Monitor Kualitas Udara DIY – PM2.5, CO2, VOC, Ozon, Temp &Hum Arduino Meter

Pernahkah Anda bertanya-tanya tentang kualitas udara yang Anda hirup, atau mungkin, mengapa Anda terkadang merasa mengantuk di kantor atau lelah di pagi hari bahkan setelah tidur semalaman? Kualitas udara yang buruk dapat menyebabkan banyak efek kesehatan negatif serta dapat menyebabkan kelelahan, sakit kepala, kehilangan konsentrasi, peningkatan detak jantung dan sebagainya. Memantau kualitas udara sebenarnya mungkin lebih penting daripada yang Anda sadari. Jadi, dalam tutorial ini kita akan belajar bagaimana membuat Monitor Kualitas Udara kita sendiri yang mampu mengukur PM2.5, CO2, VOC, Ozon, serta suhu dan kelembaban.

Anda dapat menonton video berikut atau membaca tutorial tertulis di bawah ini.

Ringkasan

Saya akan menjelaskan bagaimana masing-masing parameter kualitas udara mempengaruhi kita dan bagaimana sensor bekerja. Inti dari proyek ini adalah papan Arduino Pro Mini yang dikombinasikan dengan layar sentuh Nextion 2,8” menyediakan antarmuka pengguna yang layak.

Kita dapat melihat pengukuran dari semua sensor secara real time, dan jika kita mengklik sensor tertentu, kita akan mendapatkan nilai dari 24 jam terakhir dari sensor tersebut. Ada juga fungsi peredupan di mana kita dapat menurunkan kecerahan layar atau bahkan mematikannya sepenuhnya. Ini nyaman, misalnya, jika kita ingin melacak kualitas udara di kamar tidur kita pada malam hari.

Kami dapat mematikan layar pada malam hari, dan keesokan harinya kami dapat memeriksa nilai dari setiap sensor satu per satu.

Namun demikian, sekarang saya akan memandu Anda melalui seluruh proses membangunnya dan menjelaskan bagaimana semuanya bekerja. Di akhir video ini, Anda akan dapat membuatnya sendiri. Jadi, mari kita mulai.

Sensor PM2.5 – PMS5003

Perangkat ini memiliki empat komponen utama atau sensor kualitas udara. Kami menggunakan sensor PMS5003 untuk mengukur PM2.5 atau partikel di udara dengan diameter sekitar 2,5 mikron. Partikulat adalah bentuk polusi udara yang paling berbahaya karena dapat menembus jauh ke dalam paru-paru, aliran darah, dan otak, yang menyebabkan banyak masalah kesehatan.

Sensor ini bekerja berdasarkan prinsip hamburan laser. Sensor memiliki kipas yang menciptakan aliran udara terkontrol sehingga partikel lingkungan melewati sinar laser yang terfokus.

Partikulat menyebabkan hamburan cahaya yang dideteksi oleh fotodioda dan kemudian diubah menjadi konsentrasi PM dengan bantuan mikroprosesornya. Menurut saya hasil sensor ini cukup andal dan sepanjang PM2.5 juga dapat menampilkan nilai PM1 dan PM10.

Sensor CO2 – MH-Z19

Selanjutnya, kami menggunakan sensor MH-Z19 untuk mengukur CO2 atau karbon dioksida. Karena orang mengeluarkan karbon dioksida saat bernafas, konsentrasi CO2 di dalam ruangan dapat dengan mudah menjadi sangat tinggi. CO2 tidak hanya berbahaya dalam konsentrasi tinggi, tetapi juga dapat menyebabkan kantuk, kelelahan, penurunan tingkat produktivitas kita dan sebagainya.

Sensor ini menggunakan prinsip inframerah non-dispersif untuk mengukur CO2 di udara. Sumber inframerah mengarahkan cahaya melalui tabung yang diisi dengan udara yang kita ukur. Di sisi lain sumber inframerah, terdapat filter optik dan detektor inframerah yang mengukur jumlah cahaya inframerah yang melewatinya.

