Máy trồng cây siêu trọng lực "Disco Ball": 13 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Xin chào độc giả, dự án này là một bài dự thi chuyên nghiệp cho Cuộc thi Người làm phát triển vượt ra ngoài Trái đất.

Dự án này là một bằng chứng về khái niệm cho một thiết kế trồng cây tiềm năng có thể được sử dụng để phát triển kế hoạch trong không trọng lực.

Dựa trên quy tắc cuộc thi, tôi đã liệt kê yêu cầu của hệ thống,

1. Hệ thống phải vừa với diện tích 50cm ^ 3.
2. Hệ thống phải tận dụng lợi thế của vi trọng lực.
3. Hệ thống có thể được định hướng ở bất kỳ vị trí nào
4. Hệ thống có thể được cấp nguồn bên ngoài từ đường ray nguồn bên trong của ISS.
5. Hệ thống phải tự động hóa phần lớn quá trình phát triển với sự tương tác tối thiểu từ các phi hành gia.

với các giả định trên, tôi bắt đầu thiết kế hệ thống.

Bước 1: Đề xuất dự án

Để bắt đầu, tôi đã vẽ một phác thảo sơ bộ về những gì tôi nghĩ hệ thống có thể trông như thế nào, Ý tưởng ban đầu mà tôi có là một quả cầu lơ lửng ở trung tâm của môi trường đang phát triển với ánh sáng được gắn trên khung xung quanh.

Phần đế của hộp này sẽ chứa nước & thiết bị điện tử.

Ở giai đoạn này, tôi bắt đầu liệt kê sắp xếp các thành phần tiềm năng của một hệ thống như vậy,

1. Khung - Cần chọn vật liệu khung phù hợp
2. Ánh sáng - Loại ánh sáng nào sẽ là tốt nhất? Dải dẫn?
3. Cảm biến - Để hệ thống được tự động hóa, nó sẽ cần phải có khả năng cảm nhận những thứ về độ ẩm như chế độ và nhiệt độ.
4. Kiểm soát - Người dùng sẽ cần một cách tương tác với MCU

Mục tiêu của dự án này là tạo ra một bằng chứng về khái niệm, dựa trên những bài học kinh nghiệm, tôi sẽ lập danh sách các công việc & sự phát triển cần thiết trong tương lai để đưa ý tưởng này đi xa hơn.

Bước 2: Chứng minh khái niệm - BOM

BOM (Bill of Materials) cho dự án này sẽ có giá khoảng £ 130 để đặt hàng mọi thứ cần thiết, trong đó chi phí khoảng £ 100 sẽ được sử dụng để tạo ra một đơn vị trồng cây duy nhất.

Có khả năng bạn sẽ có một phần lớn các thành phần điện tử giảm đáng kể mã.

Bước 3: Điện tử - Thiết kế

Tôi đã sử dụng Fritzing để lên kế hoạch cho các thiết bị điện tử cần thiết cho dự án này, Các kết nối sẽ diễn ra như sau,

LCD 16x2 I2C

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

Bộ mã hóa quay (D3 & D2 được chọn vì chúng là các chân Arduino Uno Interupt)

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

Cảm biến nhiệt độ DS18B20

1. GND> GND
2. DQ> D4 (Arduino, với 5V kéo lên 4k7)
3. VDD> 5V

Cảm biến độ ẩm của đất

1. A> A0 (Arduino)
2. -> GND
3. +> 5V

Mô-đun chuyển tiếp kép

1. VCC> 5V
2. INC2> D12 (Arduino)
3. INC1> D13 (Arduino)
4. GND> GND

Đối với các liên kết khác, vui lòng xem sơ đồ trên.

Bước 4: Điện tử - Lắp ráp

Tôi đã lắp ráp các thiết bị điện tử như được mô tả trong sơ đồ của trang trước, Tôi đã sử dụng protoboard để làm tấm chắn cho Arduino Uno, Để làm điều này, tôi đã phá vỡ bảng thành gần bằng kích thước của Uno, sau đó thêm các chân tiêu đề nam thẳng hàng với các tiêu đề nữ trên Uno.

