Oczyszczacz powietrza

[Harnas]

Dostępne na rynku oczyszczacze powietrza nie kosztują mało. Sam filtr, który wydaje się najważniejszym elementem kosztuje najczęściej nie więcej niż 1/3 oczyszczacza. Postanowiłem więc zbudować własny oczyszczacz. Oczywiście czas poświęcony na budowę też ma wartość, ale nie traktuje tego jako roboczogodziny a po prostu zabawę 🙂. W moim przypadku, koszt całości wyniósł około 300zł. Dla porównania, gotowy oczyszczacz  Xiaomi to wydatek około 500zł, jesienią było to minimum ~650zł 🙂. Kupiłem filtr Xiaomi z wkładem węglowym, który jest nieco droższy niż zwykły, który montowany w fabrycznych oczyszczaczach. Użyty przeze mnie wentylator posiada według producenta wydajność 150m³/h co jest wartością 2x mniejszą niż fabryczny oczyszczacz. Jest to jednak w zupełności wystarczające.

Mechanika

Oczyszczacz składa się z filtra powietrza, wentylatora 200mm, łącznika filtra z wentylatorem i sterownika. Łącznik został wydrukowany na drukarce 3D. Wentylator to najtańszy wentylator 200mm jaki znalazłem w sklepie komputerowym.

Elektronika

Całość bazuje na płytce z ESP32. Na niej znajduje się shield prototypowy Arduino, a do niego są zamontowane kolejne elementy. Używałem głównie gotowych modułów. Starałem się w miarę możliwości nie lutować ich bezpośrednio do PCB tylko umieszczać na listwach kołkowych. Schematu niestety nie mam. Wszystko było lutowane na bieżąco w przypływach weny 🙂 Planuje jeszcze wyprowadzić drugą szynę I2C i podłączyć do niej drugi barometr który będzie umieszczony w wewnętrznej części filtra. Będę mógł w ten sposób zbadać zależność różnicy ciśnień od obrotów wentylatora.

Czujniki

Jako czujnik pyłu zastosowałem GP2Y1010AU0F. Kluczem była niska cena. Niestety wymaga on dość dokładnego synchronizowania w czasie załączania diody LED i pomiaru napięcia wyjściowego. Z czym miałem duże problemy o czym napiszę niżej. Dodatkowo, jako że jest to czujnik analogowy, jego wyjście skaluje się względem napięcia zasilania. A tak się składa że o ile ESP32 jest zasilane ze stabilnych 3.3V, to czujnik jest zasilany z szyny 5V. Tutaj występuje wyraźny rozstrzał między zasilaniem z zasilacza (wtedy szyna 5V jest zasilana przez diodę która powoduje spadek napięcia) a zasilaniem przez USB. Staram się to kompensować dodatkowym pomiarem napięcia szyny 5V. Nie jest to idealnie, choć daje dużo. Prawdopodobnie czujnik nie skaluje swojego wyjścia idealnie liniowo z napięciem zasilania, stąd ten problem.

Oprócz tego na płytce znajduje się czujnik wilgotności HDC1080 oraz ciśnienia BMP280. Oba mają wbudowane termometry, więc nie potrzeba dodatkowego. Teraz prawdopodobnie użyłbym BME280.

Interfejs

W sterowniku użyłem wyświetlacza OLED. Wyświetlane są na nim aktualne parametry, takie jak: temperatura, wilgotność, poziom zanieczyszczeń, moc wentylatora i inne. Wyświetlacz jest sterowany za pomocą interfejsu I2C.
Obok wyświetlacz znajduje się enkoder. Użyłem gotowego modułu bo akurat nie miałem pod ręką tego typu enkodera z przyciskiem. Można nim regulować moc oczyszczacza oraz przełączać między trybami: "auto" i "manual".
Oczywiście jak na 2019 rok przystało, oczyszczaczem można sterować też po WiFi :) Na ESP32 jest uruchomiony webserver. Panel webowy wygląda tak:

W kodzie znajdują się funkcje które utrzymują stałą łączność WiFi z routerem. Dane dostępowe do znanych nam WiFi należy umieścić w pliku "wifi_credentials.json" i wgrać wraz z innymi plikami. Niestety hasła należy umieścić w formie tekstowej. Biblioteka micropythona do obsługi WiFi nie obsługuje haseł w wersji zahashowanej (PSK). W przyszłości może dopiszę bardziej ludzką formie wprowadzania haseł 😉

Sterowanie wentylatorem

Z racji tego że użyłem najtańszego wentylatora o tej średnicy, posiada on tylko 3 pinową wtyczkę. Taki wentylator można sterować jedynie napięciowo. Wymyśliłem więc sposób na regulację PWMem napięcia wyjściowego przetwornicy impulsowej. Polega to na podkradaniu lub wprowadzaniu dodatkowego prądu do wyjściowego dzielnika napięcia. Schemat tego wygląda następująco:

Zauważyłem że im mniejsza częstotliwość sygnału PWM, tym bardziej nieliniowa jest zależność Vout=f(PWM). Dlatego częstotliwość PWM została ustawiona na 312kHz. Aproksymacje tej funkcji stworzyłem robiąc pomiary Vout w zależności od danego wypełnienia PWM, a następnie w arkuszu kalkulacyjnym wyznaczyłem współczynniki funkcji  liniowej. Współczynniki te są na sztywno zapisane w kodzie.

Micropython

Zdecydowałem się użyć micropythona ze względu na chęć nauki czegoś nowego. Niestety, jak okazało się w trakcie, posiada on wiele ograniczeń. Największą wadą jest używanie blokującego dostępu do interfejsów komunikacyjnych. Przez co np.: w trakcie odświeżania wyświetlacza nie można dokonywać pomiarów czujnika pyłu czy obsługiwać żądań serwera. Ne można też używać drugiego rdzenia ESP32. Przez co interfejs użytkownika chodzi wyraźnie wolno, i nie wygląda na uruchomiony na czymś tak mocnym 🙂

Cały kod jest dostępny na GitHubie:
https://github.com/Harnas/ESP32_Airpurifier

[Treker (Damian Szymański)]

Właśnie zaakceptowałem Twój opis, możesz go teraz zgłosić do akcji rabatowej umieszczając link w temacie zbiorczym. Dziękuję za przedstawienie ciekawego projektu, zachęcam do prezentowania kolejnych DIY oraz aktywności na naszym forum 🙂

[Treker (Damian Szymański)]

Gratulacje dla @Harnas za zajęcia pierwszego miejsca w ankiecie na najciekawszy projekt (Co nowego w DIY? 10 projektów naszych czytelników #12) - czekam na prywatną wiadomość z danymi do wysyłki gadżetów 😉