대기 오염 감지기

이 장치는 공기 품질을 결정하는 비용 효율적인 수단을 사용자에게 제공하기 위한 것입니다. 당사의 센서는 환경 보호국의 대기 질 지수의 5가지 구성요소인 오존, 미립자 물질, 일산화탄소, 이산화황 및 아산화질소에 중점을 둡니다. 이 장치는 이산화황을 제외한 모든 오염 물질을 감지합니다. 이 장치에는 또한 사용자에게 가스 누출이나 가연성 가스의 존재를 경고하는 도시 가스 센서가 포함되어 있습니다. 또한 이러한 조건이 가스 센서의 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 온도 및 습도 센서가 포함되어 있습니다.

아직 장치를 완전히 보정하지 않았지만 센서 데이터 시트에서 데이터를 추출하여 사전 추정을 했습니다. 사용된 센서는 상대적으로 저렴하고 구성 요소마다 크게 다르기 때문에 대상 가스의 알려진 농도로 보정해야 합니다. 아직 그럴 기회가 없었습니다.

1단계:자료

제어 및 권한

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아두이노 우노

5V 전원 공급 장치

RGB 16×2 LCD 실드

센서

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신예 PPD42 미세먼지 감지기

MQ-2 가스 센서

MQ-9 가스 센서

MiCS-2714 가스 센서(NO2)

MiSC-2614 가스 센서(오존)

Keyes DHT11 온도 및 습도 센서

상자 및 조립품

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3D 프린터 사용

납땜 보드

5V 팬

게이지 24의 10~15개 와이어

2단계:전체 회로도

위의 회로도는 이 오염 감지기가 작동하는 전체입니다. 솔더 보드에 대한 자세한 회로도는 나중에 나옵니다. 필요한 경우(어떤 이유로든) 센서가 입력하는 대부분의 디지털 포트와 아날로그 포트를 변경할 수 있습니다. 이렇게 하려면 이러한 변경 사항을 설명하기 위해 제공한 코드를 수정하기만 하면 됩니다.

3단계:입자상 물질 센서

2개의 Shinyei PPD42 먼지 센서를 사용하여 입자상 물질에 대한 데이터를 수집합니다.

각 Shinyei Detector에는 두 개의 신호 출력이 있습니다. 하나는 작은 입자상 물질(위 그림에서 왼쪽 노란색 와이어)이고 다른 하나는 더 큰 입자상 물질입니다. 이 출력 신호는 Ardiuno의 디지털 입력에 연결됩니다. 감지기는 감지기의 포트에 +5V 및 접지를 공급하여 전원을 공급해야 합니다. 자세한 내용은 전체 회로도를 참조하십시오.

각 감지기는 적외선 LED와 광검출기를 사용하여 작은 공기 중 미립자의 산란을 측정합니다. 내부 회로는 광검출기 출력을 디지털 출력 신호로 바꿉니다. 일반적으로 센서는 입자를 감지하면 +5V 신호를 출력하고 저전압 펄스를 보냅니다. 출력 신호가 낮거나 "낮은 펄스 점유율"이 나타나는 시간의 비율은 공기 중 미립자 물질의 농도에 비례합니다.

Tracy Allen의 Shinyei PPD42에 대한 자세한 리버스 엔지니어링 분석은 http://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP…

에서 찾을 수 있습니다.

4단계:가스 센서 회로 기판

위는 가스 센서와 온도/습도 센서를 호스팅하는 회로 기판의 회로도입니다. 각 개별 장치를 장착하는 방법에 대한 자세한 내용은 다음 단계에 나와 있습니다. 귀하의 회로 기판은 물리적으로 우리와 다르게 보일 수 있습니다. 사실 솔더 보드를 사용하는 대신 표면 실장 장치용 회로 보드를 인쇄하는 것이 좋습니다. 회로도를 따르는 한 잘 작동해야 합니다.

5단계:오존 및 NO2 센서

표면 실장 센서 MiCS-2614 및 MiCS-2714를 사용하여 각각 오존 및 이산화질소를 감지합니다.

이 두 장치 모두 감지 요소로 내부 저항을 사용합니다. 감지 저항은 핀 (G) 사이에 연결됩니다. 및 (K ) 위의 다이어그램에서. 저항계를 사용하여 올바른 핀을 찾았는지 확인하십시오. 저항은 10-20kΩ 정도여야 합니다.

두 기기 모두 핀 (A) 사이에 발열체가 있습니다. 및 (H). 이 가열 요소는 감지 요소를 적절한 온도로 유지합니다. 발열체의 저항은 50-60Ω입니다.

이상적으로 이러한 장치는 회로 기판에 표면 실장되어야 합니다. 그러나 회로 기판 프린터가 없는 경우에도 매우 낮은 온도의 땜납과 세심한 주의를 사용하여 이러한 장치의 뒷면에 조심스럽게 납땜할 수 있습니다.

솔더 보드 회로도에 표시된 대로 82Ω 저항과 131Ω 저항을 MiCS-2614 및 MiCS-2714 장치의 발열체와 직렬로 각각 배치합니다. 이렇게 하면 발열체가 적절한 수준의 전력을 공급받을 수 있습니다. 131Ω 저항에 접근할 수 없는 경우(표준 값이 아님) 120Ω 저항과 12Ω 저항을 직렬로 사용하십시오.

우리는 전압 분배기를 생성하기 위해 22kΩ 저항과 직렬로 두 장치에 감지 저항을 배치합니다. 전압 분배기의 출력 전압에서 감지 저항을 계산할 수 있습니다.

Rsenor =22kΩ * (5V / Vout – 1)

대기 오염 제거

6단계:MQ 독성 가스 센서

MQ-2 및 MQ-9 가스 센서를 사용하여 프로판, 부탄, LPG 및 일산화탄소를 포함한 유독 가스를 측정했습니다.

