Помощь студентам в учебе
Разработка газоанализатора на основе электрохимических, полупроводниковых и оптических сенсоров для мониторинга качества воздуха
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 9
1. ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ВОЗДУХА 11
1.1. Загрязнители атмосферы 13
1.2. Санитарно-эпидемиологическое благополучие населения Челябинской
области в 2019 году 15
1.3. Показатели уровня загрязнения атмосферы 17
1.4. Расчет индекса AQI 20
1.5. Современные биологические методы решения проблем загрязнения
воздуха 22
1.6. Вывод 23
2. ГАЗОВЫЕ СЕНСОРЫ 25
2.1. Выбор газовых сенсоров 25
2.2. Принцип работы выбранных сенсоров 27
2.2.1. Электрохимический сенсор Winsen ZE08-CH2O 27
2.2.2. Полупроводниковый сенсор AMS AG CCS811B-JOPR5K 29
2.2.3. Оптический сенсор SDS011 31
2.3. Вывод 33
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 35
3.1. Постановка задач проектирования и разработка принципиальной схемы 36
3.2. Размещение элементов и трассировка 1111 38
3.3. Экспорт документации 41
3.4. Вывод 43
4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 44
4.1. Программирование микроконтроллера STM8S 45
4.2. Программирование микроконтроллера ESP8266 (ESP-12F) 48
4.3. Вывод 51
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАЩИТНОГО КОРПУСА ГАЗОАНАЛИЗАТОРА 53
5.1. AutoCAD 53
5.2. Вывод 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 58
ПРИЛОЖЕНИЕ 63
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 63
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 72
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 75
ВВЕДЕНИЕ 9
1. ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ВОЗДУХА 11
1.1. Загрязнители атмосферы 13
1.2. Санитарно-эпидемиологическое благополучие населения Челябинской
области в 2019 году 15
1.3. Показатели уровня загрязнения атмосферы 17
1.4. Расчет индекса AQI 20
1.5. Современные биологические методы решения проблем загрязнения
воздуха 22
1.6. Вывод 23
2. ГАЗОВЫЕ СЕНСОРЫ 25
2.1. Выбор газовых сенсоров 25
2.2. Принцип работы выбранных сенсоров 27
2.2.1. Электрохимический сенсор Winsen ZE08-CH2O 27
2.2.2. Полупроводниковый сенсор AMS AG CCS811B-JOPR5K 29
2.2.3. Оптический сенсор SDS011 31
2.3. Вывод 33
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 35
3.1. Постановка задач проектирования и разработка принципиальной схемы 36
3.2. Размещение элементов и трассировка 1111 38
3.3. Экспорт документации 41
3.4. Вывод 43
4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 44
4.1. Программирование микроконтроллера STM8S 45
4.2. Программирование микроконтроллера ESP8266 (ESP-12F) 48
4.3. Вывод 51
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАЩИТНОГО КОРПУСА ГАЗОАНАЛИЗАТОРА 53
5.1. AutoCAD 53
5.2. Вывод 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 58
ПРИЛОЖЕНИЕ 63
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 63
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 72
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 75
Загрязнение атмосферного воздуха является одной из серьезнейших глобальных проблем, стоящих перед человечеством. Опасность загрязнения атмосферы заключается в том, что вредные вещества губят живые организмы, и изменяют климат Земли.
Сейчас загрязнение атмосферы человеком привело к тому, что большая часть населения РФ проживает в районах, где уровень загрязнения превышает установленные рекомендации ВОЗ по качеству воздуха. Но при этом, человечество продолжает активно сжигать ископаемое топливо и уничтожать леса. Процесс настолько глобален, что приводит к масштабным экологическим проблемам. Загрязнение воздуха происходит и в результате других видов деятельности человечества. Например, сжигание топлива на тепловых электростанциях сопровождается выбросом двуокиси серы, а с выхлопными газами автомобилей в атмосферу поступают оксиды азота. При сгорании топлива образуется большое количество угарного газа. Так же пагубное влияние оказывают мелкодисперсные твердые частицы, которые также являются загрязнителями, к ним относятся копоть, пыль и т. п.
Для решения этих проблем существуют различные методы по очищению воздуха: механические, абсорбционные, адсорбционные,
термокаталитические, биохимические, биологические, плазмохимические, плазмокаталитические, фотокаталитические методы, термическое дожигание. Каждый метод имеет свой результат и эффективность, и для их изучения требуются различные детекторы, которые смогли бы проанализировать эти результаты и установить необходимость данных приборов. Для районов, в которых было зафиксировано превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) вредных веществ, требуется правильное расставление приоритетов, т. к. отдельные небезопасные точки требуют немедленного вмешательства. Но в силу того, что оборудование, подходящее под данные
задачи не может быть реализовано в нужном количестве из-за своей высокой стоимости и доступности, в рамках выполнения научно - прикладной работы были поставлены следующие цель и задачи.
