"Диско-шар" в условиях микрогравитации: 13 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Здравствуйте, читатели! Этот проект является профессиональным участником конкурса Growing Beyond Earth Maker.

Этот проект является подтверждением концепции потенциальной конструкции сеялки, которую можно было бы использовать для выращивания растений в условиях микрогравитации.

Основываясь на правилах конкурса, я перечислил требования к системе,

1. Система должна занимать площадь 50 см ^ 3.
2. Система должна использовать преимущества микрогравитации.
3. Система может быть ориентирована в любом положении
4. Система может быть источником питания извне от внутренних шин питания ISS.
5. Система должна автоматизировать большую часть процесса выращивания с минимальным взаимодействием со стороны космонавтов.

Исходя из вышеуказанных предположений, я начал проектировать систему.

Шаг 1: проектное предложение

Для начала я набросал грубый набросок того, как, по моему мнению, может выглядеть система.

Изначально у меня была идея, заключающаяся в подвешивании шара в центре растущей среды с освещением, установленным на окружающей раме.

В основании этого ящика будут размещаться вода и электроника.

На этом этапе я начал перечислять возможные компоненты такой системы,

1. Рама - необходимо выбрать подходящий материал рамы.
2. Освещение - какой тип освещения подойдет лучше всего? Светодиодные ленты?
3. Датчики - чтобы система была автоматизирована, она должна уметь определять влажность, например, влажность и температуру.
4. Контроль - пользователю потребуется способ взаимодействия с MCU.

Цель этого проекта - создать доказательство концепции, на основе извлеченных уроков я составлю список будущих работ и разработок, необходимых для дальнейшего развития этой идеи.

Шаг 2: Подтверждение концепции - спецификация

Спецификация (ведомость материалов) для этого проекта будет стоить приблизительно 130 фунтов стерлингов для заказа всего необходимого, из которых примерно 100 фунтов стерлингов будут использованы для изготовления одной единицы для выращивания растений.

Вполне вероятно, что у вас будет изрядная порция электронных компонентов, резко сократившая код.

Шаг 3. Электроника - Дизайн

Я использовал Fritzing, чтобы спланировать электронику, необходимую для этого проекта, Подключения должны быть следующими:

ЖК-дисплей 16x2 I2C

1. GND> GND
2. VCC> 5 В
3. SDA> A4 (Arduino)
4. SCL> A5 (Ардуино)

Поворотный энкодер (были выбраны D3 и D2, поскольку они являются контактами Arduino Uno Interupt)

1. GND> GND
2. +> 5 В
3. SW> D5 (Ардуино)
4. DT> D3 (Ардуино)
5. CLK> D2 (Ардуино)

Датчик температуры DS18B20

1. GND> GND
2. DQ> D4 (Arduino, с подтягиванием 5 В до 4k7)
3. VDD> 5 В

Датчик влажности почвы

1. A> A0 (Ардуино)
2. -> GND
3. +> 5 В

Двойной релейный модуль

1. VCC> 5 В
2. INC2> D12 (Ардуино)
3. INC1> D13 (Ардуино)
4. GND> GND

остальные ссылки см. на диаграмме выше.

Шаг 4: Электроника - Сборка

Я собрал электронику, как описано на схеме на предыдущей странице, Я использовал прототип платы, чтобы сделать щит для Arduino Uno, Для этого я сломал плату примерно до размера Uno, а затем добавил штыри штыревых заголовков, которые выровнялись с штырями-штырями на Uno.

Если соединения соответствуют предыдущей диаграмме, система должна работать правильно, было бы неплохо для простоты расположить соединения аналогично мне.

Шаг 5. Программное обеспечение - план

Общая идея функциональности программного обеспечения состоит в том, чтобы система непрерывно считывала значения датчиков. В каждом цикле значения будут отображаться на ЖК-дисплее.

Пользователь сможет получить доступ к меню, удерживая поворотный переключатель в нажатом положении, как только это будет обнаружено, откроется пользовательский интерфейс меню. Пользователю будет доступно несколько страниц,

1. Запуск водяного насоса
2. Переключить состояние светодиода (Вкл. / Выкл.)
3. Изменить режим системы (автоматический / ручной)
4. Выйти из меню

Если пользователь выбрал автоматический режим, система проверит, находятся ли уровни влажности в пределах порогового значения, если нет, она автоматически перекачивает воду, подождите фиксированную задержку и повторно проверит.

Это базовая система автоматизации, но она будет служить отправной точкой для будущих разработок.

Шаг 6: Программное обеспечение - Разработка

Необходимые библиотеки

• ДалласТемпература
• LiquidCrystal_I2C-мастер
• OneWire

Примечания к программному обеспечению

Этот код является первым черновиком кода, который обеспечивает базовую функциональность системы, он включает

См. Прилагаемый Nasa_Planter_Code_V0p6.ino для последней сборки системного кода, Показания температуры и влажности на дисплее.

