Monitor de calidad del aire de bricolaje: medidor Arduino para PM2.5, CO2, VOC, ozono, temperatura y humedad

¿Alguna vez te has preguntado sobre la calidad del aire que respiras, o quizás por qué a veces te sientes somnoliento en la oficina o cansado por la mañana aunque hayas dormido toda la noche? La mala calidad del aire puede tener muchos efectos negativos para la salud, provocando fatiga, dolores de cabeza, pérdida de concentración, aumento del ritmo cardíaco, etc. En realidad, monitorear la calidad del aire puede ser más importante de lo que cree. Entonces, en este tutorial aprenderemos cómo construir nuestro propio monitor de calidad del aire que puede medir PM2.5, CO2, VOC, ozono, así como temperatura y humedad.

Puede ver el vídeo a continuación o leer el tutorial escrito a continuación.

descripción general

Te explicaré cómo nos afecta cada uno de los parámetros de calidad del aire y cómo funcionan los sensores. El cerebro de este proyecto es una placa Arduino Pro Mini, que ofrece una interfaz de usuario decente cuando se combina con una pantalla táctil Nextion de 2,8 pulgadas.

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Dicho esto, ahora lo guiaré a través de todo el proceso de construcción y le explicaré cómo funciona todo. Al final de este vídeo podrás construir uno tú mismo. Entonces empecemos.

El sensor PM2.5 – PMS5003

Este dispositivo tiene cuatro componentes principales o sensores de calidad del aire. Utilizamos el sensor PMS5003 para medir PM2,5, o partículas en el aire, de aproximadamente 2,5 micrones de diámetro. El polvo fino es la forma más dañina de contaminación del aire, ya que puede penetrar profundamente en los pulmones, el torrente sanguíneo y el cerebro, causando muchos problemas de salud.

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El sensor de CO2 – MH-Z19

A continuación, utilizamos el sensor MH-Z19 para medir CO2 o dióxido de carbono. Debido a que los humanos emiten dióxido de carbono cuando respiran, las concentraciones de CO2 en interiores pueden llegar a ser muy altas fácilmente. El CO2 no sólo es peligroso en altas concentraciones, sino que también puede provocar somnolencia, fatiga, reducción de la productividad, etc.

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Los sensores de COV y ozono: MP503 y MQ-131

Utilizamos los sensores de gas MP503 y MQ131 para medir VOC y ozono. Se trata de sensores de óxidos metálicos calentados, cuyo principio de funcionamiento se basa en detectar cambios de resistencia en presencia de determinados gases.

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El gas objetivo del sensor MQ131 es únicamente ozono, que puede producirse en un hogar normal mediante productos como ciertos purificadores de aire, vaporizadores faciales, lámparas germicidas que producen luz ultravioleta, etc.

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Monitor de calidad del aire DIY Arduino – Diagrama de circuito

De todos modos, echemos un vistazo al diagrama del circuito y expliquemos cómo se debe conectar todo.

Puede>

• Sensor de PM PMS5003……………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Sensor de CO2 MH-Z19…………………….. Amazon / Banggood / AliExpress
• Sensor de Ozono MQ-131…………………….. Amazon / Banggood / AliExpress
• Sensor de COV MP503 …………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Sensor de temperatura y humedad DHT22…………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Pantalla Nextion de 2,8 pulgadas…………………….. Amazon / Banggood / AliExpress
• DS3231 RTC ………………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Arduino Pro Mini………………..…….….. Amazonas / Banggood / AliExpress
• Espaciador/tuercas espaciadoras M3 …………… Amazon / Banggood / AliExpress
• Puerto mini USB……………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Cabeceras de pines………………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Interruptor de 2 posiciones ………………………… Amazon / Banggood / AliExpress
• Valores del condensador: 0,1 uF cerámico y 10 uF electrolítico.
• Transistores – 2N3904
• Cambiar

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Valores de resistencia correctos: R1 = 1K, R2 = 2K, R6=100K o 1M, R7=1K

El sensor PM2.5 se comunica con Arduino a través de un puerto serie. Funciona a 5 V pero el nivel lógico RX funciona a 3,3 V, por lo que necesitamos un divisor de voltaje para eso. El sensor de CO2 y la pantalla Nextion también utilizan comunicación en serie. Para leer los sensores de COV y Ozono utilizamos las entradas analógicas del Arduino, mientras que el sensor de temperatura y humedad DHT22 utiliza un pin digital para este fin.

Los dos transistores se utilizan para activar los calentadores del sensor. También utilizamos un módulo de reloj en tiempo real para realizar un seguimiento del tiempo mientras almacenamos los valores del sensor y utiliza comunicación I2C. Todo el dispositivo funciona con 5 V a través de un puerto mini USB.

Ver también: 8 mejores kits de inicio de Arduino [2021 Update]

Ahora, cuando intentamos conectar todo, el resultado es bastante desordenado debido a las muchas conexiones.

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Creación de una PCB para el monitor de calidad del aire Arduino

Para hacer una placa de circuito para este proyecto, utilizaré Altium Designer, el patrocinador de este video.