Цель: Разработать портативный газоанализатор для исследования современных методов отчистки воздуха и качества воздушной массы, с возможностью мгновенного отклика изменяющихся параметров, который будет отличаться от своих аналогов конечной стоимостью и расширенным функционалом.
Задачи:
1. Провести анализ проблемы загрязнения воздуха в городах России, в особенности Челябинска.
2. Проанализировать различные виды газовых сенсоров, для определения наиболее подходящих к задачам.
3. Разработать газоанализатор способный эффективно оценить тот или иной метод отчистки воздуха, и его качества.
4. Предложить новые или уже имеющиеся на рынке методы отчистки воздуха, в качестве решения проблемы.
Сейчас загрязнение атмосферы человеком привело к тому, что большая часть населения РФ проживает в районах, где уровень загрязнения превышает установленные рекомендации ВОЗ по качеству воздуха. Но при этом, человечество продолжает активно сжигать ископаемое топливо и уничтожать леса. Процесс настолько глобален, что приводит к масштабным экологическим проблемам. Загрязнение воздуха происходит и в результате других видов деятельности человечества. Например, сжигание топлива на тепловых электростанциях сопровождается выбросом двуокиси серы, а с выхлопными газами автомобилей в атмосферу поступают оксиды азота. При сгорании топлива образуется большое количество угарного газа. Так же пагубное влияние оказывают мелкодисперсные твердые частицы, которые также являются загрязнителями, к ним относятся копоть, пыль и т. п.
Для решения этих проблем существуют различные методы по очищению воздуха: механические, абсорбционные, адсорбционные,
термокаталитические, биохимические, биологические, плазмохимические, плазмокаталитические, фотокаталитические методы, термическое дожигание. Каждый метод имеет свой результат и эффективность, и для их изучения требуются различные детекторы, которые смогли бы проанализировать эти результаты и установить необходимость данных приборов. Для районов, в которых было зафиксировано превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) вредных веществ, требуется правильное расставление приоритетов, т. к. отдельные небезопасные точки требуют немедленного вмешательства. Но в силу того, что оборудование, подходящее под данные
задачи не может быть реализовано в нужном количестве из-за своей высокой стоимости и доступности, в рамках выполнения научно - прикладной работы были поставлены следующие цель и задачи.
Цель: Разработать портативный газоанализатор для исследования современных методов отчистки воздуха и качества воздушной массы, с возможностью мгновенного отклика изменяющихся параметров, который будет отличаться от своих аналогов конечной стоимостью и расширенным функционалом.
Задачи:
1. Провести анализ проблемы загрязнения воздуха в городах России, в особенности Челябинска.
2. Проанализировать различные виды газовых сенсоров, для определения наиболее подходящих к задачам.
3. Разработать газоанализатор способный эффективно оценить тот или иной метод отчистки воздуха, и его качества.
4. Предложить новые или уже имеющиеся на рынке методы отчистки воздуха, в качестве решения проблемы.
Вопрос об экологии всегда будет актуальным, т.к. с каждым годом производственные силы набирают свои обороты. Правительственные организации в полной мере не справляются с защитой экологии и на сегодняшний день человечество нуждается в решении проблем качества воздуха. Как уже было рассмотрено ранее, ученые со всего мира активно пытаются создать аппаратуру по отчистке воздуха, опираясь при этом не всегда на классические методы. И для того, чтобы исследовать эффективность их передовых идей и в целом определять дислокации превышающие предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе, нужно специализированное оборудование, стоимость и возможности функциональных способностей которого способствовали бы быстрому развитию этих инновационных идей.
Целью выпускной квалификационной работы было поставлено разработать специализированное оборудование, называемое
газоанализатором качества воздуха. И на основании рассмотренного списка, самых часто встречающихся вредных веществ в воздушной массе, был укомплектован необходимый набор сенсоров, состоящий из полупроводникового металлооксидного сенсора CCS811B-JOPR5K швейцарской технологической компании AMS AG (Austria Mikro Systeme), для анализа концентрации CO2 и летучих органических соединений (VOC), оптического сенсора SDS011 китайской компании Nova, для анализа содержания взвешенных частиц и электрохимического сенсора ZE08-CH2O компании Winsen для анализа формальдегида. Эти сенсоры били выбраны как самые приоритетные среди других аналогичных устройств. Они позволят устройству исследовать значительно больший спектр веществ по сравнению с другими представленными на рынке анализаторами.
Для управления выше перечисленных датчиков была разработана печатная плат в программе Altium Designer, создано программное обеспечение для микроконтроллера STM8S в среде программирования IAR Embedded Workbench, для обработки и сбора данных с датчиков и создано программное обеспечение Wi-Fi модуля ESP8266 в среде Arduino IDE, для передачи данных на веб сервер, так же был спроектирован защитный корпус газоанализатора в системе автоматизированного проектирования AutoCAD.
