wersja mobilna

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

Agri-Stick - urządzenie do monitorowania parametrów gleby w rolnictwie

Numer: Lipiec/2019

Agri-Stick to prosty zespół sensorów podstawowych parametrów gleby, które przydatne są w rolnictwie. Urządzenie to zostało opracowane przez Kavinkumara Nkl z Indii, jako sposób na proste i niedrogie zdalne monitorowanie upraw - w ten sposób rolnicy w Indiach nie muszą jeździć na pola, żeby sprawdzić, czy konieczne jest włączenie systemu nawadniającego czy nie. Rozwiązanie opisane w tym artykule może służyć jako inspiracja ...

Stacja pogodowa na Raspberry Pi

Numer: Czerwiec/2019

Fundacja Raspbery Pi wysłała do szkół na całym świecie ponad 10 tysięcy stacji pogodowych opartych na module HAT z zestawem potrzebnych sensorów. Teraz każdy w domu może skonstruować taką stację pogodową na bazie zaproponowanych modułów z sensorami lub po prostu samodzielnie łącząc układy scalone z komputerem jednopłytkowym Raspberry Pi.

Programowany kolorowy wskaźnik poziomu napięcia

Numer: Czerwiec/2019

Wskaźniki służą do sygnalizacji stanu obserwowanej wielkości fizycznej. Zamiast szczegółowego wyniku pomiaru, wskaźnik przekazuje informację ogólną, co często jest dużo praktyczniejsze. Ten projekt pokazuje, jak można zastosować płytkę NUCLEO do budowy wskaźnika poziomu napięcia wykorzystującego do sygnalizacji diody WS2812B. Urządzenie jest proste w budowie, z dowolnie programowalnymi progami, których przekroczenie będzie ...

KindleBerry Pi

Numer: Czerwiec/2019

Lubicie czasem posiedzieć z laptopem w parku? Albo popracować zdalnie w barze przy plaży lub latem w kawiarni, w malowniczej miejscowości skąpanej w słońcu? Brzmi fajnie, nie? Niestety, ci co spróbowali, szybko odkryli, że słońce i laptop to nie jest dobre połączenie - klasyczne ekrany LCD nie nadają się do pracy przy dużym nasłonecznieniu. Gdyby tylko mieć laptop z ekranem EPD? W artykule pokazujemy, jak zbudować ...

Laserowy, bezprzewodowy sensor smogu dla Raspberry Pi

Numer: Maj/2019

W jednym z poprzednich numerów zaprezentowany został projekt sensora smogu z bezprzewodową technologią Bluetooth Low Energy. Wyposażony w dokładny, laserowy czujnik PMS7003 umożliwia on wykonywanie zdalnych pomiarów zawartości pyłów zawieszonych w powietrzu. Mierzy też temperaturę i wilgotność względną, korzystając z precyzyjnego układu SHT20. Prezentację wyniku pomiaru powierzono aplikacji BBair, która na ekranie smartfonu ...

Mobilna
Elektronika
Praktyczna

Elektronika Praktyczna

Lipiec 2019

PrenumerataePrenumerataKup w kiosku wysyłkowym

Elektronika Praktyczna Plus

lipiec - grudzień 2012

Kup w kiosku wysyłkowym