wersja mobilna | kontakt z nami

Wskaźnik zanieczyszczenia powietrza

Numer: Sierpień/2018

W ostatnim czasie tematyka czystości powietrza nabrała dużego znaczenia. Przyczyną tego był smog, którego doświadczyli mieszkańcy wielu miast. Jednak zanieczyszczenie powietrza to nie tylko smog. Branża elektroniczna wymaga pod tym względem szczególnej uwagi. Hale produkcyjne, stanowiska montażowe, stosowane tam narzędzia oraz chemia powodują powstawanie dymu, oparów i pyłu, które mogą być szkodliwe dla zdrowia. Prezentowane urządzenie pozwoli skontrolować czystość powietrza tam, gdzie mieszkamy lub pracujemy.

Pobierz PDF

rys1Powietrze zanieczyszczają substancje gazowe, ciekłe oraz stałe. Naturalnym zjawiskiem jest istnienie w powietrzu substancji w gazowym stanie skupienia. Ciecze i ciała stałe mogą występować w powietrzu tylko w postaci malutkich cząstek – tzw. pyłu zawieszonego PM (particulate matter) zwanego także aerozolem atmosferycznym. W zależności od wielkości ziaren powszechnie stosuje się podział na:

PM2,5 – pył o wielkości cząstek 2,5 mikrometra lub mniejszej, są to głównie stosunkowo reaktywne związki organiczne i nieorganiczne.

PM10 – wszystkie cząstki o wielkości 10 mm lub mniejszej (czyli także PM2,5), są to głównie stosunkowo obojętne chemicznie związki, takie jak na przykład krzemionka.

TSP (total suspended particulates) – całkowity pył zawieszony, czyli wszystkie aerozole, o średnicy cząstek zarówno poniżej, jak i powyżej 10 mm.

rys2Na rysunku 1 pokazano porównanie pyłów typu PM2,5 oraz PM10 ze średnicą ludzkiego włosa, natomiast na fotografii 2 zdjęcia cząsteczek zanieczyszczeń wykonane mikroskopem elektronowym.

Metody pomiarów

Najbardziej precyzyjną metodą pomiaru ilości pyłu zawieszonego jest metoda grawimetryczna, zwana również metodą manualną (referencyjną). W dużym uproszczeniu, metoda ta polega na obliczeniu różnicy ciężaru filtra po ekspozycji i przed ekspozycją. Ekspozycja polega na tym, że przez filtr przepływa określona ilość powietrza, a zawarty w nim pył zatrzymuje się na filtrze. W ten sposób jest możliwe obliczenie stężenia pyłów, które jest wyrażane w mikrogramach na metr sześcienny [mg/m3].

Metoda grawimetryczna jest bardzo dokładna, ale za to bardzo czasochłonna, natomiast aparatura pomiarowa kosztowna. Dla uzyskania pomiarów o mniejszej dokładności stosuje się inne rozwiązania. Jednym z nich są laserowe czujniki pyłu.

Głównym elementem laserowego czujnika pyłu jest kanał, którym przepływa powietrze. Strumień powietrza jest oświetlony laserem o określonych parametrach. Cząsteczki stałe znajdujące się w powietrzu powodują pochłonięcie lub odbicie części światła, więc jego natężenie maleje. Element światłoczuły wykrywa różnicę natężenia światła i na tej podstawie jest obliczana zawartość cząsteczek zanieczyszczających powietrze. Opisaną zasadę działania zilustrowano na rysunku 3.

rys3Budowa urządzenia

W opisywanym urządzeniu, którego schemat zamieszczono na rysunku 4, zastosowano laserowy czujnik pyłu zawieszonego o symbolu PMSA003. Czujnik wymaga zasilania napięciem 5 V, ma niewielkie wymiary, zapewnia bardzo szybką reakcję i potrafi zmierzyć stężenie w trzech zakresach: PM1,0/PM2,5/PM10. Informacje przesyłane są interfejsem UART o poziomie 3,3 V, dlatego chcąc połączyć sensor z płytką Arduino UNO należy zastosować odpowiedni konwerter napięcia. Lepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie płytki bazowej pracującej w standardzie 3,3 V. Tu doskonałym wyborem jest płytka AVT1620 z mikrokontrolerem LPC1114.

Aby wyniki pomiarów zaprezentować w estetyczny i czytelny sposób, zastosowano kolorowy wyświetlacz TFT o przekątnej 1,8 cala. Nieco trudności może sprawić przyłączenie czujnika, ponieważ ma on złącze goldpin o gęstym rastrze – 1,27 mm. W zestawie z czujnikiem otrzymujemy odpowiednie gniazdo .Przy odrobinie cierpliwości można do niego przylutować poczwórne gniazdo goldpin o standardowym rastrze 2,54 mm i wtedy można dołączyć standardowe przewody. Opis złącza pokazano na rysunku 5.

Program sterujący

Czujnik PMSA003 został wyposażony w interfejs UART. Komunikacja może odbywać się w dwóch trybach:

- Pasywnym (passive) – wtedy dane przesyłane będą tylko w odpowiedzi na komendę z układu nadrzędnego – hosta.
- Aktywnym (active) – dane przesyłane będą automatycznie co ok. 2 sekundy.

rys4Po włączeniu zasilania domyślnie jest uruchamiany tryb aktywny. Dodatkowa właściwość tego trybu polega na tym, że w wypadku znacznej zmiany poziomu zanieczyszczenia powietrza następuje zwiększenie częstotliwości pomiarów - kolejne wyniki są przesyłane co około 0,5 sekundy.