Данные поступившие на веб станицу изображаются списком и обновляют общий индекс качества воздуха AQI. Часть индекса высчитывается аналогично индексам других стран, рассмотренных в параграфе 1.3, но из-за достаточно большого времени ожидания результатов в классическом методе, была применена аппроксимация методом экспоненциально скользящего среднего (EMA), с целью сократить количество средних значений до одного. На веб странице справа от списка веществ изображен цветовой индикатор, соответствующий значениям AQI:
Зеленый ^ Хорошо. Означает то, что воздух в среде в пределах нормы.
Желтый -> Удовлетворительно. Качество воздуха приемлемо, однако некоторые загрязнители могут представлять опасность людям, чувствительным к загрязнениям в воздухе. Желательно проветрить помещение.
Оранжевый -> Неудовлетворительно. Оказывает влияние на самочувствие людей чувствительных к загрязнениям в воздухе, детей и людей старше 60 лет. Нет ухудшения самочувствия у большинства людей. При таких показателях необходимо проветрить помещение или запустить фильтрацию воздуха.
Красный -> Опасно. Качество воздуха опасно для каждого человека и может оказывать серьёзное воздействие на здоровье человека. При регулярном показании максимального значения (красного) газоанализатором необходимо
устранить источник вредных веществ или установить постоянно работающий фильтр высокой производительности.
Практическая значимость выпускной квалификационной работы заключается в том, что разработанное устройство может стать частью научно-исследовательского проекта изучения влияния различных растений на качество воздуха и использоваться в офисных и жилых помещеньях, детских дошкольных учреждениях, школах и университетах для определения качества среды.
В дальнейшем можно реализовать вывод информации газоанализатора более удобным образом, при помощи мобильного приложения, добавить дополнительные датчики температуры и влажности для расширения функциональных способностей и так же реализовать автоматическое обновления данных на веб странице с графиками зависимости значений от времени.
Целью выпускной квалификационной работы было поставлено разработать специализированное оборудование, называемое
газоанализатором качества воздуха. И на основании рассмотренного списка, самых часто встречающихся вредных веществ в воздушной массе, был укомплектован необходимый набор сенсоров, состоящий из полупроводникового металлооксидного сенсора CCS811B-JOPR5K швейцарской технологической компании AMS AG (Austria Mikro Systeme), для анализа концентрации CO2 и летучих органических соединений (VOC), оптического сенсора SDS011 китайской компании Nova, для анализа содержания взвешенных частиц и электрохимического сенсора ZE08-CH2O компании Winsen для анализа формальдегида. Эти сенсоры били выбраны как самые приоритетные среди других аналогичных устройств. Они позволят устройству исследовать значительно больший спектр веществ по сравнению с другими представленными на рынке анализаторами.
Для управления выше перечисленных датчиков была разработана печатная плат в программе Altium Designer, создано программное обеспечение для микроконтроллера STM8S в среде программирования IAR Embedded Workbench, для обработки и сбора данных с датчиков и создано программное обеспечение Wi-Fi модуля ESP8266 в среде Arduino IDE, для передачи данных на веб сервер, так же был спроектирован защитный корпус газоанализатора в системе автоматизированного проектирования AutoCAD.
Данные поступившие на веб станицу изображаются списком и обновляют общий индекс качества воздуха AQI. Часть индекса высчитывается аналогично индексам других стран, рассмотренных в параграфе 1.3, но из-за достаточно большого времени ожидания результатов в классическом методе, была применена аппроксимация методом экспоненциально скользящего среднего (EMA), с целью сократить количество средних значений до одного. На веб странице справа от списка веществ изображен цветовой индикатор, соответствующий значениям AQI:
Зеленый ^ Хорошо. Означает то, что воздух в среде в пределах нормы.
Желтый -> Удовлетворительно. Качество воздуха приемлемо, однако некоторые загрязнители могут представлять опасность людям, чувствительным к загрязнениям в воздухе. Желательно проветрить помещение.
Оранжевый -> Неудовлетворительно. Оказывает влияние на самочувствие людей чувствительных к загрязнениям в воздухе, детей и людей старше 60 лет. Нет ухудшения самочувствия у большинства людей. При таких показателях необходимо проветрить помещение или запустить фильтрацию воздуха.
Красный -> Опасно. Качество воздуха опасно для каждого человека и может оказывать серьёзное воздействие на здоровье человека. При регулярном показании максимального значения (красного) газоанализатором необходимо
устранить источник вредных веществ или установить постоянно работающий фильтр высокой производительности.
Практическая значимость выпускной квалификационной работы заключается в том, что разработанное устройство может стать частью научно-исследовательского проекта изучения влияния различных растений на качество воздуха и использоваться в офисных и жилых помещеньях, детских дошкольных учреждениях, школах и университетах для определения качества среды.
В дальнейшем можно реализовать вывод информации газоанализатора более удобным образом, при помощи мобильного приложения, добавить дополнительные датчики температуры и влажности для расширения функциональных способностей и так же реализовать автоматическое обновления данных на веб странице с графиками зависимости значений от времени.