Luftverschmutzungsdetektor

Dieses Gerät soll dem Benutzer eine kostengünstige Möglichkeit bieten, die Luftqualität zu bestimmen. Unser Sensor konzentriert sich auf die fünf Komponenten des Luftqualitätsindex der Environmental Protection Agency:Ozon, Feinstaub, Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid und Lachgas. Dieses Gerät erkennt alle diese Schadstoffe außer Schwefeldioxid. Das Gerät enthält auch einen Stadtgassensor, der den Benutzer auf Gaslecks oder das Vorhandensein brennbarer Gase aufmerksam macht. Darüber hinaus ist ein Temperatur- und Feuchtigkeitssensor enthalten, da diese Bedingungen die Leistung der Gassensoren beeinträchtigen können.

Wir müssen unser Gerät noch vollständig kalibrieren, aber wir haben Daten aus Sensordatenblättern extrahiert, um einige vorläufige Schätzungen vorzunehmen. Die verwendeten Sensoren sind relativ kostengünstig und variieren stark von Komponente zu Komponente, sodass sie mit bekannten Konzentrationen der Zielgase kalibriert werden müssen. Wir hatten noch keine Gelegenheit dazu.

Schritt 1:Materialien

Kontrolle und Macht

• Arduino Uno
• 5V Netzteil
• RGB 16×2 LCD-Abschirmung

Sensoren

• Shinyei PPD42 Feinstaubdetektor
• MQ-2 Gassensor
• MQ-9 Gassensor
• MiCS-2714-Gassensor (NO2)
• MiSC-2614 Gassensor (Ozon)
• Keyes DHT11 Temperatur- und Feuchtigkeitssensor

Box und Baugruppe

• Zugang zum 3D-Drucker
• Lötplatte
• 5-V-Lüfter
• 10 bis 15 Drähte der Stärke 24

Schritt 2:Gesamtschaltplan

Der obige Schaltplan ist die Gesamtheit dieser Verschmutzungsdetektorfunktionen. Ein detaillierter Schaltplan für die Lötplatine folgt später. Beachten Sie, dass Sie die meisten digitalen Ports und analogen Ports, die von Sensoren eingegeben werden, ändern können, wenn dies erforderlich ist (aus irgendeinem Grund); Dies erfordert nur, dass Sie den von uns bereitgestellten Code bearbeiten, um diese Änderungen zu berücksichtigen.

Schritt 3:Feinstaubsensor

Wir verwenden zwei Shinyei PPD42 Staubsensoren, um Daten über Feinstaub zu sammeln.

Jeder Shinyei-Detektor hat zwei Signalausgänge:einen für kleine Partikel (linker gelber Draht im Bild oben) und einen für größere Partikel. Diese Ausgangssignale werden mit den digitalen Eingängen des Ardiuno verbunden. Der Detektor muss durch Anlegen von +5 V und Masse an die Ports des Detektors mit Strom versorgt werden. Einzelheiten finden Sie im Gesamtschaltplan.

Jeder Detektor verwendet eine Infrarot-LED und einen Photodetektor, um die Streuung kleiner Partikel in der Luft zu messen. Interne Schaltkreise wandeln den Fotodetektorausgang in digitale Ausgangssignale um. Im Allgemeinen gibt der Sensor ein +5V-Signal aus, wenn er Partikel erkennt, sendet er einen Niederspannungsimpuls. Der Bruchteil der Zeit, in der das Ausgangssignal niedrig ist oder der „Low-Pulse-Belegungsprozentsatz“ ist proportional zur Partikelkonzentration in der Luft.

Eine detaillierte Reverse-Engineering-Analyse des Shinyei PPD42 von Tracy Allen finden Sie unter http://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP…

Schritt 4:Gassensorplatine

Oben ist der Schaltplan für die Platine, auf der die Gassensoren und der Temperatur- / Feuchtigkeitssensor untergebracht sind. Einzelheiten zur Montage der einzelnen Geräte finden Sie in den folgenden Schritten. Beachten Sie, dass Ihre Platine physisch anders aussehen kann als unsere. Tatsächlich empfehlen wir Ihnen, eine Leiterplatte für die SMD-Geräte zu drucken, anstatt eine Lötplatte zu verwenden. Es sollte genauso gut funktionieren, solange Sie dem Schaltplan folgen.

