Monitor Kualitas Udara DIY: Detektor Hemat Biaya yang Patuh EPA

Detektor kompak ini menawarkan solusi hemat biaya untuk menilai kualitas udara lingkungan. Ini menargetkan lima polutan utama yang diuraikan oleh Indeks Kualitas Udara EPA—ozon, partikel partikulat, monoksida karbon, sulfur dioksida, dan nitrogen oksida—menyediakan bacaan yang akurat untuk semua kecuali sulfur dioksida, yang tidak dimonitor oleh suite sensor saat ini.

Selain itu, sensor gas kota memperingatkan pengguna tentang kebocoran gas mudah terbakar, sementara modul suhu dan kelembaban mempertimbangkan faktor lingkungan yang mempengaruhi kinerja sensor.

Meskipun perangkat ini belum melalui kalibrasi lengkap, kami telah mengekstrak data awal dari datasheet produsen untuk mengestimasi konsentrasi polutan. Sensor hemat biaya bervariasi secara signifikan dalam presisi, jadi kalibrasi terhadap konsentrasi gas yang dikenal sangat penting untuk hasil yang andal.

Langkah 1: Bahan

Kontrol dan Daya

• Arduino Uno
• Suplai daya 5 V
• LCD shield 16×2 RGB

Sensor

• Shinyei PPD42 Particulate Matter Detector
• MQ-2 Gas Sensor
• MQ-9 Gas Sensor
• MiCS-2714 Gas Sensor (NO₂)
• MiCS-2614 Gas Sensor (O₃)
• Keyes DHT11 Temperature and Humidity Sensor

Kotak dan Pemasangan

• Akses ke printer 3D
• Papan solder
• Kipas 5 V
• 10–15 × kabel 24-gauge

Langkah 2: Diagram Rangkaian Keseluruhan

Diagram di atas menunjukkan rangkaian lengkap yang diperlukan untuk detektor polusi. Sebagian besar koneksi fleksibel—jika Anda perlu menugaskan ulang pin digital atau analog, cukup sesuaikan kode yang menyertainya. Skematik terperinci untuk papan solder akan datang kemudian.

Langkah 3: Sensor Partikulat

Kami menggunakan dua sensor debu Shinyei PPD42 untuk menangkap data partikel halus dan kasar. Setiap sensor menghasilkan dua sinyal digital: satu untuk partikel <2.5 µm dan satu lagi untuk partikel lebih besar. Sensor menerima daya 5 V dan terhubung ke input digital Arduino. Output fotodetektor diubah menjadi persentase okupasi pulsa rendah yang berkaitan langsung dengan konsentrasi partikulat.

Analisis reverse-engineering yang komprehensif oleh Tracy Allen dapat ditemukan di https://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP.pdf.

Langkah 4: Papan Rangkaian Sensor Gas

Diagram di atas menggambarkan papan yang menempatkan sensor gas dan suhu/kelembaban. Sementara papan Anda mungkin berbeda secara fisik, konfigurasi pin dan hubungan daya tetap sama. Kami merekomendasikan menggunakan PCB untuk perangkat permukaan, meskipun solder tangan yang hati-hati di belakang modul juga berkelanjutan.

Langkah 5: Sensor Ozon dan NO₂

Sensor permukaan MiCS-2614 dan MiCS-2714 mendeteksi ozon dan nitrogen dioksida, masing-masing. Elemen sensornya adalah resistor (≈10–20 kΩ) antara pin G dan K. Elemen pemanas terpisah (≈50–60 Ω) menghubungkan pin A dan H untuk mempertahankan suhu operasi optimal.

Ketika solder tanpa PCB, gunakan solder suhu rendah dan terapkan perhatian besar. Dalam skematik, kami menempatkan resistor 82 Ω secara seri dengan pemanas MiCS-2614 dan resistor 131 Ω (atau 120 Ω + 12 Ω secara seri) untuk pemanas MiCS-2714. Resistor sensing membentuk pembagi tegangan dengan resistor 22 kΩ: R_sen = 22 kΩ × (5 V / V_out – 1).

Langkah 6: Sensor Gas Beracun MQ

Unit MQ-2 dan MQ-9 mengukur propana, butana, LPG, dan monoksida karbon. Seperti sensor MiCS, mereka menggunakan resistor sensitif gas berbasis SnO₂ dan pemanas internal. MQ-9 menggunakan transistor untuk mengatur daya pemanas, sedangkan MQ-2 menggunakan resistor tetap.

Lihat skematik papan solder untuk koneksi pin yang tepat: untuk MQ-2, sambungkan pin A ke 5 V, pin G ke ground, dan pin S ke ground melalui resistor 47 kΩ; untuk MQ-9, sambungkan pin A ke transistor, pin B ke 5 V, pin G ke ground, dan pin S ke ground melalui resistor 10 kΩ.

Langkah 7: Sensor Suhu dan Kelembaban

Sensor DHT11 mengukur suhu dan kelembaban, faktor yang sangat mempengaruhi bacaan sensor gas. Pasang sensor sehingga pin kiri terhubung ke 5 V, pin tengah ke pin digital Arduino (port default 2 dalam kode kami), dan pin kanan ke ground. Sesuaikan kode jika Anda menggunakan pin yang berbeda.

Langkah 8: Daya dan Kipas

Seluruh rangkaian hanya membutuhkan satu suplai 5 V, yang dapat disuplai oleh adaptor USB atau dinding umum. Kipas 5 V memastikan aliran udara yang memadai melalui kotak, mencegah sensor terlalu panas.

Langkah 9: Wadah

Kami memproduksi wadah menggunakan printer 3D UP. Berkas STL yang digunakan untuk cetak akhir tersedia untuk diunduh.

Langkah 10: Koding

Skrip Arduino yang disediakan membaca data mentah dari semua sensor, menampilkan nilai resistensi sensor, persentase okupasi pulsa rendah Shinyei, dan bacaan suhu/kelembaban ke serial monitor, dan mengulangi nilai-nilai ini pada layar LCD.

Sebelum mengompilasi, unduh pustaka yang diperlukan: LCD shield library dan DHT sensor library.

Langkah 11: Menafsirkan Data

Kami saat ini menyempurnakan algoritma untuk mengubah output sensor mentah menjadi konsentrasi polutan yang dapat ditindaklanjuti. Kalibrasi terhadap sumber referensi yang dikenal akan sangat penting untuk presisi.

Untuk partikulat, kami menggunakan penelitian oleh David Holstius untuk mengaitkan output Shinyei PPD42 dengan pengukuran EPA:
PM₂.₅ = 5 + 5 × (low-pulse occupancy %).

Resistensi sensor gas ditafsirkan menggunakan kurva yang disediakan dalam datasheet mereka. Untuk unit MQ, penurunan resistensi ke <50 % dari baseline biasanya menyediakan kehadiran gas target; penurunan ke <10 % menunjukkan konsentrasi mendekati 1 000 ppm, mendekati batas regulasi.

Setelah kita mendapatkan konsentrasi perkiraan, kita merujuk pada dokumen teknis EPA dan pedoman CDC untuk mengkontekstualisir risiko kesehatan.

Kode interpretasi lengkap akan dirilis setelah kalibrasi selesai.

Sumber: Air Pollution Detector