Molekul gas CO2 yang ada di udara yang kita ukur menyerap pita cahaya IR tertentu sambil membiarkan beberapa panjang gelombang melewatinya. Jadi, tingkat CO2 dihitung berdasarkan perbedaan antara jumlah cahaya yang dipancarkan dan jumlah cahaya IR yang diterima oleh detektor. Hasil dari sensor ini juga cukup akurat.

Sensor VOC dan Ozon – MP503 dan MQ-131

Untuk mengukur VOC dan Ozon kami menggunakan sensor gas MP503 dan MQ131. Ini adalah sensor oksida logam yang dipanaskan dan prinsip kerjanya didasarkan pada pendeteksian perubahan resistansi dengan adanya gas yang ditargetkan.

Arus listrik tertentu melewati substrat logam dan hambatannya berubah sesuai dengan jumlah gas yang ada.

Gas target sensor MQ131 hanyalah Ozon, yang dalam rumah tangga biasa dapat dihasilkan oleh produk seperti pembersih udara tertentu, steamer wajah, lampu kuman yang menghasilkan sinar ultraviolet, dan sebagainya.

Di sisi lain, sensor MP503 memiliki beberapa gas target, termasuk alkohol, asap, iso-butana, metanal, dan lainnya. VOC adalah singkatan dari Volatile Organic Compounds dan ini adalah emisi organik dari produk yang kita gunakan sehari-hari seperti deterjen, pembersih, penyegar udara, cat, makeup, dan sebagainya. VOC dapat menyebabkan banyak efek kesehatan negatif termasuk sakit kepala, iritasi pada mata, reaksi kulit, pusing, dan sebagainya.

Pemantau Kualitas Udara Arduino DIY – Diagram Sirkuit

Namun demikian, mari kita lihat diagram sirkuit sekarang dan jelaskan bagaimana segala sesuatu perlu dihubungkan.

Anda bisa mendapatkan komponen yang dibutuhkan untuk monitor kualitas udara Arduino ini dari tautan di bawah ini:

• Sensor PMS5003 PM …………………….
• Sensor CO2 MH-Z19 ……………………..
• Sensor Ozon MQ-131 …………………..
• Sensor VOC MP503 ……………………….
• Sensor Suhu &Hum DHT22………….
• Berikutnya 2.8″ Tampilan ……………………..
• DS3231 RTC ………………………………….
• Arduino Pro Mini………………..…….…..
• Jarak / Spacer Nuts M3 ……………
• Konektor Mini USB …………………….
• Sematkan header ………………………………….
• 2 Sakelar posisi …………………………
• Nilai kapasitor:keramik 0,1uF dan elektrolit 10uF
• Transistor – 2N3904
• Beralih

Pengungkapan:Ini adalah tautan afiliasi. Sebagai Associate Amazon, saya memperoleh penghasilan dari pembelian yang memenuhi syarat.

Nilai resistor yang benar:  R1 =1K, R2 =2K, R6=100K atau 1M, R7=1K

Sensor PM2.5 berkomunikasi dengan Arduino melalui antarmuka serial. Ini bekerja pada 5V, tetapi level logika RX yang diterima bekerja pada 3,3v, jadi oleh karena itu kami membutuhkan pembagi tegangan untuk itu. Sensor CO2 dan tampilan Nextion juga menggunakan komunikasi serial. Untuk membaca VOC dan sensor Ozon kami menggunakan input analog dari Arduino, sedangkan sensor suhu dan kelembaban DHT22 menggunakan pin digital untuk tujuan itu.

Kedua transistor tersebut digunakan untuk mengaktifkan sensor pemanas. Kami juga menggunakan modul Jam Waktu Nyata untuk melacak waktu saat menyimpan nilai sensor, dan menggunakan komunikasi I2C. Seluruh perangkat diberi daya dengan 5V melalui konektor Mini USB.

