Neste tutorial vais aprender a usar o Sensor de Poeiras GP2Y1010AU0F com um Arduino para medir a densidade de poeiras. Vamos abordar as características do sensor, como ligá-lo a uma placa Arduino e como interpretar os dados fornecidos pelo sensor.
Medir a densidade de poeiras é importante para a saúde, pois níveis elevados de poeiras no ar podem causar problemas respiratórios, alergias e outros problemas de saúde. Monitorizar os níveis de poeiras permite-nos avaliar a qualidade do ar interior e exterior, identificar riscos potenciais para a saúde e tomar medidas adequadas para melhorar a qualidade do ar.
Componentes Necessários
Usei um Arduino Uno para este projeto, mas qualquer outra placa Arduino, ou uma placa ESP8266/ESP32, funcionará igualmente bem.
O sensor de poeiras GP2Y1010AU0F vem com um condensador de 220µF e uma resistência de 150Ω, que são necessários para a ligação do sensor ao Arduino. Não é preciso comprá-los separadamente.
Sensor de Poeiras GP2Y1010AU0F
Arduino Uno
Conjunto de Cabos Dupont
Breadboard
Cabo USB para Arduino UNO
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Noções Básicas do Sensor de Poeiras GP2Y1010AU0F
O GP2Y1010AU0F é um sensor ótico de qualidade do ar, desenhado para detetar partículas de poeiras. É especialmente eficaz na deteção de partículas muito finas, como o fumo de cigarro, e é frequentemente utilizado em sistemas de purificação de ar. A imagem seguinte mostra o sensor.
Estrutura Interna
Dentro do sensor, um LED infravermelho e um fotoresistor infravermelho estão dispostos na diagonal. A luz do LED IR é refletida pelas partículas de poeiras que entram no dispositivo através de um orifício (caminho da poeira). A quantidade de luz IR refletida é medida pelo sensor infravermelho e convertida numa tensão de saída. Quanto mais poeira houver no caminho, mais luz é refletida e maior é a tensão de saída. A imagem abaixo mostra a construção interna do sensor GP2Y1010AU0F.
O GP2Y1010AU0F tem um baixo consumo de corrente, de 20mA no máximo ou 11mA típico, e funciona a 5V. A sua tensão de saída é proporcional à densidade de poeiras medida, com uma sensibilidade de 0,5V/0,1mg/m 3 . O sensor consegue detetar partículas tão pequenas como 0,5µm e a densidade máxima de poeiras que pode medir é de 580 µg/m 3 .
Esquema Interno
A imagem seguinte mostra o esquema interno do GP2Y1010AU0F. Podes ver o circuito que alimenta o LED IR (IRED) e o circuito amplificador com o fotodíodo IR (PD) que gera o sinal de saída Vo no pino 5.
Existe também um trimmer (resistência ajustável Rs) para ajustar a sensibilidade do sensor, mas não deves alterá-lo. Na imagem abaixo podes ver a localização do trimmer e do CI amplificador.
O GP2Y1010AU0F tem um conector de seis pinos. O LED infravermelho é alimentado através do (1) V-LED e (2) LED-GND e controlado pelo pino (3) LED. O CI amplificador de sinal é alimentado pelo (6) Vcc e (4) S-GND e o sinal de saída de tensão Vo está no pino (5).
Datasheets
Para mais informações detalhadas sobre o GP2Y1010AU0F consulta o datasheet e as notas de aplicação nos links abaixo.
Ligar o GP2Y1010AU0F ao Arduino
Para ligar o GP2Y1010AU0F ao Arduino devemos seguir o exemplo de aplicação fornecido nas Application Notes (ver abaixo).
Podes ver que o sinal de saída Vo no pino (5) vai para o conversor analógico-digital (A/D) do microcontrolador e que o LED IR no pino (3) é controlado por um pino de saída do microcontrolador.
Não vamos precisar do transistor mostrado para alimentar o LED IR, pois um pino GPIO do Arduino fornece facilmente os 20mA necessários para o LED. Há também um pouco de circuitaria adicional, como uma resistência de 150Ω para limitar a corrente do LED IR e um condensador de 220µF, mas nada de complicado.
A pinagem seguinte mostra onde estão localizados os seis pinos no conector do sensor.
V-LED alimenta o LED e deve ser ligado aos 5V com uma resistência de 150Ω. LED-GND é o GND do LED IR e liga-se ao GND pino do Arduino. LED serve para ligar/desligar o LED e ligamos ao pino 7 do Arduino. No entanto, qualquer outro pino digital de saída também funciona.
S-GND é o GND do sensor e deve ser ligado ao GND pino do Arduino. Vo fornece a saída do sensor e será ligado à entrada analógica A0 do Arduino. Vcc é a alimentação do módulo sensor e deve ser ligado aos 5V.
A imagem seguinte mostra toda a ligação numa breadboard, incluindo o condensador de 220µF.
Ao ligar o condensador, tem atenção à polaridade correta. O pino negativo (normalmente mais curto e marcado com uma faixa branca) deve ser ligado ao GND (fio preto).
