Создание детектора углекислого газа

Межрегиональная научно-практическая конференция

«Современный образовательный процесс: содержание и технологии»

 

 

 

 

 

 

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

 

СОЗДАНИЕ ДЕТЕКТОРА УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор работы: Ворошилов Данил,

студент 1 курса БПОУ ВО «Череповецкий химико-технологический колледж»

Научный руководитель: Балдычева О.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Череповец, 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

	Введение……………………………………………………………........	3
1.	Детектор CO2 и его виды…………………………………………….....	4
2.	Устройство и принцип действия детектора CO2……………………...	5
3.	Создание детектора СO2 на Arduino…………………………………...	7
	Заключение……………………………………………………………....	19
	Список литературы	20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время в связи с увеличением количества фабрик и производств, также увеличиваются и выбросы с них. Большую часть выбросов составляет углекислый газ (CO₂), а он, в свою очередь, при большой концентрации в помещении  отрицательно сказывается на самочувствии человека и снижется его работоспособность. Соответственно, отслеживать концентрацию углекислого газа в помещении в нынешних реалиях актуально. Благодаря развитию технологий отслеживать концентрацию углекислого газа в помещении стало не так сложно. Для этого используются различные детекторы и анализаторы углекислого газа, но, так как стоимость этих устройств довольно высоки, мы решили сделать детектор своими руками на платформе Arduino.

Цель работы − создание детектора СO₂ на платформе Arduino.

Задачи:

1. Рассмотреть понятие «детектор CO₂» и его виды;

2. Описать принцип действия и устройство детекторов CO₂;

3. Создать детектор СO₂ на Arduino.

Объект: концентрация вредных веществ в воздухе;

Предмет: концентрация углекислого газа;

Методы: моделирование и программирование;

Проектный продукт:  детектор CO₂.

 

 

1.                 ДЕТЕКТОР СО₂ И ЕГО ВИДЫ

 

Детектор CO₂ − прибор, способный определять концентрацию углекислого газа в помещении, конструктивно это оптический сенсор, способный постоянно или периодически фонировать инфракрасное излучение и отслеживать изменения световой волны под влиянием уровня концентрации углекислого газа. Лучи инфракрасного светодиода работают в диапазоне 1−15 мкм, поэтому безопасны для человеческих глаз и абсолютно безвредны для живых организмов.

В настоящее время в квартирах и частных жилых домах можно встретить систему «умный дом». Как правило, в них есть автоматизированная вентиляция. Когда уровень углекислого газа достигает нежелательных значений, датчик сигнализирует об этом контроллеру управления, после чего включается принудительная вентиляция помещений. Но портативные устройства встречаются намного чаще. Поэтому выделяют 2 вида детекторов:

1.   Канальные − устанавливаются в воздуховоды. В зависимости от концентрации углекислого газа, способны управлять вентиляционной системой, то есть, контролировать и регулировать расход приточного воздуха, а также производить калибровку на открытом пространстве

2.   Бытовые − используются в качестве информационных приборов и не могут управляться автоматикой и самостоятельно проветривать помещение. В случае повышенной концентрации СО₂ устройство подаст звуковой сигнал владельцу, человек сам должен принять решение, открывать окна или нет.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.                 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДЕТЕКТОРА СО₂

 

Датчик СО₂ для бытового использования выглядит, как портативное устройство с дисплеем. В зависимости от модели, его дизайн может быть похож на сотовый телефон или цифровую фоторамку. На жидкокристаллическом экране отображается уровень углекислого газа в помещении, как правило цветным индикатором (красный, жёлтый, зелёный). Благодаря этому пользователь может видеть состав вдыхаемого воздуха. Помимо наблюдения за уровнем СО₂, прибор может информировать владельца об окружающей температуре и уровне влажности. В перечне главных конструктивных элементов можно выделить такие, как:

1.    Датчик углекислого газа;

2.    Микроконтроллер − обрабатывает данные с датчика и выводит их на экран;

3.    Экран;

4.    Блок питания.

Чтобы человек не отвлекался на показатели анализатора, многие производители оснащают продукцию акустическим сигналом. В случае высокой концентрации СО₂, прибор подаст предупреждающий звук. В качестве источников питания прибора применяется батарейка 6 В. Почти все девайсы могут подключаться к компьютеру через USB порт и способны принимать сигнал Wi-Fi.

Принцип действия детектора CO₂ основан на поглощении газом инфракрасных лучей (рис. 1). Анализируемый воздух, находясь в небольшой камере, подвергается облучению инфракрасным лучом. Сначала осуществляется замер интенсивности без оптического устройства. Затем луч, проходя через смесь газов и светофильтр, доходит до считывающего датчика. Датчик фиксирует показание интенсивности принятого луча диапазоном от 1 до 15 мкм. После определения двух значений, по разнице, прибор определяет концентрацию углекислоты в воздухе.

Рис.1 Принцип действия детектора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.                 СОЗДАНИЕ ДЕТЕКТОРА СО₂ НА ARDUINO

 

Для сборки детектора CO₂ нам понадобились следующие компоненты:

1.            Плата Arduino Nano V 3.0 (совместимая) – 1шт.

2.            Светодиодный дисплей TM 1637 для Arduino STM32 NodeMCU Raspberry – 1шт.

3.            Модуль датчика газа MQ-7 – 1шт.

4.            Набор жестких перемычек – 1шт.

5.            Адаптер на 5V – 1шт.

Выбор пал на MQ-7 потому, что его стоимость намного ниже других датчиков CO₂, это обусловлено тем, что принцип его действия также отличается от большинства других датчиков СО₂.