Lihat juga: 8 Starter Kit Arduino Terbaik [Pembaruan 2021]

Sekarang jika kita mencoba menghubungkan semuanya bersama-sama, kita akan menjadi sangat kacau karena banyaknya koneksi.

Jadi, kami pasti membutuhkan PCB untuk proyek ini.

Membuat PCB untuk Monitor Kualitas Udara Arduino

Untuk membuat PCB untuk proyek ini, saya akan menggunakan Altium Designer yang sebenarnya adalah sponsor dari video ini.

Altium Designer mewakili dekade inovasi dan pengembangan yang didedikasikan untuk menciptakan lingkungan desain yang benar-benar terpadu. Mencapai keseimbangan sempurna antara kekuatan dan kemudahan penggunaan, Altium Designer telah mengamankan posisinya sebagai solusi desain PCB yang paling banyak digunakan di pasar.

Sekarang saya akan menunjukkan kepada Anda bagaimana saya mendesain PCB untuk proyek ini menggunakan Altium Designer. Saya mulai dengan membuat skema untuk proyek tersebut. Altium Designer memiliki pustaka bawaan dengan komponen elektronik dasar, tetapi lebih baik lagi Anda dapat mencari komponen langsung dari produsen yang membuat sumber komponen untuk proyek Anda menjadi sangat nyaman.

Sebagai contoh, saya menemukan konektor Mini USB menggunakan fitur Pencarian Suku Cadang Produsen ini. Dari sini Anda juga dapat dengan mudah mendapatkan akses ke data yang terkait dengan komponen, seperti model 3D, footprint, dimensi, dll.

Anda juga dapat membuat pustaka komponen Anda sendiri. Saya membuat sebagian besar komponen untuk proyek ini sendiri, karena saya ingin membuat jejak kaki 3D saya sendiri untuk setiap bagian sehingga pada akhirnya, saya akan mendapatkan keseluruhan PCB dalam 3D. Untuk membuat model 3D untuk footprint PCB, Anda dapat menggunakan perangkat lunak CAD apa pun, menyimpan file sebagai file .STEP dan mengimpornya di Altium Designer.

Setelah saya menyelesaikan skema, saya membuat PCB. Saya mengatur komponen sesuai keinginan, dan hanya dengan satu klik sederhana menggunakan fitur Rute Otomatis, perangkat lunak menghasilkan semua jejak secara otomatis.

Jika diperlukan, kita dapat membuat atau menyesuaikannya secara manual. Juga, kita dapat mengatur aturan desain bagaimana perutean otomatis akan membuat jejak, mengatur lebar yang berbeda untuk setiap jaring dan sebagainya. Pada titik ini kita juga melihat PCB dalam bentuk 3D dan mengekspor file 3D dari keseluruhan perakitan PCB yang akan digunakan untuk mendesain casing nanti.

Namun demikian, saya ingin berterima kasih kepada Altium karena telah mensponsori konten pendidikan seperti ini. Jika Anda ingin mengetahui lebih lanjut tentang perangkat lunak ini dan juga mencobanya, Anda dapat melihat tautan di bawah ini. Anda juga dapat mencoba penampil Altium 365 berbasis web untuk pratinjau dan file proyek.

Uji coba gratis Altium Designer – https://www.altium.com/yt/howtomechatronics
Penampil Altium 365:https://www.altium.com/viewer

Berikut adalah file proyek Altium Designer:

File Altium Designer termasuk file proyek, perpustakaan, dan file .STEP model 3D komponen elektronik:

File PCB Gerber:

Oke, jadi setelah saya menyelesaikan PCB, saya membuat file Gerber dan NC Drill, memasukkannya ke dalam satu file zip, dan saya siap memesan PCB untuk diproduksi.

