Détecteur de pollution atmosphérique

Cet appareil est destiné à fournir à l'utilisateur un moyen rentable de déterminer la qualité de l'air. Notre capteur se concentre sur les cinq composants de l'indice de qualité de l'air de l'Environmental Protection Agency :l'ozone, les particules, le monoxyde de carbone, le dioxyde de soufre et l'oxyde nitreux. Cet appareil détecte tous ces polluants à l'exception du dioxyde de soufre. Le dispositif comprend également un capteur de gaz de ville pour alerter l'utilisateur des fuites de gaz ou de la présence de gaz inflammables. De plus, un capteur de température et d'humidité est inclus car ces conditions peuvent avoir un impact sur les performances des capteurs de gaz.

Nous n'avons pas encore entièrement étalonné notre appareil, mais nous avons extrait les données des fiches techniques des capteurs pour faire quelques estimations préliminaires. Les capteurs utilisés sont relativement peu coûteux et varient considérablement d'un composant à l'autre, ils doivent donc être étalonnés avec des concentrations connues des gaz cibles. Nous n'avons pas encore eu l'occasion de le faire.

Étape 1 : Matériaux

Contrôle et puissance

• Arduino Uno
• Alimentation 5 V
• Bouclier LCD RVB 16×2

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 MiSC-2614 (ozone)
• Capteur de température et d'humidité Keyes DHT11

Boîte et assemblage

• Accès à l'imprimante 3D
• Planche à souder
• Ventilateur 5 V
• 10 à 15 fils de calibre 24

Étape 2 : Schéma général du circuit

Le schéma de circuit ci-dessus est l'intégralité des travaux de ce détecteur de pollution. Un schéma de circuit détaillé pour la carte de soudure suit plus tard. Notez que vous pouvez modifier la plupart des ports numériques et des ports analogiques auxquels les capteurs entrent si vous en avez besoin (pour quelque raison que ce soit) ; cela nécessitera seulement que vous éditiez le code que nous avons fourni pour tenir compte de ces changements.

Étape 3 : Capteur de particules

Nous utilisons deux capteurs de poussière Shinyei PPD42 pour collecter des données sur les particules.

Chaque détecteur Shinyei a deux sorties de signal :une pour les petites particules (fil jaune de gauche sur l'image ci-dessus) et une pour les plus grosses particules. Ces signaux de sortie sont connectés aux entrées numériques de l'Ardiuno. Le détecteur doit être alimenté en fournissant +5V et en mettant à la terre les ports du détecteur. Voir le schéma de circuit global pour plus de détails.

Chaque détecteur utilise une LED infrarouge et un photodétecteur pour mesurer la diffusion de petites particules en suspension dans l'air. Les circuits internes transforment la sortie du photodétecteur en signaux de sortie numériques. Généralement, le capteur émet un signal de +5V, lorsqu'il détecte des particules, il envoie une impulsion basse tension. La fraction du temps pendant laquelle le signal de sortie est faible ou le « pourcentage d'occupation à faible impulsion » est proportionnelle à la concentration de particules dans l'air.

Une analyse détaillée de l'ingénierie inverse du Shinyei PPD42 par Tracy Allen est disponible sur http://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP…

Étape 4 : circuit imprimé du capteur de gaz

Ci-dessus se trouve le schéma de circuit de la carte de circuit imprimé hébergeant les capteurs de gaz et le capteur de température/humidité. Les détails sur le montage de chacun des appareils séparés se trouvent dans les étapes suivantes. Notez que votre circuit imprimé peut être physiquement différent du nôtre. En fait, nous vous recommandons d'imprimer une carte de circuit imprimé pour les appareils à montage en surface au lieu d'utiliser une carte à souder. Cela devrait fonctionner aussi bien tant que vous suivez le schéma du circuit.

Étape 5 : Capteurs d'ozone et de NO2

Nous utilisons des capteurs à montage en surface MiCS-2614 et MiCS-2714 pour détecter respectivement l'ozone et le dioxyde d'azote.

Ces deux appareils utilisent une résistance interne comme élément de détection. La résistance de détection est connectée entre les broches (G) et (K ) dans le schéma ci-dessus. Utilisez un ohmmètre pour vérifier que vous avez trouvé les bonnes broches. La résistance doit être de l'ordre de 10-20 kΩ.

Les deux appareils ont également un élément chauffant entre les broches (A) et (H). Cet élément chauffant maintient l'élément de détection à la température appropriée. La résistance de l'élément chauffant est de 50-60Ω.

Idéalement, ces appareils doivent être montés en surface sur une carte de circuit imprimé. Cependant, en l'absence d'une imprimante à circuit imprimé, il est toujours possible de souder soigneusement à l'arrière de ces appareils en utilisant une soudure à très basse température et avec beaucoup de soin.

Comme indiqué dans le schéma de circuit de la carte de soudure, nous plaçons la résistance de 82Ω et la résistance de 131Ω en série avec les éléments chauffants des unités MiCS-2614 et MiCS-2714 respectivement. Cela garantit que les éléments chauffants reçoivent le niveau de puissance approprié. Si vous n'avez pas accès à une résistance de 131Ω (ce n'est pas une valeur standard), utilisez une résistance de 120Ω et une résistance de 12Ω en série.

Nous plaçons les résistances de détection dans les deux appareils en série avec des résistances de 22 kΩ pour créer un diviseur de tension. A partir de la tension à la sortie du diviseur de tension, nous pouvons calculer la résistance de détection.

Rsenor =22kΩ * (5V / Vout – 1)

Dépollution de l'air

Étape 6 :Capteurs de gaz toxiques MQ

Nous avons utilisé des capteurs de gaz MQ-2 et MQ-9 pour mesurer les gaz toxiques, notamment le propane, le butane, le GPL et le monoxyde de carbone.