Принцип работы датчика основан на изменении сопротивления тонкопленочного слоя диоксида олова SnO₂ при контакте с молекулами определяемого газа. Чувствительный элемент датчика состоит из керамической трубки с покрытием Al₂O₃ и нанесенного на неё чувствительного слоя диоксида олова. Внутри трубки проходит нагревательный элемент, который нагревает чувствительный слой до температуры, при которой он начинает реагировать на определяемый газ. Чувствительность к разным газам достигается варьированием состава примесей в чувствительном слое.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

После выбора компонентов, мы подобрали схему детектора CO₂ (рис. 2), с помощью интернет ресурсов.

Рис.2 Схема детектора CO₂

 

Выставили на рабочем столе модули схемы (рис. 3).

Рис.3 Модули детектора СО₂

 

 

 

 

 

 

По схеме с помощью паяльника соединили модули с платой (рис. 4).

Рис.4 Соединение модулей детектора СО₂

 

Перед соединением со схемой, подготовили адаптер (рис. 5).

Рис.5 Снятие внешней изоляции адаптера

 

 

 

 

 

 

Подключили адаптер к схеме (рис. 6), и делаем схему более компактной и практичной (рис. 7).

Рис.6 Подключение адаптера к схеме детектора СО₂

 

Рис.7 Конечный вид схемы детектора СО₂

 

 

 

 

После сборки схемы мы приступили к прошивке детектора. Программа для детектора была написана на базе Arduino ide. Для начала, мы загрузили 2 библиотеки для корректной работы детектора CO₂ (рис. 8).

Рис.8 Загрузка двух библиотек в папку Arduino

 

В Arduino ide, мы выбрали нашу плату и процессор (рис.9 и рис.10) .

Рис.9 Выбор платы

 

Рис.10 Выбор процессора

 

Приступили к написанию самой программы (рис. 11).

Рис.11 Программа для детектора CO₂

 

 

 

 

 

 

 

 

После того, как прошили детектор, мы приступили к изготовлению корпуса детектора CO₂, выбирали материалы для корпуса и начали с разметки задней части (рис.12).

Рис.12 Разметка задней части

 

Выпилили заднюю часть и по ней выпилили переднюю часть

(рис. 13).

Рис.13 Выпиленные задняя и передняя части

 

 

 

 

Просверлили отверстие в задней части (рис. 14).

Рис.14 Задняя часть с отверстием

 

Разметили и выпилили боковую часть (рис. 15), и по ней выпилили остальные 3.

Рис.15 Выпиленная боковая часть

 

Обработали все детали наждачной бумагой и напильником.

 

 

Для скрепления задней детали к боковым деталям, мы использовали гвозди, но прежде забивания гвоздей, мы промазали место соединения деталей герметиком (рис. 16).

Рис.16 Герметизация соединения деталей корпуса

 

Вставили деталь и крепили её гвоздями с помощью молотка (рис. 17).

Рис.17 Скрепление задней детали и боковых деталей

 

 

 

 

 

 

Разметили и выдолбили отверстие в передней детали (рис. 18).

Рис.18 Процесс создания отверстия

 

Вырезали из прозрачной пластиковой упаковки защитный экран для корпуса и приклеили его к внутренней части передней детали, (рис. 19).

Рис.19 Соединение защитного экрана и передней детали

 

 

 

 

 

Лицевую часть, мы соединили с боковыми деталями с помощью шурупов (рис. 20), для удобства (в случае чего можно будет их открутить и при необходимости заменить детали).

Рис.20 Лицевая сторона детектора

 

Дальше мы, с помощью выжигательного аппарата, сделаем более эстетичный вид детектора. Конечный вид детектора представлен на рис. 21.

Рис.21 Конечный вид детектора

 

 

 

Для создания детектора нами были приобретены модули и плата в интернет-магазине «OZON». Их стоимость составила:

1.     Плата Arduino Nano V 3.0 (совместимая) – 1шт. – 395р.

2.     Светодиодный дисплей TM 1637 для Arduino STM32 NodeMCU Raspberry – 1шт. – 331р.

3.     Модуль датчика газа MQ-7 – 1шт. – 305р.

4.     Набор жестких перемычек – 1шт. – 24,25р. (485р./140*7)

Детектор нам обошелся в: 1055,25р. Основные затраты ушли на приобретение модулей и платы, остальные материалы были использованы из подручных средств

Детекторы с таким же функционалом в том же магазине стоят на порядок выше:

1.     Детектор углекислого газа Даджет (https://clck.ru/33iR9g) - 3 490р.

2.     Детектор углекислого газа Детектор CO2 HCHO TVOC (https://clck.ru/33sdB7) - 1 235р.

3.     Измеритель концентрации углекислого газа MyPads (https://clck.ru/33sdBh) - 1 223р.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В ходе проекта были  проанализированы информационные и технические материалы по теме проекта,  рассмотрены виды детекторов СO₂, описан принцип действия и устройство детекторов CO₂, собран и запрограммирован детектор СO₂ на платформе Arduino.

В перспективе работы  планируется совершенствовать детектор: добавить звуковое оповещение и сделать питание детектора автономным.

Таким образом, цель проекта достигнута, поставленные задачи решены.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Arduino [Электронный ресурс] – Режим  доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino

2. Газовый детектор [Электронный ресурс] – Режим  доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Газовый_детектор

3. Гайд Для Новичков Arduino [Электронный ресурс] – Режим  доступа: https://alexgyver.ru/arduino-first/#Установка_библиотек

4. ПИТАНИЕ СХЕМЫ [Электронный ресурс] – Режим  доступа: https://alexgyver.ru/lessons/arduino-power/

5. Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Arduino. 3-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2019. – 496 с.

 

 

 

 

Скачано с www.znanio.ru