir verfeinern derzeit Algorithmen zur Umwandlung roher Sensorausgaben in actionable Schadstoffkonzentrationen. Kalibrierung gegen bekannte Referenzquellen wird für Präzision essenziell sein.

Für Feinstaub nutzten wir Forschungen von David Holstius zur Korrelation von Shinyei PPD42 Output mit EPA-Messungen:
PM₂.₅ = 5 + 5 × (Low-Pulse-Occupancy %).

Gas-Sensor-Widerstände werden mithilfe der in ihren Datenblättern bereitgestellten Kurven interpretiert. Für MQ-Einheiten signalisiert ein Widerstandsabfall auf <50 % des Baselines typischerweise die Anwesenheit von Zielgasen; ein Abfall auf <10 % deutet auf Konzentrationen nahe 1.000 ppm hin, nahe regulatorischen Grenzwerten.

Sobald wir approximative Konzentrationen ableiten, referenzieren wir EPA-Technische Dokumente und CDC-Richtlinien, um Gesundheitsrisiken zu kontextualisieren.

Der vollständige Interpretationscode wird veröffentlicht, sobald die Kalibrierung abgeschlossen ist.

Quelle: Air Pollution Detector