РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ МОНИТОРИНГА КОНЦЕНТРАЦИИ CO₂ В ВЫДЫХАЕМОМ ВОЗДУХЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАТЧИКОВ MQ-135 И DHT11

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается разработка и экспериментальная проверка портативного устройства для измерения концентрации углекислого газа (CO₂) в выдыхаемом воздухе. В конструкции используются недорогие компоненты: датчик MQ-135 для регистрации уровня CO₂ и сенсор DHT11 для измерения температуры и влажности воздуха. Коррекция климатических факторов позволяет повысить точность измерений. Устройство выводит данные в режиме реального времени и может применяться для оценки дыхательной функции человека как в состоянии покоя, так и после физических нагрузок.

ABSTRACT

The article presents the development and experimental testing of a portable device for measuring carbon dioxide (CO₂) concentration in exhaled air. The design uses low-cost components: an MQ-135 sensor for CO₂ detection and a DHT11 sensor for measuring ambient temperature and humidity. Environmental correction increases the measurement accuracy. The device provides real-time data display and can be used to assess human respiratory function both at rest and after physical activity.

Ключевые слова: углекислый газ; MQ-135; DHT11; выдыхаемый воздух; мониторинг; Arduino Uno.

Keywords: carbon dioxide; MQ-135; DHT11; exhaled air; monitoring; Arduino Uno.

Контроль концентрации углекислого газа (CO₂) в выдыхаемом воздухе является актуальной задачей в медицинской диагностике, спортивной практике и системах обеспечения микроклимата. Измерение уровня CO₂ позволяет оценивать эффективность дыхания, выявлять скрытые нарушения дыхательной системы и оптимизировать вентиляционные параметры.

Целью работы стала разработка недорогого компактного устройства для определения концентрации CO₂ в выдыхаемом воздухе с использованием датчика MQ-135, сенсора DHT11, микроконтроллера Arduino Uno и дисплея LCD.

Учтено, что точность измерений зависит от климатических условий: температура и влажность воздуха существенно влияют на выходной сигнал полупроводникового датчика. Для компенсации этих факторов в устройство встроен сенсор DHT11, данные с которого используются для динамической коррекции измерений.

Калибровка газоанализатора MQ-135 выполнена по стандартной методике: определяется базовое сопротивление R₀ в воздухе с известной концентрацией CO₂ (415 ppm). Расчет концентрации газа ведется по эмпирической формуле:

ppm = 116.6020682 × (Rs/R₀)^(-2.769034857),

где Rs — текущее сопротивление сенсора, R₀ — калибровочное значение.

Программная часть реализована на платформе Arduino IDE. Алгоритм устройства обеспечивает сбор и обработку данных с MQ-135 и DHT11, расчет поправок, вычисление концентрации CO₂ и визуализацию информации на экране. Также данные доступны через последовательный порт для регистрации и анализа.

В эксперименте участвовали 4 группы испытуемых:

• Женщина 30+ лет;
• Женщина 60+ лет;
• Мужчина 20 лет;
• Спортсмен.

Для каждой группы проведены измерения концентрации CO₂:

• В состоянии покоя;
• После выполнения 10 и 20 приседаний;
• После прыжков в течение 1 минуты.

Результаты фиксировались каждые 5–20 секунд в течение 80 секунд восстановления дыхания.

Таблица 1.

Пример динамики CO₂ для мужчины 20 лет

В ходе экспериментов проведены тестирования устройства с участием добровольцев. Выполнялись измерения концентрации CO₂ в состоянии покоя и после физической нагрузки. Также анализировалось влияние температуры и влажности на точность показаний. Результаты подтвердили высокую чувствительность устройства и его пригодность для использования в быту, тренировочном процессе и образовательных целях.

Рисунок 1. Внешний вид разработанного устройства контроля CO₂

Таблица 2.

Характеристики датчиков, использованных в устройстве

ВЫВОДЫ

Разработанное устройство демонстрирует удовлетворительную точность и стабильность измерений концентрации CO₂ при условии использования алгоритмов температурно-влажностной коррекции. Применение сенсора DHT11 позволило снизить влияние климатических факторов, что повысило надежность системы. Простота конструкции, низкая стоимость компонентов и возможность интеграции с платформой Arduino делают устройство доступным для персонального применения и образовательных проектов.

Список литературы:

1. MQ-135 Gas Sensor Datasheet [Электронный ресурс]. — URL: https://www.datasheet.com/MQ135
2. DHT11 Humidity & Temperature Sensor Manual [Электронный ресурс]. — URL: https://www.datasheet.com/DHT11
3. Arduino Project Hub. Monitoring Air Quality with MQ-135 Sensor, 2023.
4. ГОСТ Р 53380–2006. Средства измерений концентрации углекислого газа.