Schritt 5:Ozon- und NO2-Sensoren

Wir verwenden die oberflächenmontierten Sensoren MiCS-2614 und MiCS-2714, um Ozon bzw. Stickstoffdioxid zu erkennen.

Beide Geräte verwenden einen internen Widerstand als Sensorelement. Der Messwiderstand ist zwischen den Pins (G) . angeschlossen und (K ) im Diagramm oben. Überprüfen Sie mit einem Ohmmeter, ob Sie die richtigen Pins gefunden haben. Der Widerstand sollte in der Größenordnung von 10-20 kΩ liegen.

Beide Geräte haben auch ein Heizelement zwischen den Pins (A) und (H). Dieses Heizelement hält das Sensorelement auf der entsprechenden Temperatur. Der Widerstand des Heizelements beträgt 50-60Ω.

Idealerweise sollten diese Geräte auf einer Leiterplatte oberflächenmontiert werden. Ohne einen Leiterplattendrucker ist es jedoch immer noch möglich, die Rückseite dieser Geräte mit sehr niedrigem Temperaturlötmittel und viel Sorgfalt vorsichtig anzulöten.

Wie im Schaltplan der Lötplatine gezeigt, platzieren wir den 82Ω-Widerstand und den 131Ω-Widerstand in Reihe mit den Heizelementen der MiCS-2614- bzw. MiCS-2714-Einheiten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Heizelemente die richtige Leistung erhalten. Wenn Sie keinen Zugang zu einem 131Ω-Widerstand haben (dies ist kein Standardwert), verwenden Sie einen 120Ω-Widerstand und einen 12Ω-Widerstand in Reihe.

Wir schalten die Messwiderstände in beiden Geräten in Reihe mit 22kΩ-Widerständen, um einen Spannungsteiler zu bilden. Aus der Spannung am Ausgang des Spannungsteilers können wir den Messwiderstand berechnen.

Rsenor =22kΩ * (5V / Vout – 1)

Luftverschmutzungsbekämpfung

Schritt 6:MQ Giftgassensoren

Wir haben die Gassensoren MQ-2 und MQ-9 verwendet, um giftige Gase wie Propan, Butan, LPG und Kohlenmonoxid zu messen.

MQ-2 und MQ-9 sind den MiCS-Detektoren sehr ähnlich. Sie verwenden einen gasempfindlichen Widerstand (SnO2), um Konzentrationen giftiger Gase zu erkennen und verfügen über ein internes Heizelement, um den Sensor auf der richtigen Temperatur zu halten. Die Schaltungen, die wir für diese Geräte verwenden, sind praktisch die gleichen wie die Schaltungen für die MiCS-Sensoren, außer dass wir einen Transistor anstelle eines Widerstands verwenden, um die Heizleistung im MQ-9 zu regulieren.

Einzelheiten zur Montage finden Sie im Schaltplan der Lötplatine. Verbinden Sie für den MQ-2-Sensor die mit A gekennzeichneten Pins mit der 5V-Stromversorgung, verbinden Sie den mit G gekennzeichneten Pin mit Masse und verbinden Sie den mit S gekennzeichneten Pin mit Masse in Reihe mit einem 47 kΩ-Widerstand. Für den MQ-9 Gassensor verbinden Sie den mit A gekennzeichneten Pin mit dem Transistor, den mit B gekennzeichneten Pin mit der 5-V-Versorgung, den mit G gekennzeichneten Pin mit Masse und den mit S gekennzeichneten Pin mit Masse in Reihe mit einem 10 kΩ Widerstand.

Schritt 7:Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren

Dieser Sensor wird bereitgestellt, weil Temperatur und Feuchtigkeit eine Rolle bei den Gaskonzentrationen spielen, die unsere Sensoren erkennen. Hohe Luftfeuchtigkeit und Temperatur sowie dramatische Änderungen beider würden sich nachteilig auf die Genauigkeit der Messwerte auswirken. Daher ist es hilfreich, diese Variablen überwachen zu können. Sowohl Temperatur als auch Luftfeuchtigkeit können von diesem einzigen Sensor abgelesen werden. Orientiert wie auf dem Foto oben, ist der linke Pin an die Stromversorgung anzuschließen, der mittlere Pin ist das Ausgangssignal und der rechte Pin ist geerdet. Das Ausgangssignal für diese Komponente geht an einen digitalen Port des Arduino. Unser Code ist so eingerichtet, dass er das Temperatursignal in Digitalport 2 erwartet. Dies kann bei Bedarf auf einen anderen Digitalport geändert werden; ändern Sie einfach den Code entsprechend dem von Ihnen gewählten Port. Beziehen Sie sich auf das Lötplatinendiagramm, um diese Komponente zu verwenden.