Nếu các kết nối khớp với sơ đồ trước đó, hệ thống sẽ hoạt động chính xác, có thể là một ý kiến hay để bố trí các kết nối theo kiểu tương tự với tôi để đơn giản hơn.

Bước 5: Phần mềm - Kế hoạch

Ý tưởng chung cho chức năng phần mềm là để hệ thống liên tục lặp lại việc đọc các giá trị cảm biến. Vào mỗi chu kỳ, các giá trị sẽ được hiển thị trên màn hình LCD.

Người dùng sẽ có thể truy cập menu bằng cách giữ nút xoay xuống, khi điều này được phát hiện, giao diện người dùng menu sẽ mở ra. Người dùng sẽ có sẵn một vài trang,

1. Khởi động máy bơm nước
2. Chuyển đổi trạng thái đèn LED (Bật / Tắt)
3. Thay đổi chế độ hệ thống (Tự động / Thủ công)
4. Thoát menu

Nếu người dùng đã chọn Chế độ tự động, hệ thống sẽ kiểm tra xem mức độ ẩm có nằm trong giá trị ngưỡng không, nếu không, hệ thống sẽ tự động bơm nước chờ một khoảng thời gian cố định và kiểm tra lại.

Đây là một hệ thống tự động hóa cơ bản nhưng sẽ hoạt động như một điểm khởi đầu cho những phát triển trong tương lai.

Bước 6: Phần mềm - Phát triển

Thư viện bắt buộc

• DallasTempe Nhiệt
• LiquidCrystal_I2C-master
• OneWire

Ghi chú phần mềm

Mã này là mã dự thảo đầu tiên cung cấp cho hệ thống chức năng cơ bản, nó bao gồm

Xem Nasa_Planter_Code_V0p6.ino đính kèm để biết phiên bản mới nhất của mã hệ thống, Các chỉ số nhiệt độ & độ ẩm trên màn hình.

Chế độ Tự động & Chế độ Thủ công - Người dùng có thể làm cho hệ thống tự động bơm nước ở độ ẩm ngưỡng cho phép

Hiệu chuẩn cảm biến Moisuture - Nội dung tiếp theo của AirValue & WaterValue cần được đổ đầy thủ công vì mỗi cảm biến sẽ hơi khác nhau.

Giao diện người dùng để điều khiển hệ thống.

Bước 7: Cơ khí - Thiết kế (CAD)

Để thiết kế hệ thống này, tôi đã sử dụng Fusion 360, bản lắp ráp cuối cùng có thể được xem / tải xuống từ liên kết bên dưới

a360.co/2NLnAQT

Việc lắp ráp vừa với diện tích cuộc thi là 50cm ^ 3 và đã sử dụng ống nhựa PVC để làm khung của hộp, với khung in 3D cho các góc ghép. Khung này có nhiều bộ phận in 3D hơn được sử dụng để gắn các bức tường bao vây và đèn LED chiếu sáng.

Ở trung tâm của thùng loa, chúng tôi có giàn trồng "Quả cầu Disco" là một cụm 4 phần, (2 nửa quả cầu, 1 đế quả cầu, 1 ống). Điều này có các đường cắt cụ thể để cho phép đưa ống bơm nước & cảm biến độ ẩm điện dung vào phần đất.

Ở phần đáy của thiết kế, bạn có thể nhìn thấy hộp điều khiển, hộp này chứa các thiết bị điện tử và tạo độ cứng cho khung. Trong phần này, chúng ta có thể thấy hiển thị & Điều khiển Giao diện Người dùng.

Bước 8: Cơ khí - Bộ phận in 3D

Việc lắp ráp cơ khí yêu cầu các bộ phận in 3D khác nhau, Khung góc, Giá đỡ bảng điều khiển bên, Bản lề cửa, Giá đỡ LED & Giá đỡ hộp điều khiển, Các bộ phận này có tổng trọng lượng khoảng 750g và thời gian in là 44 giờ.

