Владимир Макаров.

 

Измеритель-сигнализатор уровня CO2.

 

«В доме было все краденое, и даже воздух был какой-то спертый» (А. Кнышев, писатель-сатирик). В статье предлагается устройство, которое определяет концентрацию углекислого газа в помещении («спертость воздуха») и выдает световые и звуковые сигналы при превышении установленных порогов качества воздуха.

 

Рекомендуется руководителям подразделений к установке в производственных помещениях для объективного определения необходимости их проветривания в целях сбережения здоровья работников и повышения производительности труда.

 

Введение.

 

Качество воздуха в помещениях жилых и общественных зданий обеспечивается необходимым уровнем вентиляции, поддерживающим допустимые значения содержания углекислого газа в помещениях. В России действует межгосударственный стандарт ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», в котором указаны четыре класса помещений, в зависимости от объема углекислого газа, измеренного в см3в 1 м3 воздуха.

         

В международной практике принято измерять концентрацию углекислого газа в «ppm» (partspermillion – частей на миллион). Т.е. 1 ppm — это одна миллионная доля. Концентрация СО2 в 1 ppm означает, что в 1 м3 воздуха содержится 1 см3 углекислого газа. Например, на улице уровень СО2 составляет 350…400 ppm

 

Уровень концентрации СО2 в помещении служит основным показателем качества воздуха. Он выступает как индикатор, по которому можно судить не только о других загрязнителях, но и о том, насколько хорошо работает вентиляционная система в здании. Исследования ученых-экологов показывают, что если в воздухе присутствуют, кроме углекислого газа, летучие органические соединения и формальдегиды, то достаточно следить только за СО2. Если вентиляция справляется с ним, то остальные загрязнители также остаются на низком уровне. Более того, по СО2 можно судить и о количестве бактерий в воздухе. Чем больше углекислого газа, тем хуже справляется вентиляция и тем больше в воздухе разных бактерий и грибков. Особенно отчетливо это заметно зимой, когда интенсивность вентиляции падает, а количество респираторных инфекций растет.

 

Уровни концентрации СО2 и их влияние на человека изображены на рисунке (Рисунок 1).

 

Рисунок 1. Влияние концентрации СО2 на человека

 

На рисунке: ASRAE - American Society_of_Heating, Refrigeratingand Air-Conditioning Engineers (Американское Общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха).

OSHA - Occupational_Safetyand_Health_Administration (Федеральное агентство США, которое регулирует охрану труда). Как видно из рисунка данные российского и американского стандарта по микроклимату в помещении практически совпадают.

 

Предлагаемое устройство является измерителем-сигнализатором уровня углекислого газа в помещении. Оно проводит периодические измерения концентрации углекислого газа в помещении с выводом полученного значения на ЖК-дисплей. Устройство анализирует полученное значение концентрации углекислого газа, классифицирует ее степень по трем установленным классам состояния воздуха («свежий воздух», «норма», «душно») и сигнализирует о качестве воздуха светодиодными индикаторами. Каждому классу качества воздуха соответствует светодиод определенного цвета свечения: зеленый – свежий воздух, желтый – норма, красный – душно. При этом если устройство определило, что концентрация СО2 в помещении превысила значение «душно», то дополнительно к светодиоду красного цвета свечения включается прерывистый звуковой сигнал.

 

Пользователь может самостоятельно задать пороговые уровни концентрации СО2 исходя из строительных норм, санитарных норм или собственного предпочтения.

 

Кроме измерения уровня СО2, устройство также измеряет и отображает на ЖК-дисплее еще два важных климатических параметра: температуру и влажность воздуха в помещении.

 

Внешний вид устройства показан на рисунке (Рисунок 2).

 

 

Рисунок 2. Внешний вид станции

 

Видео с демонстрацией работы станции представлено ниже:

 

Электрическая схема.

 

Схема электрическая принципиальная представлена на рисунке 3.

 

Рисунок 3. Схема электрическая принципиальная

 

Устройство собрано на микроконтроллере ATmega8. Цепочка R1С3 обеспечивает начальный сброс (!Reset) микроконтроллера при включении. Предусмотрено внутрисхемное программирование МК через разъем XP1 «SPI программатор».

Фьюзы МК ATmega8: HIGH=0xD9, LOW=0xE4.

 

Основным измерительным прибором устройства является инфракрасный датчик CO2 MH-Z19B. Датчик подключен к МК по UART (линии RXD, TXD). Программа МK опрашивает датчик не чаще чем 1 раз в 10 секунд. В ответ на запрос концентрации СО2 (команда 0x86) датчик посылает последовательно 9 байт, которые записываются в буферный массив программы. 2-й и 3-й элементы массива содержат значение концентрации СО2, последний элемент массива содержит контрольную сумму. Согласно документации на датчик, требуется около трех минут, чтобы он вышел на рабочий режим. Первое время после включения он будет выдавать неточные значения.

