Spis treści:
W dzisiejszym świecie, a w szczególności w okresie zimowym, ze względu na różne źródła ogrzewania jakość powietrza w naszych miastach spada. Świadczą o tym różnego rodzaju alerty i informacje medialne. Celem artykułu jest przedstawienie pomysłu na zbudowanie urządzenia, które będzie monitorowało na bieżąco zanieczyszczenia – zapylenia powietrza w pomieszczeniach, na stanowiskach pracy i nie tylko.
Takie urządzenie jest w stanie wykonać prawie każdy, kto interesuje się elektroniką, elektryką, automatyką, mechatroniką – czyli każdy pasjonat nowej technologii. Autor tego opracowania chce przedstawić w jaki sposób za pomocą prostych, ogólnodostępnych technologii związanych z mikrokontrolerami można stworzyć prosty, użyteczny i praktyczny projekt urządzenia pomiarowego na potrzeby własne lub określonego zakładu pracy. Co ważne jest to urządzenie stosunkowo tanie do wykonania i to w warunkach domowych.
Zanieczyszczenia powietrza - wpływ na człowieka
Pyłem nazywa się cząstki, które są zawieszone w powietrzu i są na tyle małe, że z łatwością mogą się dostać to układu oddechowego. Ciągłe narażanie organizmu na pył może mieć zły wpływ na organizm ludzki. PM 2.5 (cząstki o wielkości 2,5 mikrometra lub mniejszej) – są to najmniejsze cząstki pyłowe, które mogą być wdychane przez człowieka.
Są tak małe, że mogą przedostawać się przez układ oddechowy i docierać do krwiobiegu, co może prowadzić do poważnych schorzeń układu oddechowego i sercowo-naczyniowego. Ich źródłami mogą być emisje z samochodów, elektrowni, zakładów przemysłowych, a także palenie drewnem, biomasą i innych paliw.
Z pomocą jakich urządzeń będziemy pracować?
Sercem i mózgiem całego prezentowanego układu miernika zanieczyszczeń jest mikrokontroler Arduino Uno.
Arduino jest to platforma typu open source o dużych możliwościach (dzięki potężnej ofercie dedykowanych nakładek, zwanych Arduino Shield), dobrze przygotowane środowisko programistyczne (Arduino IDE) oraz standard wyprowadzeń, z którego korzystają dziesiątki producentów elektroniki z całego świata. Dokumentacja tego mikrokontrolera jest ogólnodostępna na zasadach licencji Creative Commons. Arduino posiada procesor oraz pamięci o dostępie bezpośrednim służące do przechowywania danych.
Ponadto wyposażony jest w pamięć stałą programowalną elektrycznie lub pamięć Flash służącej do przechowywania programów oraz złącza wejścia i wyjścia. Złącza te służą do łączenia mikrokontrolera z innymi elementami elektronicznymi.
Wejścia mogą odbierać zarówno sygnał cyfrowy, jak i analogowy. Środowisko programistyczne IDE (Integrated Development Environment) jest środowiskiem służącym do modyfikowania, konserwacji oprogramowania, tworzenia i testowania. Arduino IDE umożliwia sprawdzenie dowolnie podpiętego czujnika, poprzez wgranie właściwej biblioteki oraz uruchomieniu kodu testowego.
Niesamowicie duża ilość różnych czujników jest kompatybilna z płytką Arduino, dzięki czemu można tworzyć przeróżne urządzenia pomagające mierzyć parametry, które interesują użytkownika m.in: monitorować zanieczyszczenia powietrza.
Zastosowany do projektu czujnik pyłu/stężenia cząstek – monitor czystości powietrza PM2.5 to rozwiązanie firmy Sharp – GP2Y1010AU0F.
Prezentowane rozwiązanie jest czujnikiem optycznym, którego zasada działania polega na wykrywaniu obecności zanieczyszczeń w powietrzu. Człon pomiarowy czujnika ma wbudowaną diodę podczerwoną oraz fototranzystor umieszczony po przekątnej. Czujnik wykrywa światło odbite od cząsteczek zanieczyszczeń zawartych w powietrzu, a także bardzo drobne cząstki np. substancji smolistych zawartych w dymie papierosowym.
Ponadto, czujnik GP2Y1010AU0F umożliwia rozpoznawanie dymu i odróżnienie go od innych zanieczyszczeń dzięki wbudowanemu, impulsowemu wzorcowi napięcia wyjściowego.