Parametry komunikacji UART to: 9600, 8, none, 1. Dane przesyłane są w postaci ramek o długości 32 bajtów. Ich znaczenie opisuje tabela 1. Z ramki można odczytać gotowe wyniki pomiaru wartości PM1,0, PM2,5 oraz PM10 policzone dla różnych warunków.

Urządzenie wykonano do pomiaru zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniach, dlatego wykorzystuje informacje z bajtów od 5 do 10 i obrazuje w postaci 3 słupków. Na słupkach zaznaczone są poziomy dopuszczalne stę?e?. Gdy wskazanie przekroczy dopuszczaln? warto??, wype?nienie s?upka zmienia kolor na?czerwony, jak pokazano na?żeń. Gdy wskazanie przekroczy dopuszczalną wartość, wypełnienie słupka zmienia kolor na czerwony, jak pokazano na fotografii 6.

Podsumowanie

Dzięki zastosowaniu wyspecjalizowanego czujnika możliwe stało się zmierzenie parametru, który należy do grupy parametrów trudnych do zmierzenia. Dlatego nasuwa się pytanie czy taka uproszczona metoda jest równie dokładna jak metoda referencyjna? Zasadniczą wadą laserowych czujników zanieczyszczeń powietrza jest to, że nie odróżniają cząsteczek zanieczyszczeń od cząsteczek wody zawartych w powietrzu, która nie jest zanieczyszczeniem powietrza. Dlatego wilgotność powietrza będzie wpływała na wyniki pomiarów, czasami w bardzo dużym stopniu. Jednak nie jest to wada która, dyskwalifikuje taką metodę pomiarową. W Internecie można znaleźć wiele gotowych urządzeń działających na podobnej zasadzie, więc i nasz „gadżet” nie jest bezużyteczny.

KS
ep@prolab.waw.pl

tab1

Pozostałe artykuły

Budowa projektora DLP z użyciem Raspberry Pi 3 oraz modułu TI LightCrafter Display 2000

Numer: Wrzesień/2018

Już od dobrych kilkunastu lat na rynku komponentów elektronicznych mamy do czynienia z rewolucją w obszarze układów mikroelektromechanicznych (MEMS). Układy te, jeszcze kilka lat temu znane wyłącznie z zastosowań w mikrofonach i czujnikach ciśnienia, dziś są niemal nieodłącznym elementem większości urządzeń mobilnych. Badania prowadzone nad układami MEMS (pod kątem ich miniaturyzacji, nowych obszarów zastosowań i obniżenia kosztów ...

Arduino z RFID

Numer: Wrzesień/2018

Znaczniki RFID to bardzo wygodna technologia do zbliżeniowego sterowania urządzeniami elektronicznymi. Świetnie sprawdzają się w systemach kontroli dostępu, ale mogą mieć i inne zastosowania. Korzystając z gotowych modułów, można ją z łatwością zaimplementować przy użyciu Arduino. W artykule opisano łatwy do wykonanie projekt, który demonstruje, jak połączyć ze sobą Arduino, moduł RFID i miniaturowy wyświetlacz OLED.

Serwer WWW z elementami grafiki 3D (2)

Numer: Sierpień/2018

W drugiej części artykułu kontynuujemy tematykę praktycznego użycia pakietów Node.js oraz Three.js w urządzeniach wbudowanych pracujących pod kontrolą system operacyjnego Linux. Dotychczas zostały omówione zagadnienia instalacji frameworku Node.js, przygotowania prostego serwera WWW z podziałem na funkcje front-end/back-end, komunikacji z wykorzystaniem socket.io, a także tworzenia i odczytu danych z procesów potomnych. W artykule, na ...

Serwer WWW z elementami grafiki 3D (1). Praktyczne wykorzystanie pakietów Node.js oraz Three.js w systemach wbudowanych

Numer: Lipiec/2018

Jedną z niewątpliwych zalet wykorzystania systemu operacyjnego Linux w procesie projektowania urządzeń wbudowanych jest szybki i łatwy dostęp do otwartych, darmowych i wolnych (w sensie wolności) repozytoriów oprogramowania implementujących m.in. rozbudowane stosy graficzne, protokoły sieciowe czy złożone algorytmy obliczeń. Fakt ten odgrywa szczególnie ważną rolę, kiedy zadanie stawiane przed naszym urządzeniem może zostać chociaż ...

Jak zastąpić wyświetlacz LCD monitorem HDMI w systemie embedded i.MX6ULL z Linkusem

Numer: Czerwiec/2018

Współcześni klienci przyzwyczajeni do kolorowych interfejsów smartfonów coraz częściej domagają się od producentów systemów embedded, aby nawet najprostsze urządzenia były wyposażone w kolorowy interfejs graficzny. Tego typu rozwiązania najwygodniej jest realizować jest z wykorzystaniem tanich komputerów SOM z procesorami aplikacyjnymi działającymi pod kontrolą systemu Linux. W przypadku niewielkich wolumenów okazuje się, że ...

Mobilna
Elektronika
Praktyczna

Elektronika Praktyczna

Luty 2019

PrenumerataePrenumerataKup w kiosku wysyłkowym

Elektronika Praktyczna Plus

lipiec - grudzień 2012

Kup w kiosku wysyłkowym