 

Дополнительным измерительным прибором является датчик температуры и влажности DHT11, который также опрашивается не чаще чем 1 раз в 10 секунд (опрос происходит в едином цикле с опросом датчика CO2 MH-Z19B). МК взаимодействует с датчиком по последовательному одно-проводному двунаправленному интерфейсу. В ответ на запрос датчик возвращает 5 байт. Первые два байта содержат значение влажности, целая и десятичная части. Следующие два байта являются значением температуры по Цельсию, целая и десятичная части. Последний байт — это контрольная сумма, которая является суммой первых четырех байтов. Следует отметить, что на точность показаний датчика DHT11 по влажности - очень много нареканий в среде пользователей. Для приближения показаний датчика к приемлемым значениям в программу введена корректирующая поправка, которая задается пользователем во время эксплуатации устройства и сохраняется в EEPROM. Эту поправку следует вводить после сравнения показаний относительной влажности устройства с другим прибором, показаниям которого принято доверять. Линия интерфейса DATA датчика DHT11 «подтянута» к питанию VCC резистором R7.

 

Управление устройством осуществляется с помощью кнопок SA1 «Установка», SA2 «+» (увеличение значения параметра) и SA3 «-» (уменьшение значения параметра). При помощи этих кнопок устанавливаются нижний и верхний пороги концентрации СО2, включается или отключается громкоговоритель устройства, устанавливается корректирующая поправка на показание относительной влажности воздуха.

 

В качестве дисплея используется жидкокристаллический индикатор типа WH-1602A.Потенциометром R8 регулируется яркость подсветки индикатора. На дисплее отображаются текущие значения концентрации СО2, температуры и относительной влажности в помещении, а также настраиваемые параметры устройства в режиме «установка».

 

Светодиодные индикаторы VD2, VD3, VD4 - обеспечивают сигнальное отображение уровня СО2: ниже нижнего порога – зеленый («свежий воздух»), между нижнем и верхним порогами – желтый («норма»), выше верхнего порога – красный («душно»).

 

Звуковой сигнал с вывода 15 МК, через регулятор громкости резистор R6 - усиливается усилителем низкой частоты на транзисторах VT1 и VT2. Для воспроизведения звука используется громкоговоритель SP1 с сопротивлением звуковой катушки 8 Ом.

 

Питание устройства осуществляется от сетевого источника питания напряжением 5 Вольт. На схеме изображен разъем питания от USB. В авторском опытном изделии источник питания помещен в один корпус вместе с устройством.

 

Печатные платы.

 

Печатные платы разработаны в программе DipTrace. Они выполнены на одностороннем фольгированном стеклотекстолите. Расположение деталей на основной печатной плате показано на рисунке (Рисунок 4). На рисунке перемычки выделены цветными ломаными линиями. Печатная плата со стороны дорожек показана на рисунке (Рисунок 5).

 

Рисунок 4. Основная печатная плата. Вид со стороны деталей.

 

Рисунок 5. Основная печатная плата со стороны дорожек. Зеркальное изображение.

 

Плата кнопок управления и сигнальных индикаторов показана на рисунках (Рисунок 6 и Рисунок 7).

 

Рисунок 6. Плата управления. Вид сверху.

 

 

 

Рисунок 7. Плата управления. Вид снизу.

 

 

 

Монтаж.

 

Станция смонтирована в корпусе универсальной коробки для кабельных каналов «Промрукав» - IP42; 400V; полистирол ГОСТ Р 50827.1-2009 ТУ 3464-001-97341529-2012. Артикул 40-0460. На передней стороне корпуса прорезаны окна для дисплея, датчика CO2 MH-Z19B, датчика температуры и влажности DHT11, отверстия для кнопок и светодиодов.

Размещение радиодеталей на печатной плате и комплектующих изделий показано на рисунках (Рисунок 8 и Рисунок 9).

 

Рисунок 8. Размещение деталей на плате и комплектующие изделия

 

 

 

Рисунок 9. Дисплей, датчики, пульт управления на плате.

 

 

 

Архив к статье содержит:

 

1.Папку CO2meter – файлы проекта на Си в среде AtmelStudio 7.

2.CO2meter.dch – схема электрическая принципиальная в формате DipTrace и в формате рисунка jpg.

3.CO2meter.dip – печатная плата устройства в формате DipTrace.

4.CO2meter_button.dip – печатная плата Пульта управления в формате DipTrace.

5.CO2meter.hex – загрузочный файл для МК.



P.S. Ещё была мысль - приделать к устройству привод для автоматического открытия-закрытия фрамуги. Пока не реализовал, но если появится такая необходимость, о чём пишите в комментариях, то всегда можно усовершенствовать устройство.



Удачи Вам в творчестве и всего наилучшего!

Скачать архив.