Komponenty potrzebne do projektu
Specyfikacja czujnika czystości powietrza:
- Napięcie zasilania: od 0,3 V do 7 V
- Pobór prądu: 20 mA
- Czułość: 0,5 V na 0,1 mg/m³
- Komunikacja: sygnał analogowy
- Temperatura pracy: od -10°C do 65°C
- Wymiary płytki: 46 x 34 x 18 mm
Urządzenie powinno być zaprojektowane w taki sposób, aby mogło być wykonane w małych rozmiarach. Pomiar będzie przedstawiany w miligramach na metr sześcienny (mg/m3). Wynik może być przedstawiany na dodatkowym wyświetlaczu lub monitorowany na ekranie komputera poprzez tzw. serial monitor (takie rozwiązanie zostało zaprezentowane w tym opracowaniu) – z wyświetlaczem byłby to rozwiązanie mobilne, natomiast bez wyświetlacza bardziej dedykowane jest do monitorowania stanowiska pracy wyposażonego w komputer.
W celu wykonania urządzenia należy posiadać następujące elementy poza wspomnianą już płytkę Arduino UNO oraz czujnikiem:
Płytka stykowa
Służy do łączenia przeróżnych układów elektronicznych i jest bardzo wygodnym elementem, ponieważ wykonawca urządzania nie musi lutować układu co oszczędza czas, również jeśli nastąpi taka potrzeba można wielokrotnie rozłączyć daną instalację bez niszczenia jej.
Przewód USB A – B
Służy do połączenia Arduino z komputerem w celu zaprogramowania go.
Kondensator
Kondensator 220uF.
Przewody męsko-męskie
Przewody służące do łączenia układu.
Przechodzimy do projektowania!
Sposób montażu:
Krok 1. Przewód wychodzący z pinu czujnika o numerze 1 łączy się na płytce stykowej z nóżką kondensatora oraz z rezystorem.
Krok 2. Przewód wychodzący z pinu czujnika numer 2 łączy się z kondensatorem na płytce stykowej, następnie przewodem z płytki stykowej łączy się do pozycji GND w sekcji zasilania na płytce Arduino.
Krok 3. Przewód wychodzący z pinu czujnika z pinu numer 3 trafia bezpośrednio na pozycje numer 12 w sekcji digital na płytce Arduino.
Krok 4. Przewód wychodzący z pinu czujnika numer 4 trafia na płytkę stykową gdzie jest połączony z kondesatorem, następnie przewodem z płytki stykowej łączy się z pozycją GND w sekcji zasilania na płytce Arduino.
Krok 5. Przewód wychodzący z pinu czujnika numer 5 trafia bezpośrednio na pozycję A5 w sekcji wejść analogowych.
Krok 6. Przewód wychodzący z pinu numer 6 trafia na płytkę stykową, gdzie łączy się z rezystorem i przewodem trafia na pozycję 5V sekcja zasilania.
Kod programu:
Sprawdzenie poprawności połączeń można dokonać dowolnym multimetrem.
Pomiar napięcia:
Pomiędzy pozycją zasilania 5V a pozycją 12 na sekcji digital. Wynik 5V +/- 0,5%.
Pomiędzy pozycją zasilania 3.3V a pozycją A5. Wynik 3,3V +/- 0,5%.
Pomiędzy pozycją zasilania 5V a pozycja A5. Wynik 5V +/- 0,5%.
Pomiędzy pozycją zasilania 5V a pozycją GND. Wynik 5V +/- 0,5%.
Testy urządzenia
Obserwując na ekranie monitora poprzez serial monitor wyniki można zauważyć, że gęstość pyłu wynosi około 0.07 mg/m3, a napięcie około 1V.
Powodując sytuację, w której może się wydobywać dym (zapalenie kawałka kartki) i odczytując wyniki można zauważyć, że wartość gęstości pyłu wzrosła do 0.53 mg/m3 a napięcie do około 3.7V.
Podsumowanie
Prezentowane rozwiązanie jest przykładem zastosowania technologii mikrokontrolerów. To stworzenie własnych, prostych, użytecznych i praktycznych urządzeń pomiarowych. W przyszłości autor przedstawi funkcjonalne urządzenia takie jak urządzenie do monitorowania temperatury, ciśnienia, monitor energii czy też prosta tania kamera termowizyjna.