Saya memesan PCB dari JCLPCB. Di sini kita cukup drag dan drop file zip dan setelah diunggah kita akan mendapatkan semua informasi visual tentang PCB kita.

Kemudian kita dapat memilih properti yang kita inginkan dan memesan PCB dengan harga yang wajar.

Merakit PCB

Setelah beberapa hari PCB telah tiba. Kualitas PCB sangat bagus dan semuanya sama persis dengan desainnya.

Jadi, sekarang kita siap untuk mulai merakit PCB. Saya mulai dengan memasukkan dan menyolder komponen yang lebih kecil terlebih dahulu, resistor dan dua transistor.

Kemudian kita bisa menyolder board Arduino Pro Mini pada tempatnya. Namun, pertama-tama kita perlu menyolder pin header ke sana. Harap dicatat bahwa kami tidak membutuhkan semua pinnya, tetapi pastikan Anda tidak melewatkan pin yang kami butuhkan seperti pin A4, A5, dan DTR. Pastikan juga Anda memiliki papan Arduino Pro Mini yang sama persis dengan tata letak pin ini, karena pin terkadang bisa berbeda.

Selanjutnya, kita bisa memasukkan sensor DHT22 pada tempatnya. Untuk tujuan itu, pertama-tama kita perlu menekuk pinnya 90 derajat. Terkadang saya juga menggunakan perekat Blu-tack untuk menjaga komponen tetap di tempatnya saat menyolder.

Dua kapasitor yang digunakan dalam proyek ini adalah untuk menstabilkan catu daya. Daya ke papan akan berasal dari konektor mini-USB yang dapat kita sambungkan 5V.

Tepat di atas konektor catu daya kita perlu menyolder kedua sakelar. Salah satunya untuk menghidupkan dan mematikan perangkat, dan yang lainnya digunakan ketika kita ingin mengunggah sketsa ke papan Arduino. Kemudian kita dapat memasukkan pin header untuk antarmuka USB ke UART, layar dan sensor PM2.5, serta sensor VOC, Ozon, dan CO2 di tempatnya.

Selanjutnya untuk menyolder kembali modul DS3231 Real Time Clock, pertama kita perlu menekuk pin 90 derajat. Setelah disolder, kita dapat memasukkan baterai yang melacak waktu bahkan ketika PCB utama kehilangan daya. Dengan ini PCB benar-benar selesai, dan yang tersisa untuk dilakukan sekarang adalah menyiapkan kabel yang akan kita gunakan untuk menghubungkan sensor PM2.5 dan tampilan ke PCB. Saya menyolder pin header jantan ke kabel yang disertakan dengan sensor, sehingga saya dapat dengan mudah menghubungkannya ke PCB. Untuk menyambungkan layar ke PCB, saya menyolder empat kabel ke sisi belakang konektor layar, lalu menyambungkannya ke PCB.

Dan hanya itu, Monitor Kualitas Udara kami benar-benar selesai. Tentu saja, yang perlu kita lakukan sekarang adalah membuat semacam kotak atau kasing untuknya. Karena kami memiliki model 3D dari keseluruhan perakitan PCB dari Altium Designer, kami dapat mengimpornya dalam perangkat lunak CAD dan mendesain casing untuknya.

Saya menggunakan SOLIDWORKS untuk tujuan itu, dan membuat kasing sesederhana mungkin yang terdiri dari hanya dua bagian dan beberapa baut dan mur. Saya memutuskan untuk membuat casing menggunakan akrilik transparan karena saya menyukai tampilan PCB dan komponennya dan juga merupakan cara yang bagus untuk memamerkan proyek DIY Anda.

Anda dapat mengunduh model 3D Monitor Kualitas Udara DYI ini, serta menjelajahinya di browser Anda di Thangs.

Unduh model 3D di Thans.