Các bộ phận có thể được xuất từ bản lắp ráp 3D được liên kết trên trang trước hoặc có thể được tìm thấy trên điều ngược lại ở đây, www.thingiverse.com/thing:4140191

Bước 9: Cơ khí - Lắp ráp

Lưu ý rằng phần lắp ráp của tôi, tôi đã bỏ qua các bộ phận của tường bao vây, chủ yếu là do giới hạn về thời gian và chi phí, Đầu tiên, chúng ta cần cắt ống PVC xuống các đoạn 440mm, chúng ta sẽ cần 8 đoạn ống như thế này. 8 Giá đỡ LED được in & 4 Giá đỡ ở góc khung.

Bây giờ chúng ta cần chuẩn bị các dải đèn LED,

1. Cắt các dải ở dấu cắt kéo có độ dài khoảng 15cm, chúng ta cần cắt 8 phần dải LED
2. Để lộ các miếng đệm + & - bằng cách loại bỏ một chút cao su
3. Hàn xuống các đầu nối đầu nối nam (Cắt các phần của 3 và hàn mỗi đầu vào một miếng đệm)
4. Tháo lớp bảo vệ kết dính ở mặt sau của mỗi dải và gắn vào các bộ phận của máy in 3D gắn đèn LED.
5. Bây giờ hãy tạo một sợi cáp để liên kết tất cả các mặt tích cực và tiêu cực của mỗi dải
6. Cuối cùng, bật nguồn và kiểm tra xem tất cả các đèn LED đang hoạt động

Bước 10: Dự án - Tiến độ cho đến nay

Cho đến nay, đây là chừng mực mà tôi đã có trong quá trình lắp ráp dự án này, Tôi dự định tiếp tục cập nhật hướng dẫn này khi dự án phát triển,

Còn gì để làm

• Hoàn thành lắp ráp hộp điều khiển
• Điện tử gia dụng
• Kiểm tra hệ thống bơm nước
• Xem lại tiến trình

Bước 11: Bài học kinh nghiệm

Mặc dù cho đến nay dự án vẫn chưa được hoàn thành, tôi vẫn học được một số điều quan trọng từ việc nghiên cứu dự án này.

Động lực học chất lỏng trong Trọng lực nhỏ

Đây là một chủ đề phức tạp đáng kinh ngạc, giới thiệu rất nhiều vấn đề chưa từng thấy đối với động lực học chất lỏng dựa trên trọng lực tiêu chuẩn. Tất cả bản năng tự nhiên của chúng ta về cách chất lỏng sẽ hoạt động ra ngoài cửa sổ trong môi trường vi trọng lực và NASA đã phải phát minh lại bánh xe để có được các hệ thống tương đối đơn giản trên trái đất hoạt động.

Cảm biến độ ẩm

Tìm hiểu về các phương pháp khác nhau thường được sử dụng để phát hiện độ ẩm (Cảm biến thể tích, Máy đo độ căng & Trạng thái rắn, hãy xem liên kết này để đọc tốt về chủ đề

Ghi chú nhỏ

Ống PVC là sản phẩm tuyệt vời để nhanh chóng xây dựng khung, Tôi cần những công cụ làm đồ gỗ tốt hơn!

Lên kế hoạch trước cho các dự án sở thích, phân đoạn nhiệm vụ và đặt thời hạn giống như tại nơi làm việc!

Bước 12: Công việc trong tương lai

Sau khi đọc về cách chúng tôi quản lý động lực học chất lỏng trong không trọng lực, tôi rất quan tâm đến việc thiết kế giải pháp của riêng mình cho vấn đề, Tôi muốn đưa thiết kế thô này đi xa hơn, ý tưởng cho hệ thống này là sử dụng một bình chứa có ống thổi với động cơ bước có thể nén khu vực bình chứa để duy trì một áp suất đường ống nhất định.

Bước 13: Kết luận

Cảm ơn bạn đã đọc Tôi hy vọng bạn thích, nếu bạn có bất kỳ câu hỏi hoặc muốn giúp đỡ về bất cứ điều gì được đề cập trong dự án này, hãy bình luận!

Jack.