Código para medir a densidade de poeiras com o GP2Y1010AU0F
Para medir a densidade de poeiras, vamos primeiro analisar a curva de resposta do GP2Y1010AU0F. Ela mostra como a tensão de saída Vo varia com o aumento da densidade de poeiras, medida em miligramas por metro cúbico (mg/m 3 ).
Para densidades de poeiras entre 0 e 0,5 mg/m 3 o gráfico mostra uma relação praticamente linear entre a tensão e a densidade de poeiras. Quando nos aproximamos da densidade máxima de 580 µg/m 3 (=0,58 mg/m 3 ) que o sensor consegue detetar, a curva estabiliza e já não conseguimos medir nada de útil. A tensão máxima de saída será cerca de 3,7V neste ponto.
Cálculo da Densidade de Poeiras
A parte linear do gráfico pode ser descrita pela seguinte equação:
D[mg/m 3 ] = 0,170 x Vo − 0,1
Permite-nos calcular a densidade de poeiras D em mg/m 3 medindo a tensão de saída Vo com o Arduino. Como as densidades de poeiras em mg/m 3 tendem a ser números pequenos, também podemos medir as densidades em µg/m 3 , simplesmente multiplicando as densidades em mg/m 3 por 1000.
D[µg/m 3 ] = (0,170 x Vo − 0,1) x 1000
Protocolo de Amostragem
O datasheet do GP2Y1010AU0F indica que devemos usar o seguinte protocolo de amostragem ao medir a densidade de poeiras. Depois de ligar o LED IR, devemos esperar 0,28 milissegundos, ler a tensão de saída Vo e, em seguida, desligar o LED IR.
Com a equação da densidade de poeiras acima e o protocolo de amostragem, já temos toda a informação para escrever o código para medir a densidade de poeiras com o GP2Y1010AU0F e um Arduino.
Código para medir a Densidade de Poeiras
Vê primeiro o código completo e depois vamos analisá-lo em detalhe.
const int sensorPin = A0;
const int ledPin = 7;
const int adcMax = 1023;
const float Vcc = 5.0;
float readDensity() {
digitalWrite(ledPin, LOW);
delayMicroseconds(280);
int adc = analogRead(sensorPin);
float v0 = Vcc * adc / adcMax;
float density = 0.170 * v0 - 0.1; // mg/m^3
digitalWrite(ledPin, HIGH);
return density * 1000; // ug/m^3
}
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(ledPin, OUTPUT);
delay(1000);
}
void loop() {
Serial.print("Dust:");
Serial.println(readDensity());
delay(1000);
}
Constantes
O código começa por definir algumas constantes. sensorPin é a entrada analógica à qual a saída Vo do sensor de poeiras está ligada, e ledPin é a saída digital que controla o LED IR dentro do sensor de poeiras.
adcMax é o valor máximo que o conversor analógico-digital (ADC) pode produzir. No caso do Arduino Uno, que tem um ADC de 10 bits, este valor é 1023. Se usares outro microcontrolador, tens de ajustar este valor. Consulta a função analogRead() ou o datasheet do teu microcontrolador para mais informações.
Também especificamos aqui a tensão de alimentação Vcc . Em teoria, o sensor pode funcionar a 3,3V, mas nesse caso tens de ajustar a resistência do LED IR ou manter essa tensão a 5V. Além disso, tens de garantir que a entrada analógica não excede a tensão máxima. Para simplificar, é mais fácil manter os 5V.
const int sensorPin = A0; const int ledPin = 7; const int adcMax = 1023; const float Vcc = 5.0;
Leitura da Densidade de Poeiras
A seguir temos a função readDensity() que lê a densidade de poeiras medida pelo sensor. Primeiro, a função liga o LED IR através de digitalWrite(ledPin, LOW) . Nota que a lógica é invertida (LOW significa ligado).
Depois esperamos os 0,28ms (=280µs) como recomendado no datasheet antes de ler a saída Vo do sensor usando analogRead() . No entanto, o ADC do Arduino não devolve a tensão em A0, mas sim um valor bruto (0…1023) que precisamos de converter para a tensão v0 através de v0 = Vcc * adc / adcMax .
Agora podemos aplicar a equação mostrada acima para converter a tensão v0 em uma medida de poeiras density em mg/m^3. Depois de desligar o LED IR, multiplicamos a densidade de poeiras density por 1000 para obter uma medição em µg/m 3 .
float readDensity() {
digitalWrite(ledPin, LOW);
delayMicroseconds(280);
int adc = analogRead(sensorPin);
float v0 = Vcc * adc / adcMax;
float density = 0.170 * v0 - 0.1; // mg/m^3
digitalWrite(ledPin, HIGH);
return density * 1000; // ug/m^3
}
Função setup
A função setup é simples. Iniciamos a interface série, definimos o modo do ledPin para OUTPUT e esperamos um segundo – o datasheet indica que o sensor precisa de cerca de 1 segundo para ficar pronto.