Membuat Kasus untuk Monitor Kualitas Udara

Akrilik yang akan saya gunakan adalah tick 4mm yang sangat pas dengan tampilan. Karena saat ini saya tidak memiliki mesin CNC, saya memotong bentuk secara manual menggunakan gergaji besi sederhana.

Untuk membuat bukaan pajangan, pertama saya buat dua lubang dengan bor. Kemudian saya melewati pisau dari gergaji besi mini dan dengan hati-hati memotong bentuknya. Menggunakan serak sederhana, saya menghaluskan bentuknya. Kemudian menggunakan bor 3mm saya membuat semua lubang untuk memasang PCB dan menghubungkan kedua pelat akrilik bersama-sama.

Pada titik ini, saya melepaskan foil pelindung dari akrilik yang, dan sejujurnya, itu adalah proses yang cukup memuaskan. Untuk memasang PCB ke pelat dasar, saya menggunakan beberapa baut dan mur M3. Untuk memasang sensor PM2.5 ke pelat kita membutuhkan baut M2.

Selanjutnya, dengan menggunakan beberapa mur jarak, kita dapat menyatukan kedua pelat tersebut. Dengan menggunakan satu mur jarak betina dan satu jantan, saya dapat dengan mudah mendapatkan jarak yang diinginkan antara dua piring.

Saya pribadi sangat menyukai bagaimana kasus ini ternyata, ditambah lagi, ini berfungsi karena udara dapat dengan mudah bersirkulasi di sekitar sensor.

Pemrograman

Baiklah, jadi sekarang kita bisa menyalakan perangkat dan mengunggah program. Kami dapat memberi daya pada monitor kualitas udara melalui konektor Mini USB dan kami dapat memperoleh tegangan 5 volt dari adaptor USB 5V, pengisi daya ponsel 5V, atau bank daya.

Untuk mengunggah program ke papan Arduino Pro Mini, kita memerlukan antarmuka UART USB ke serial yang dapat dihubungkan ke header pemrograman. Sebelum menghubungkannya ke USB komputer, pertama-tama kita harus menghidupkan daya utama perangkat, karena jika tidak, daya yang berasal dari USB komputer yang hanya 500mA mungkin tidak cukup untuk bekerja dengan baik. Saat mengunggah sketsa Arduino, kita juga perlu mengaktifkan sakelar pengunggahan pada PCB.

Di sini Anda dapat mengunduh Kode Arduino dan Program Tampilan Berikutnya:

Untuk mengunggah sketsa ke papan Arduino Pro Mini, di Arduino IDE pertama-tama kita harus memilih papan ini, pilih versi prosesor yang tepat, pilih port dan pilih metode pemrograman ke “USBasp”.

Setelah kami mengunggah kode ke Arduino, kami juga perlu mengunggah kode ke tampilan Nextion. Layar berikutnya memiliki pengontrol ARM bawaan yang sebenarnya mengontrol tampilannya sendiri.

Semua grafik seperti tombol, teks, gambar, variabel, dan sebagainya, dihasilkan dan dikendalikan oleh tampilan itu sendiri. Layar Nextion memiliki editor Nextion khusus tempat kami dapat membuat semua item ini. Tampilan dan komunikasi Arduino hanya dengan dua kabel menggunakan komunikasi serial. Arduino cukup mengirimkan nilai dari sensor ke layar dan sebaliknya, layar mengirimkan data ke Arduino saat dibutuhkan.

Untuk mengunggah program tampilan, kami memerlukan kartu microSD tempat kami dapat menyimpan file .TFT keluaran dari editor Nextion.

Layar memiliki pembaca kartu di mana kita dapat memasukkan kartu microSD saat daya dimatikan. Kemudian kita dapat menyalakan perangkat dan program akan diunggah ke layar. Sekarang kita hanya perlu mengeluarkan kartu, menyalakan daya lagi, dan monitor kualitas udara kita akan mulai bekerja.