Diseñadores Altium representa décadas de innovación y desarrollo centrados en la creación de un entorno de diseño verdaderamente unificado. Con el equilibrio perfecto entre rendimiento y facilidad de uso, Altium Designer se ha asegurado su posición como la solución de diseño de PCB más utilizada en el mercado.

Ahora les mostraré cómo diseñé la PCB para este proyecto usando Altium Designer. Comencé creando el esquema del proyecto. Altium Designer tiene bibliotecas integradas de componentes electrónicos básicos, pero aún mejor, puede buscar componentes directamente de los fabricantes, lo que hace que el abastecimiento de componentes para su proyecto sea muy conveniente.

Por ejemplo, encontré el puerto mini USB usando esta función de búsqueda de piezas de fabricante. Desde aquí también puedes acceder fácilmente a datos sobre los componentes, como modelos 3D, huellas, dimensiones, etc.

También puede crear sus propias bibliotecas de componentes. Yo mismo creé la mayoría de los componentes para este proyecto porque quería crear mis propias huellas 3D para cada parte para que al final tenga toda la placa de circuito en 3D. Para crear modelos 3D para las huellas de PCB, puede utilizar cualquier software CAD, guardar los archivos como archivos .STEP e importarlos a Altium Designer.

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Sin embargo, me gustaría agradecer a Altium por patrocinar dicho contenido educativo. Si desea saber más sobre este software y también probarlo, puede consultar los enlaces a continuación. También puede probar el visor Altium 365 basado en la web para obtener vistas previas y archivos de proyectos.

Prueba gratuita de Altium Designer – https://www.altium.com/yt/howtomechatronics
Visor Altium 365: https://www.altium.com/viewer

Aquí están los archivos del proyecto de Altium Designer:

Archivos de Altium Designer, incluido el archivo de proyecto, bibliotecas y archivos .STEP de los modelos 3D de los componentes electrónicos:

Archivo PCB Gerber:

Bien, después de completar la PCB, generé los archivos de perforación Gerber y NC, los empaqueté en un único archivo ZIP y luego estuve listo para encargar la fabricación de la PCB.

I>Pedí la placa de circuito de JCLPCB. Aquí podemos simplemente arrastrar y soltar el archivo ZIP y después de cargarlo obtendremos toda la información visual sobre nuestra placa de circuito.

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Montaje de la placa de circuito

Después de unos días llegaron las placas de circuito. La calidad de la PCB es excelente y todo está exactamente según lo diseñado.

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Luego ya podremos soldar la placa Arduino Pro Mini. Pero primero tenemos que soldar los cabezales de los pines. Tenga en cuenta que no necesitamos todos los pines, pero asegúrese de no olvidar ninguno que necesitemos, como el pin A4, A5 y DTR. También asegúrese de tener exactamente la misma placa Arduino Pro Mini con esta disposición de pines, ya que a veces pueden ser diferentes.

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Los dos condensadores utilizados en este proyecto se utilizan para estabilizar la fuente de alimentación. La placa se alimenta a través de un puerto mini USB al que podemos conectar 5V.

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A continuación, para volver a soldar el módulo de reloj en tiempo real DS3231, primero debemos doblar los pines 90 grados. Después de soldar, podemos insertar la batería, que realizará un seguimiento del tiempo incluso cuando la placa base se quede sin energía. Con esto la placa ya está terminada, y ahora solo nos falta preparar los cables que usaremos para conectar el sensor PM2.5 y el display a la placa. Soldé cabezales de pines al cable que venía con el sensor y esto me permitió conectarlo fácilmente a la placa. Para conectar la pantalla a la placa, soldé cuatro cables en la parte posterior del conector de la pantalla y luego los conecté a la placa.

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Puede descargar este modelo 3D del monitor de calidad del aire DYI y explorarlo en su navegador en Thangs.

Descargar>Modelo 3D en Thangs.

Argumentos a favor del monitor de calidad del aire

El acrílico que usaré tiene 4 mm de espesor y se adapta perfectamente a la pantalla. Como actualmente no tengo una máquina CNC, corto las formas manualmente usando una simple sierra para metales.

Para crear la abertura para la pantalla, primero hice dos agujeros con un taladro. Luego corté con cuidado la forma a través de la hoja de una mini sierra para metales. Alisé la forma con una simple escofina. Luego, usando una broca de 3 mm, taladré todos los agujeros para fijar las placas de circuito y conectar los dos paneles acrílicos.

En este punto quité la película protectora del acrílico, lo cual, para ser honesto, fue un proceso bastante satisfactorio. Para fijar la PCB a la placa base utilicé unos tornillos y tuercas M3. Para fijar el sensor PM2.5 a la placa necesitamos tornillos M2.

A continuación podemos conectar las dos placas entre sí con unas tuercas espaciadoras. Al utilizar una tuerca espaciadora interior y exterior, pude lograr fácilmente la distancia deseada entre las dos placas.