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(ledPin, OUTPUT);
delay(1000);
}
Função loop
Na função loop, simplesmente chamamos a nossa função readDensity() e imprimimos a densidade de poeiras medida no monitor série. Repetimos a medição aproximadamente a cada segundo (sem contar os 0,28ms da medição). Podes amostrar mais rápido, até 100ms funciona bem. Mais rápido do que isso e reparei que o sensor deixa de reagir corretamente.
void loop() {
Serial.print("Dust:");
Serial.println(readDensity());
delay(1000);
}
Exemplo de Saída
Se abrires o Serial Plotter deves ver as densidades normais de poeiras a oscilar em torno de 0 µg/m 3 . Abanei vigorosamente um espanador em frente ao sensor e podes ver o pico de densidade de poeiras no gráfico abaixo.
Depois queimei um fósforo e o sensor voltou a reagir fortemente ao fumo produzido. Nota que o fumo permaneceu mais tempo do que a poeira.
Por fim, também podes testar o funcionamento do sensor e do código bloqueando o caminho da poeira com um objeto, por exemplo uma pequena chave de fendas como mostrado na imagem abaixo.
A densidade de poeiras medida deve subir até perto do valor máximo de cerca de 580 µg/m 3 que o sensor consegue medir. Estava a obter um valor de 534 µg/m 3 .
E pronto! Um pequeno sensor de poeiras que te vai ajudar a manter o teu ambiente saudável.
Conclusões
O GP2Y1010AU0F é um sensor fácil de usar e bastante sensível. Reage bem à poeira, ao fumo e deve conseguir detetar pólen também, embora ainda não tenha testado isso.
Ao ligar o sensor a um microcontrolador diferente do Arduino Uno usado aqui, tem atenção às diferentes tensões (5V vs 3,3V), e à resolução e gama de entrada do conversor analógico-digital (ADC). Muitos tutoriais para o GP2Y1010AU0F cometem pequenos erros nisto e as medições de densidade de poeiras acabam por estar incorretas. Tem também atenção à conversão de mg/m 3 para µg/m 3 , que por vezes é mal implementada.
Finalmente, se precisares de um sensor que consiga medir a concentração de partículas PM2.5, dá uma vista de olhos ao DSM501 sensor .
FAQ
Quais são os níveis saudáveis e não saudáveis de densidade de poeiras quando medidos em µg/m 3 ?
Níveis saudáveis de densidade de poeiras são normalmente inferiores a 50 µg/m 3 , enquanto níveis não saudáveis são superiores a 150 µg/m 3 .
Qual é a relação entre a densidade de poeiras medida em µg/m 3 e o material particulado PM, especificamente PM2.5 e PM10?
A densidade de poeiras medida em µg/m 3 está diretamente relacionada com o material particulado (PM), incluindo PM2.5 e PM10. PM2.5 refere-se a partículas com diâmetro de 2,5 µm ou menos, enquanto PM10 refere-se a partículas com diâmetro de 10 µm ou menos. Uma maior densidade de poeiras indica níveis mais elevados de PM2.5 e PM10 no ar.
Porque é que a poluição por PM2.5 é prejudicial para a saúde?
De todas as formas de poluição do ar, a poluição por PM2.5 representa o maior risco para a saúde. Devido ao seu tamanho reduzido, as partículas PM2.5 podem permanecer suspensas no ar durante longos períodos e podem ser absorvidas profundamente na corrente sanguínea ao serem inaladas.
Quais são as principais fontes de poluição por PM2.5?
Fontes comuns de poluição por PM2.5 são motores e combustão, processos industriais, fogões, lareiras e queima de lenha doméstica, fumo de fogo de artifício e incêndios florestais, tabaco, partículas de poeira e pólen.
Um sensor de PM2.5 ou PM10 pode medir pólen?
A maioria das partículas de pólen são maiores do que as partículas PM2.5 e PM10 e seriam ignoradas por um sensor de PM2.5 ou PM10. No entanto, embora as partículas de pólen sejam normalmente superiores a 10 µm, podem partir-se em partículas mais pequenas na gama PM2.5, que podem ser medidas.
Posso calibrar o sensor GP2Y1010AU0F para medir valores de PM2.5 ou PM25?
Não, o sensor GP2Y1010AU0F foi desenhado para detetar partículas maiores e não pode ser calibrado para medir valores de PM2.5 ou PM25.
Qual é o tamanho típico do pólen e um sensor de poeiras como o GP2Y1010AU0F consegue medir a densidade de pólen?
O tamanho típico do pólen é entre 10-100 µm. Se conseguires ver o pólen a flutuar no ar, isso significa que a partícula é bastante grande, pelo menos 60 µm. O sensor de poeiras GP2Y1010AU0F consegue medir partículas maiores que 0,5 µm, por isso pode detetar partículas de pólen.
Qual é um nível não saudável de densidade de pólen?
Um nível não saudável de densidade de pólen é normalmente considerado elevado quando ultrapassa os 100 grãos por metro cúbico, o que pode desencadear alergias em pessoas sensíveis.
Que densidade em µg/m^3 corresponde a 100 grãos por metro cúbico?
A conversão de grãos para microgramas por metro cúbico (µg/m^3) depende da densidade do material específico a ser medido. Para o pólen, o fator de conversão é aproximadamente 1 grão = 6,48 µg/m^3. Assim, 100 grãos de pólen equivalem a 648 µg/m^3.
