Moniteur de qualité de l'air DIY : Détecteur économique conforme EPA

Ce détecteur compact offre une solution abordable pour évaluer la qualité de l'air ambiant. Il cible les cinq polluants clés de l'indice de qualité de l'air de l'EPA — ozone, particules, monoxyde de carbone, dioxyde de soufre et oxyde nitreux — fournissant des lectures précises pour tous sauf le dioxyde de soufre, qui n'est pas surveillé par la suite de capteurs actuelle.

En plus, un capteur de gaz de ville alerte les utilisateurs sur les fuites inflammables, tandis qu'un module température-humidité tient compte des facteurs environnementaux influençant les performances des capteurs.

Bien que l'appareil n'ait pas encore subi de calibration complète, nous avons extrait des données préliminaires des fiches techniques des fabricants pour estimer les concentrations de polluants. Les capteurs low-cost varient considérablement en précision, donc une calibration contre des concentrations de gaz connues est essentielle pour des résultats fiables.

Étape 1 : Matériaux

Contrôle et Alimentation

• Arduino Uno
• Alimentation 5 V
• Écran LCD RGB 16×2 shield

Capteurs

• Détecteur de particules Shinyei PPD42
• Capteur de gaz MQ‑2
• Capteur de gaz MQ‑9
• Capteur de gaz MiCS‑2714 (NO₂)
• Capteur de gaz MiCS‑2614 (O₃)
• Capteur température/humidité Keyes DHT11

Boîtier et Assemblage

• Accès à une imprimante 3D
• Carte de soudure
• Ventilateur 5 V
• 10–15 × fils 24 AWG

Étape 2 : Schéma de circuit global

Le schéma ci-dessus montre le circuit complet requis pour le détecteur de pollution. La plupart des connexions sont flexibles — si vous devez réaffecter une broche numérique ou analogique, ajustez simplement le code accompagnant. Un schéma détaillé pour la carte de soudure suit plus loin.

Étape 3 : Capteur de particules

Nous utilisons deux capteurs de poussière Shinyei PPD42 pour capturer les données de particules fines et grosses. Chaque capteur sort deux signaux numériques : un pour particules <2,5 µm et un pour les plus grosses. Les capteurs reçoivent une alimentation 5 V et se connectent aux entrées numériques de l'Arduino. La sortie du photodétecteur est convertie en pourcentage d'occupation de pulsation basse qui corèle directement avec la concentration en particules.

Une analyse complète de reverse-engineering par Tracy Allen se trouve à https://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP.pdf.

Étape 4 : Carte de circuit pour capteurs de gaz

Le diagramme ci-dessus illustre la carte qui héberge les capteurs de gaz et température/humidité. Bien que votre carte puisse différer physiquement, le brochage et les relations d'alimentation restent les mêmes. Nous recommandons l'utilisation d'un PCB pour les composants CMS, bien qu'un soudage manuel soigneux au dos du module soit aussi viable.

Étape 5 : Capteurs Ozone et NO₂

Les capteurs CMS MiCS‑2614 et MiCS‑2714 détectent respectivement l'ozone et le dioxyde d'azote. Leur élément sensible est une résistance (≈10–20 kΩ) entre les broches G et K. Un élément chauffant séparé (≈50–60 Ω) relie les broches A et H pour maintenir la température de fonctionnement optimale.

Lors du soudage sans PCB, utilisez une soudure basse température et une grande prudence. Dans le schéma, nous plaçons une résistance de 82 Ω en série avec le chauffage du MiCS‑2614 et une résistance de 131 Ω (ou 120 Ω + 12 Ω en série) pour le chauffage du MiCS‑2714. Les résistances sensibles forment un diviseur de tension avec une résistance de 22 kΩ : R_sen = 22 kΩ × (5 V / V_out – 1).

Étape 6 : Capteurs de gaz toxiques MQ

Les unités MQ‑2 et MQ‑9 mesurent le propane, butane, GPL et monoxyde de carbone. Comme les capteurs MiCS, ils utilisent une résistance sensible au gaz à base de SnO₂ et un chauffage interne. Le MQ‑9 utilise un transistor pour réguler la puissance du chauffage, tandis que le MQ‑2 utilise une résistance fixe.

Consultez le schéma de la carte de soudure pour les connexions exactes : pour MQ‑2, connectez broche A à 5 V, broche G à la masse, et broche S à la masse via une résistance 47 kΩ ; pour MQ‑9, connectez broche A au transistor, broche B à 5 V, broche G à la masse, et broche S à la masse via une résistance 10 kΩ.

Étape 7 : Capteur température et humidité

Le capteur DHT11 mesure à la fois la température et l'humidité, facteurs qui influencent significativement les lectures des capteurs de gaz. Montez le capteur de sorte que la broche gauche se connecte à 5 V, la broche du milieu à une broche numérique Arduino (port 2 par défaut dans notre code), et la broche droite à la masse. Ajustez le code si vous utilisez une autre broche.

Étape 8 : Alimentation et Ventilateur

L'assemblage complet ne nécessite qu'une seule alimentation 5 V, fournie par un adaptateur USB ou secteur courant. Un ventilateur 5 V assure un flux d'air adéquat dans le boîtier, évitant la surchauffe des capteurs.

Étape 9 : Boîtier

Nous avons fabriqué le boîtier avec une imprimante 3D UP. Le fichier STL utilisé pour l'impression finale est disponible en téléchargement.

Étape 10 : Programmation

Le sketch Arduino fourni lit les données brutes de tous les capteurs, affiche les valeurs de résistance des capteurs, les pourcentages d'occupation de pulsation basse Shinyei et les lectures température/humidité sur le moniteur série, et fait défiler ces valeurs sur l'écran LCD.

Avant de compiler, téléchargez les bibliothèques requises : bibliothèque LCD shield et bibliothèque capteur DHT.

Étape 11 : Interprétation des données

Nous affinons actuellement les algorithmes pour convertir les sorties brutes des capteurs en concentrations de polluants exploitables. La calibration contre des sources de référence connues sera essentielle pour la précision.

Pour les particules, nous avons utilisé les recherches de David Holstius pour corréler la sortie du Shinyei PPD42 avec les mesures EPA :
PM₂.₅ = 5 + 5 × (pourcentage occupation pulsation basse).

Les résistances des capteurs de gaz sont interprétées via les courbes de leurs fiches techniques. Pour les unités MQ, une chute de résistance à <50 % de la ligne de base signale généralement la présence de gaz cibles ; une chute à <10 % indique des concentrations approchant 1 000 ppm, près des limites réglementaires.

Une fois les concentrations approximatives dérivées, nous référençons les documents techniques EPA et les directives CDC pour contextualiser les risques sanitaires.

Le code d'interprétation complet sera publié une fois la calibration terminée.

Source : Air Pollution Detector