Personalmente, me gusta mucho el resultado de este caso. También es funcional ya que el aire puede circular fácilmente alrededor de los sensores.

programación

Bien, ahora podemos encender el dispositivo y subir el programa. Podemos alimentar el monitor de calidad del aire a través del puerto mini USB y obtener los 5 voltios de un adaptador USB de 5 V, un cargador de teléfono de 5 V o un banco de energía.

Para cargar el programa en la placa Arduino Pro Mini, necesitamos una interfaz USB a Serial UART que se pueda conectar al encabezado de programación. Antes de conectarlo al puerto USB del ordenador, primero debemos encender la fuente de alimentación principal del dispositivo, de lo contrario la alimentación del puerto USB del ordenador (sólo 500 mA) puede no ser suficiente para funcionar correctamente. Al cargar el boceto de Arduino, también debemos activar el interruptor de carga en la placa.

Puedes descargar el código Arduino y el programa de visualización Nextion aquí:

Para cargar un boceto a una placa Arduino Pro Mini, en el IDE de Arduino primero debemos seleccionar esa placa, seleccionar la versión correcta del procesador, seleccionar el puerto y seleccionar el método de programación para “USBasp“.

Una vez que hayamos subido el código al Arduino, también debemos cargar un código al Próximo Anuncio publicitario. Las pantallas Nextion tienen un controlador ARM integrado que en realidad controla la pantalla de forma independiente.

Todos los gráficos, como botones, texto, imágenes, variables, etc., son generados y controlados por la propia pantalla. Próximo La pantalla tiene su propia Próximo Editor en el que podremos crear todas estas cosas. La pantalla y Arduino se comunican mediante sólo dos cables a través del puerto serie. El Arduino simplemente envía los valores del sensor a la pantalla y viceversa, la pantalla envía datos al Arduino cuando es necesario.

Para cargar el visor necesitamos una tarjeta microSD en la que podamos guardar el archivo de salida .TFT de Próximo Editor.

La pantalla dispone de un lector de tarjetas en el que podremos introducir la tarjeta microSD cuando el dispositivo esté apagado. Luego podemos encender el dispositivo y el programa se cargará en la pantalla. Ahora todo lo que tenemos que hacer es sacar la tarjeta, volver a encenderla y nuestro monitor de calidad del aire comenzará a funcionar.

Explicación del código

Por eso utilizamos bibliotecas para cada sensor, que se pueden encontrar en los siguientes enlaces: MHZ19, síndrome premenstrual, MQ131, DHT, DS3231. Para comprender mejor cómo leemos los datos de cada sensor, recomiendo leer la documentación de las bibliotecas y probar sus ejemplos.

También utilizamos la biblioteca SoftwareSerial ya que tanto el sensor MH-Z19 como el PMS5003 utilizan comunicación serie. La pantalla Arduino y Nextion también usan el puerto serie para comunicarse y en este caso estamos usando el puerto serie de hardware estándar.

Entonces>

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

Entonces tenemos una variable en la pantalla de Nextion llamada «tempV» y para actualizar su valor necesitamos enviar un comando a Nextion como este: «tempV.val=22». Entonces, el nombre de la variable, luego «.val», luego el valor, digamos 22. Las dos primeras líneas de código hacen eso, y para que la pantalla de Nextion acepte este comando, o cualquier comando en realidad, debemos ingresar el tres comandos únicos de envío de «escritura».

En el programa de visualización Nextion tenemos un temporizador que se ejecuta en bucle, al igual que el bucle de código Arduino, y actualiza constantemente los números en la pantalla.

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En la segunda página tenemos una forma de onda que obtiene los valores de los valores almacenados del Arduino. Tenga en cuenta que puede encontrar más información sobre el código Arduino en sí, ya que se incluyen explicaciones en los comentarios del código.

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Arriba de la forma de onda y los números en la pantalla principal, puedes ver que tenemos objetos transparentes llamados «hotstops» en el editor Nextion que actúan como botones. Cuando presionamos el hotstop en la forma de onda, podemos ver en la sección «Evento» que nos envía de regreso a la «Página 0».

A grandes rasgos así funciona el programa de este monitor de calidad del aire Arduino. Por supuesto, para comprender completamente cómo funciona, es necesario aprender y saber cómo funciona cada sensor con sus bibliotecas y cómo funciona la pantalla Nextion.

Tenga en cuenta que para el sensor de COV, solo leemos datos sin procesar de este sensor, no valores de ppm o ppb. Valores analógicos solo de 0 a 1024. Los valores más altos significan que hay VOC presentes.

Para obtener resultados más precisos, debemos configurar correctamente los valores setTimeToRead() y setR0() para el sensor de ozono de acuerdo con el ejemplo de calibración de la biblioteca. Sin embargo, un setTimeToRead más largo significa que el programa se bloqueará durante el escaneo y todo lo demás se congelará. Por supuesto que hay maneras de evitar esto. De hecho, recomendaría no utilizar el sensor de ozono a menos que realmente lo necesite.

Espero que hayas disfrutado este video y hayas aprendido algo nuevo. Si es así, por favor piénselo. me apoya Patreón. No dudes en hacer tus preguntas en la sección de comentarios a continuación y consultar mi colección de proyectos Arduino.