MQ-2 및 MQ-9는 MiCS 감지기와 매우 유사합니다. 그들은 가스에 민감한 저항기(SnO2)를 사용하여 독성 가스의 농도를 감지하고 센서를 적절한 온도로 유지하기 위한 내부 발열체를 가지고 있습니다. 이러한 장치에 사용하는 회로는 MQ-9의 히터 전력을 조절하기 위해 저항 대신 트랜지스터를 사용한다는 점을 제외하고는 MiCS 센서의 회로와 실질적으로 동일합니다.

실장 세부 사항은 솔더 보드 회로도를 참조하십시오. MQ-2 센서의 경우 A로 표시된 핀을 5V 전원에 연결하고 G로 표시된 핀을 접지에 연결하고 S로 표시된 핀을 접지에 연결한 47kΩ 저항을 직렬로 연결합니다. MQ-9 가스 센서의 경우 A로 표시된 핀을 트랜지스터에 연결하고 B로 표시된 핀을 5V 전원에 연결하고 G로 표시된 핀을 접지에 연결하고 S로 표시된 핀을 10kΩ 저항과 직렬로 연결합니다.

7단계:온도 및 습도 센서

이 센서는 온도와 습도가 센서가 감지하는 가스 농도에 중요한 역할을 하기 때문에 제공됩니다. 높은 습도와 온도 그리고 극적인 변화는 판독 정확도에 해로운 영향을 미칠 수 있으므로 이러한 변수를 모니터링할 수 있으면 도움이 됩니다. 이 단일 센서에서 온도와 습도를 모두 읽을 수 있습니다. 위 사진과 같은 방향으로 왼쪽 핀은 전원, 가운데 핀은 출력 신호, 오른쪽 핀은 접지입니다. 이 구성 요소의 출력 신호는 Arduino의 디지털 포트로 이동합니다. 우리의 코드는 디지털 포트 2의 온도 신호를 예상하도록 설정되어 있습니다. 필요한 경우 다른 디지털 포트로 변경할 수 있습니다. 선택한 포트에 따라 코드를 변경하기만 하면 됩니다. 이 구성 요소를 사용하려면 솔더 보드 다이어그램을 참조하십시오.

8단계:전원 및 팬

전체 프로젝트의 회로도를 보면 5V의 입력 전압 하나만 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 위에 표시된 것과 같은 공통 어댑터를 사용하여 프로젝트에 전원을 공급할 수 있습니다. 또한 상자를 통한 공기 흐름을 보장하고 과열을 방지하기 위해 팬이 필요합니다. 위의 팬을 사용했지만 5V를 사용하는 적절한 크기의 팬이면 모두 사용 가능합니다.

9단계:컨테이너

효과적인 상자를 만드는 방법에는 여러 가지가 있지만 상자에 UP 3D 프린터를 사용하기로 결정했습니다. 최종 인쇄에 사용한 STL을 첨부합니다.

10단계:코딩

장치에서 원시 데이터를 추출하는 코드는 위에 첨부되어 있습니다. 이 코드는 센서 저항 값, Shinyei PPD42 저펄스 점유율, 온도 및 습도 판독값을 직렬 모니터를 통해 컴퓨터로 인쇄합니다. LCD 화면의 원시 데이터도 순환합니다.

코드가 작동하도록 하려면 먼저 LCD 실드와 온도 및 습도 센서용 라이브러리를 다운로드해야 합니다. 다음 웹사이트에서 도서관을 찾을 수 있습니다.

LCD 실드 코드:https://learn.adafruit.com/rgb-lcd-shield/using-th…

온도 및 습도 센서 코드:https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library

11단계:데이터 해석

우리는 원시 센서 값을 의미 있는 출력으로 변환하는 방법을 결정하는 과정에 있습니다. 알려진 오염원에 대한 보정은 결국 정확성을 보장하기 위해 필요할 것입니다. 그동안 우리는 센서 데이터 시트와 사전 연구를 사용하여 근사치를 산출했습니다.

입자상 물질 농도를 추정하기 위해 David Holstius의 연구 보고서 정보를 사용합니다. 이 논문은 Shinyei PPD42 먼지 센서 출력을 EPA 측정과 연관시킵니다. 부록의 그래프는 데이터에 가장 적합한 선을 보여줍니다. 다음과 같이 그래프를 사용하여 입방 미터당 마이크로그램 단위의 PM2.5 농도를 근사화했습니다.

PM2.5 =5 + 5 * (작은 PM 저펄스 점유율)

MiCS 가스 센서에서 가스 농도를 추정하기 위해 데이터시트(NO2 및 O3)의 그래프를 사용하여 가스 농도에 대한 센서 저항과 관련된 함수를 추출합니다.

MQ 센서의 경우 장치 데이터시트의 그래프를 사용하여 데이터를 정성적으로 평가합니다. 저항값이 공기 중 저항의 절반 미만으로 떨어지면 장치가 대상 가스를 감지할 가능성이 있습니다. 저항이 10배 감소하면 대상 가스의 수준은 법적 안전 한계에 근접한 약 1000ppm일 가능성이 높습니다.

목표 가스의 대략적인 농도를 얻은 후에는 데이터를 해석하기 위해 미국 정부 표준을 따릅니다. 우리는 주로 일일 대기질 보고를 위한 EPA 기술 지원 문서와 프로판 위험에 대한 CDC 정보 시트를 사용합니다.

불행히도 원시 데이터를 해석하는 코드는 아직 완전히 작동하지 않습니다. 나중에 업로드할 수 있기를 바랍니다.

출처:대기 오염 감지기