Schritt 8:Strom und Lüfter

Wenn Sie sich den Schaltplan für das gesamte Projekt ansehen, werden Sie feststellen, dass wir nur eine Eingangsspannung von 5 V benötigen. Zur Stromversorgung des Projekts kann ein handelsüblicher Adapter wie der oben gezeigte verwendet werden. Darüber hinaus benötigen Sie einen Lüfter, um den Luftstrom durch die Box zu gewährleisten und eine Überhitzung zu vermeiden. Wir haben den obigen Lüfter verwendet, aber jeder Lüfter, der 5 V verwendet und die entsprechende Größe hat, kann verwendet werden.

Schritt 9:Container

Obwohl es viele Möglichkeiten gibt, eine effektive Box herzustellen, haben wir uns für einen UP-3D-Drucker für unsere Box entschieden. Wir haben die STL angehängt, die wir für den endgültigen Druck verwendet haben.

Schritt 10:Codieren

Der Code zum Extrahieren von Rohdaten aus dem Gerät ist oben angehängt. Dieser Code druckt die Sensorwiderstandswerte, Shinyei PPD42-Niederpuls-Belegungsprozentsätze und Temperatur- und Feuchtigkeitsmesswerte über den seriellen Monitor an den Computer. Es durchläuft auch die Rohdaten auf dem LCD-Bildschirm.

Damit der Code funktioniert, müssen Sie zuerst die Bibliotheken für das LCD-Schild und die Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren herunterladen. Sie finden die Bibliotheken auf den folgenden Websites

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

Temperatur- und Feuchtigkeitssensorcode:https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library

Schritt 11:Interpretieren der Daten

Wir sind dabei, zu bestimmen, wie rohe Sensorwerte in sinnvolle Ausgaben umgewandelt werden können. Eine Kalibrierung gegen bekannte Verschmutzungsquellen wird schließlich erforderlich sein, um die Genauigkeit zu gewährleisten. In der Zwischenzeit haben wir Sensordatenblätter und vorherige Forschungen verwendet, um Näherungen zu machen.

Zur Abschätzung der Feinstaubkonzentrationen verwenden wir Informationen aus einer Forschungsarbeit von David Holstius. Das Papier korreliert die Staubsensorausgaben des Shinyei PPD42 mit EPA-Messungen. Die Grafiken im Anhang zeigen die besten Anpassungslinien für die Daten. Wir haben die Diagramme verwendet, um die PM2,5-Konzentration in Mikrogramm pro Kubikmeter wie folgt abzuschätzen:

PM2,5 =5 + 5 * (kleiner PM-Niederpuls-Belegungsprozentsatz)

Um die Gaskonzentrationen von MiCS-Gassensoren abzuschätzen, verwenden wir die Diagramme in den Datenblättern (NO2 und O3), um Funktionen in Bezug auf den Sensorwiderstand und die Gaskonzentration zu extrahieren.

Bei MQ-Sensoren verwenden wir die Grafiken auf den Gerätedatenblättern, um die Daten qualitativ zu bewerten. Wenn der Widerstandswert auf weniger als die Hälfte des Luftwiderstands abfällt, erkennt das Gerät wahrscheinlich die Zielgase. Wenn der Widerstand um den Faktor 10 sinkt, liegen die Konzentrationen des Zielgases wahrscheinlich bei etwa 1000 ppm, nahe der gesetzlichen Sicherheitsgrenze.

Sobald wir ungefähre Konzentrationen der Zielgase erhalten haben, richten wir uns nach den Standards der US-Regierung, um die Daten zu interpretieren. Wir verwenden hauptsächlich das EPA Technical Assistance Document für die Meldung der täglichen Luftqualität und ein CDC-Informationsblatt zu den Gefahren von Propan.

Leider ist unser Code, der die Rohdaten interpretiert, noch nicht voll funktionsfähig. Wir hoffen, es zu einem späteren Zeitpunkt hochladen zu können.

Quelle:Luftverschmutzungsdetektor