Urządzenie do pomiarów zanieczyszczenia powietrza

Czas czytania: 4 min.

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.

Arduino Uno Rev3.

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.

Czujnik pyłu / stężenia cząstek - monitor czystości powietrza PM2.5.

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.

Jak oceniasz ten wpis blogowy?

Kliknij gwiazdkę, aby go ocenić!

Średnia ocena: 4.9 / 5. Liczba głosów: 10

Jak dotąd brak głosów! Bądź pierwszą osobą, która oceni ten wpis.

Podziel się:

Picture of Witold Krieser

Witold Krieser

Doktor nauk technicznych, doradca zawodowy, posiada uprawnienia w zakresie zarządzania systemami informatycznymi. Pasjonat nowoczesnych technologii, egzaminator OKE, ECDL, ekspert MEN oraz audytor. Na co dzień wykładowca akademicki i nauczyciel oraz miniprzedsiębiorca.

Zobacz więcej:

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Ze względów bezpieczeństwa wymagane jest korzystanie z usługi Google reCAPTCHA, która podlega Polityce Prywatności oraz Warunkom użytkowania.