Le MQ-2 et le MQ-9 sont très similaires aux détecteurs MiCS. Ils utilisent une résistance sensible aux gaz (SnO2) pour détecter les concentrations de gaz toxiques et disposent d'un élément chauffant interne pour maintenir le capteur à la bonne température. Les circuits que nous utilisons pour ces appareils sont pratiquement les mêmes que les circuits pour les capteurs MiCS, sauf que nous utilisons un transistor plutôt qu'une résistance pour réguler la puissance de chauffage dans le MQ-9.

Reportez-vous au schéma de circuit de la carte de soudure pour les détails de montage. Pour le capteur MQ-2, connectez les broches marquées A à l'alimentation 5V, connectez la broche marquée G à la terre et connectez la broche marquée S est connectée à la terre en série avec une résistance de 47 kΩ. Pour le capteur de gaz MQ-9, connectez la broche marquée A au transistor, la broche marquée B à l'alimentation 5 V, la broche marquée G à la terre et la broche marquée S à la terre en série avec une résistance de 10 kΩ.

Étape 7 :Capteurs de température et d'humidité

Ce capteur est fourni car la température et l'humidité jouent un rôle dans les concentrations de gaz que nos capteurs détectent. Une humidité et une température élevées ainsi que des changements spectaculaires dans l'une ou l'autre auraient des effets néfastes sur la précision des lectures. Il est donc utile de pouvoir surveiller ces variables. La température et l'humidité peuvent être lues à partir de ce seul capteur. Orientée comme sur la photo ci-dessus, la broche gauche doit être connectée à l'alimentation, la broche du milieu est le signal de sortie et la broche droite est mise à la terre. Le signal de sortie de ce composant va à un port numérique sur l'Arduino. Notre code est configuré de manière à attendre le signal de température dans le port numérique 2. Cela peut être changé pour un autre port numérique si vous en avez besoin ; modifiez simplement le code en fonction du port que vous avez choisi. Reportez-vous au schéma de la carte de soudure pour utiliser ce composant.

Étape 8 :Alimentation et ventilateur

Si vous regardez le schéma de circuit de l'ensemble du projet, vous verrez que nous n'avons besoin que d'une seule tension d'entrée de 5 V. Un adaptateur commun comme celui illustré ci-dessus peut être utilisé pour alimenter le projet. De plus, vous aurez besoin d'un ventilateur pour assurer la circulation de l'air à travers la boîte et éviter la surchauffe. Nous avons utilisé le ventilateur ci-dessus, mais tout ventilateur utilisant 5 V et de la taille appropriée peut être utilisé.

Étape 9 :Conteneur

Bien qu'il existe de nombreuses façons de fabriquer une boîte efficace, nous avons choisi d'utiliser une imprimante 3D UP pour notre boîte. Nous avons joint le STL que nous avons utilisé pour l'impression finale.

Étape 10 :Codage

Le code pour extraire les données brutes de l'appareil est joint ci-dessus. Ce code imprimera les valeurs de résistance du capteur, les pourcentages d'occupation à faible impulsion du Shinyei PPD42 et les lectures de température et d'humidité sur l'ordinateur via le moniteur série. Il fera également défiler les données brutes sur l'écran LCD.

Afin de faire fonctionner le code, vous devrez d'abord télécharger les bibliothèques pour le bouclier LCD et les capteurs de température et d'humidité. Vous trouverez les bibliothèques sur les sites suivants

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

Code du capteur de température et d'humidité :https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library

Étape 11 :Interprétation des données

Nous sommes en train de déterminer comment transformer les valeurs brutes des capteurs en sorties significatives. Un étalonnage par rapport à des sources de pollution connues sera éventuellement nécessaire pour garantir l'exactitude. Entre-temps, nous avons utilisé les fiches techniques des capteurs et des recherches antérieures pour faire des approximations.

Pour estimer les concentrations de particules, nous utilisons les informations d'un document de recherche de David Holstius. Le document met en corrélation les sorties du capteur de poussière Shinyei PPD42 avec les mesures EPA. Les graphiques de l'annexe montrent les meilleures lignes d'ajustement pour les données. Nous avons utilisé les graphiques pour approximer la concentration de PM2,5 en microgrammes par mètre cube :

PM2.5 =5 + 5 * (petit pourcentage d'occupation à faible impulsion PM)

Pour estimer les concentrations de gaz à partir des capteurs de gaz MiCS, nous utilisons les graphiques des fiches techniques (NO2 et O3) pour extraire les fonctions reliant la résistance du capteur à la concentration de gaz.

Pour les capteurs MQ, nous utilisons les graphiques sur les fiches techniques des appareils pour évaluer qualitativement les données. Lorsque la valeur de résistance chute à moins de la moitié de la résistance dans l'air, il est probable que l'appareil détecte les gaz cibles. Lorsque la résistance chute d'un facteur 10, les niveaux de gaz cible sont probablement d'environ 1 000 ppm, proche de la limite de sécurité légale.

Une fois que nous obtenons les concentrations approximatives des gaz cibles, nous nous en remettons aux normes du gouvernement américain pour interpréter les données. Nous utilisons principalement le document d'assistance technique de l'EPA pour la déclaration de la qualité de l'air quotidienne et une fiche d'information du CDC sur les dangers du propane.

Malheureusement, notre code qui interprète les données brutes n'est pas encore totalement fonctionnel. Nous espérons pouvoir le télécharger à une date ultérieure.

Source :Détecteur de pollution atmosphérique