Автоматический режим и ручной режим - пользователь может сделать так, чтобы система автоматически откачивала воду при пороговой влажности.

Калибровка датчика влажности - AirValue и WaterValue cont int необходимо заполнять вручную, так как каждый датчик будет немного отличаться.

Пользовательский интерфейс для управления системой.

Шаг 7: Механика - Проектирование (САПР)

Для разработки этой системы я использовал Fusion 360, окончательную сборку можно посмотреть / скачать по ссылке ниже.

a360.co/2NLnAQT

Сборка умещается в зоне конкурса размером 50 см ^ 3 и использует трубу из ПВХ для создания каркаса коробки, а также кронштейн, напечатанный на 3D-принтере, для угловых соединений. В этой раме есть больше деталей, напечатанных на 3D-принтере, которые используются для крепления стен корпуса и светодиодного освещения.

В центре корпуса у нас есть горшок для цветов "Disco Orb", который представляет собой сборку из 4 частей (2 половинки шара, 1 основание шара, 1 трубка). В нем есть специальные вырезы, позволяющие вставить трубку водяного насоса и емкостной датчик влажности в участок почвы.

В основании конструкции вы можете видеть блок управления, в котором размещается электроника и придает жесткость раме. В этом разделе мы можем увидеть дисплей и элементы управления пользовательского интерфейса.

Шаг 8: Механика - детали, напечатанные на 3D-принтере

Для механической сборки требуются различные детали, напечатанные на 3D-принтере, Кронштейны угловой рамы, крепления на боковые панели, дверные петли, крепления для светодиодов и кронштейны для блока управления, Эти детали должны иметь общий вес 750 г и время печати 44 часа.

Детали можно экспортировать из 3D-сборки, указанной на предыдущей странице, или их можно найти здесь, на сайте thingiverse, www.thingiverse.com/thing:4140191

Шаг 9: Механическая часть - Сборка

Обратите внимание, что при сборке я пропустил детали стен корпуса, в основном из-за ограничений по времени и стоимости, Во-первых, нам нужно урезать ПВХ трубу до секций 440 мм, нам понадобится 8 таких секций трубы. 8 печатных кронштейнов для светодиодов и 4 угловых кронштейна.

Теперь нам нужно подготовить светодиодные ленты,

1. Отрежьте полосы по меткам ножниц примерно на 15 см длиной, нам нужно вырезать 8 секций светодиодной ленты.
2. Откройте контактные площадки + и -, удалив немного резины.
3. Припаяйте штыревые разъемы заголовка (отрежьте 3 части и припаяйте каждый конец к контактной площадке)
4. Снимите клейкую пленку с обратной стороны каждой полосы и прикрепите к деталям 3D-принтера с креплением LED.
5. Теперь сделайте кабель, чтобы соединить все плюсы и минусы каждой полосы.
6. Наконец, включите его и убедитесь, что все светодиоды работают.

Шаг 10: Проект - достигнутый прогресс

На этом пока я закончил сборку этого проекта, Я планирую продолжать обновлять это руководство по мере развития проекта,

Что осталось делать

• Полная сборка блока управления
• Бытовая электроника
• Система перекачки тестовой воды
• Проверить прогресс

Шаг 11: извлеченные уроки

Несмотря на то, что на данный момент проект еще не завершен, я все же узнал несколько важных вещей из исследования этого проекта.

Гидродинамика в условиях микрогравитации

Это удивительно сложный предмет, который вводит множество невидимых проблем для стандартной гидродинамики, основанной на гравитации. Все наши естественные инстинкты относительно того, как будут действовать жидкости, выходят за рамки микрогравитации, и НАСА пришлось заново изобрести колесо, чтобы заставить работать относительно простые наземные системы.

Датчик влажности

Узнайте о различных методах, которые обычно используются для определения влажности (объемные датчики, тензиометры и твердотельные датчики, см. Эту ссылку, чтобы хорошо прочитать тему

Незначительные примечания

Труба из ПВХ отлично подходит для быстрого строительства каркасов, Мне нужны столярные инструменты получше!

Планируйте хобби-проекты заранее, сегментируйте задачи и устанавливайте сроки, как на работе!

Шаг 12: Дальнейшая работа

Прочитав о том, как мы управляем гидродинамикой в условиях микрогравитации, я очень заинтересован в разработке собственного решения этой проблемы.

Я хотел бы продолжить эту грубую конструкцию, идея этой системы заключается в использовании сильфонного резервуара с шаговыми двигателями, которые могут сжимать площадь контейнера для поддержания определенного давления в трубе.

Шаг 13: Заключение

Спасибо за чтение. Надеюсь, вам понравилось. Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна помощь с чем-либо, затронутым в этом проекте, не стесняйтесь комментировать!

Джек.