Penjelasan kode

Jadi, kami menggunakan perpustakaan untuk setiap sensor dan yang dapat ditemukan di tautan berikut, MHZ19, PMS, MQ131, DHT, DS3231. Untuk lebih memahami bagaimana kami membaca data dari setiap sensor, saya sarankan untuk membaca dokumentasi perpustakaan dan mencoba contohnya.

Kami juga menggunakan pustaka SoftwareSerial karena sensor MH-Z19 dan PMS5003 menggunakan komunikasi serial. Tampilan Arduino dan Nextion juga menggunakan port serial untuk komunikasi dan dalam hal ini kita menggunakan default, serial hardware.

Jadi, Arduino membaca sensor dan mengirimkan data tersebut ke tampilan Nextion. Ini contohnya.

Serial.print("tempV.val=");
Serial.print(temp);
Serial.write(0xff);
Serial.write(0xff);
Serial.write(0xff);Code language: Arduino (arduino)

Jadi kami memiliki variabel di tampilan berikutnya yang disebut "tempV" dan untuk memperbarui nilainya, kami perlu mengirim perintah ke berikutnya sebagai berikut "tempV.val=22". Jadi nama variabel, lalu ".val", lalu nilainya, katakanlah 22. Dua baris pertama dari kode melakukan itu, dan agar tampilan Nextion menerima perintah ini atau sebenarnya perintah apa pun, kita perlu mengirim tiga unik perintah “tulis”.

Dalam program tampilan Nextion, kami memiliki timer yang berjalan dalam satu lingkaran, seperti loop kode Arduino, dan terus-menerus memperbarui angka-angka pada tampilan.

Dalam acara pengatur waktu ini kami juga memiliki kode untuk mengubah warna latar belakang untuk setiap sensor tergantung pada nilainya.

Pada halaman kedua kami memiliki bentuk gelombang, yang mendapatkan nilai dari nilai yang disimpan dari Arduino. Harap dicatat bahwa Anda dapat menemukan info lebih lanjut tentang kode Arduino itu sendiri karena ada penjelasan di komentar kode.

Jam dan nilai sumbu Y juga mendapatkan nilainya dari Arduino.

Di atas bentuk gelombang, serta angka-angka di layar utama, Anda dapat melihat kami memiliki objek transparan, yang disebut "Hotstops" di editor Nextion, dan mereka bertindak sebagai tombol. Jika kita menekan hotstop pada waveform, kita dapat melihat di bagian Event bahwa ia mengirim kita kembali ke “halaman 0”.

Secara keseluruhan, begitulah cara kerja program pemantau kualitas udara Arduino ini. Tentu saja, untuk sepenuhnya memahami cara kerjanya, Anda perlu mempelajari dan mengetahui cara kerja setiap sensor dengan library-nya, serta cara kerja tampilan Nextion.

Harap dicatat bahwa untuk sensor VOC kami hanya membaca data mentah dari sensor ini, bukan nilai ppm atau ppb. Hanya nilai analog dari 0 hingga 1024. Nilai yang lebih tinggi berarti ada keberadaan VOC.

Sedangkan untuk sensor Ozon, untuk mendapatkan output yang lebih akurat, kita harus menyetel nilai setTimeToRead()  dan setR0() dengan benar sesuai dengan contoh kalibrasi library. Namun, setTimeToRead yang lebih lama berarti program akan diblokir saat pengambilan sampel dan yang lainnya akan dibekukan. Tentu saja, ada cara untuk menyiasatinya. Saya bahkan menyarankan untuk tidak menggunakan sensor ozon sama sekali kecuali Anda benar-benar membutuhkannya.

Saya harap Anda menikmati video ini dan belajar sesuatu yang baru. Jika Anda melakukannya, pertimbangkan untuk mendukung saya di Patreon. Jangan ragu untuk mengajukan pertanyaan apa pun di bagian komentar di bawah dan periksa Koleksi Proyek Arduino saya.