ผู้ปลูกพืชไร้น้ำหนัก "ดิสโก้บอล": 13 ขั้นตอน

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 15:12

สวัสดีผู้อ่าน โปรเจ็กต์นี้เป็นผลงานระดับมืออาชีพสำหรับการประกวด Growing Beyond Earth Maker

โครงการนี้เป็นการพิสูจน์แนวคิดสำหรับการออกแบบชาวไร่ที่มีศักยภาพซึ่งสามารถนำมาใช้ในการปลูกแบบแปลนในสภาวะไร้น้ำหนัก

ตามกฎการแข่งขันที่ฉันระบุความต้องการของระบบ

1. ระบบต้องพอดีกับพื้นที่ 50 ซม.^3
2. ระบบต้องใช้ประโยชน์จากสภาวะไร้น้ำหนัก
3. ระบบสามารถปรับทิศทางในตำแหน่งใดก็ได้
4. ระบบสามารถเป็นแหล่งพลังงานภายนอกจากรางไฟภายในของ ISS
5. ระบบจะต้องทำให้กระบวนการเติบโตเป็นไปโดยอัตโนมัติโดยมีปฏิสัมพันธ์น้อยที่สุดจากนักบินอวกาศ

ด้วยสมมติฐานข้างต้น ฉันจึงเริ่มออกแบบระบบ

ขั้นตอนที่ 1: ข้อเสนอโครงการ

ในการเริ่มต้น ฉันวาดโครงร่างคร่าวๆ ของสิ่งที่ฉันคิดว่าระบบจะมีลักษณะเช่นนี้

ความคิดเริ่มต้นที่ฉันมีคือลูกกลมที่แขวนอยู่ตรงกลางของสภาพแวดล้อมที่กำลังเติบโตโดยมีแสงติดตั้งอยู่บนกรอบโดยรอบ

ฐานของกล่องนี้จะเป็นที่เก็บน้ำและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ในขั้นตอนนี้ ฉันเริ่มแสดงรายการส่วนประกอบที่เป็นไปได้ของระบบดังกล่าว

1. กรอบ - จะต้องเลือกวัสดุกรอบที่เหมาะสม
2. การจัดแสง - ชนิดของแสงจะดีที่สุด? แถบ LED?
3. เซ็นเซอร์ - เพื่อให้ระบบทำงานอัตโนมัติ จะต้องสามารถตรวจจับความชื้น เช่น ความชื้นและอุณหภูมิได้
4. การควบคุม - ผู้ใช้จะต้องมีวิธีการโต้ตอบกับ MCU

เป้าหมายของโครงการนี้คือการสร้างการพิสูจน์แนวคิด โดยอิงจากบทเรียนที่ฉันได้เรียนรู้ ฉันจะจัดทำรายการงานและการพัฒนาในอนาคตที่จำเป็นในการนำแนวคิดนี้ต่อไป

ขั้นตอนที่ 2: การพิสูจน์แนวคิด - BOM

BOM (Bill of Materials) สำหรับโครงการนี้จะมีค่าใช้จ่ายประมาณ 130 ปอนด์สำหรับการสั่งซื้อทุกอย่างที่จำเป็น จากราคานั้นประมาณ 100 ปอนด์ จะถูกใช้เพื่อสร้างหน่วยปลูกพืชเดี่ยว

เป็นไปได้ว่าคุณจะมีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากที่ลดโค้ดลงอย่างมาก

ขั้นตอนที่ 3: อิเล็กทรอนิกส์ - การออกแบบ

ฉันใช้ Fritzing เพื่อวางแผนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่จำเป็นสำหรับโครงการนี้

การเชื่อมต่อควรเป็นดังนี้

LCD 16x2 I2C

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

Rotary Encoder (D3 & D2 ถูกเลือกเนื่องจากเป็นพิน Arduino Uno Interupt)

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

DS18B20 เซ็นเซอร์อุณหภูมิ

1. GND > GND
2. DQ > D4 (Arduino พร้อมดึงขึ้น 5V ที่ 4k7)
3. VDD > 5V

เซ็นเซอร์ความชื้นในดิน

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

โมดูลรีเลย์คู่

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

สำหรับลิงค์อื่นๆ โปรดดูแผนภาพด้านบน

ขั้นตอนที่ 4: อิเล็กทรอนิกส์ - การประกอบ

ฉันประกอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตามที่อธิบายไว้ในไดอะแกรมของหน้าที่แล้ว

ฉันใช้โปรโตบอร์ดเพื่อสร้างเกราะให้กับ Arduino Uno

เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ฉันทำลายกระดานให้มีขนาดประมาณ Uno จากนั้นจึงเพิ่มหมุดส่วนหัวของตัวผู้ซึ่งสอดคล้องกับส่วนหัวของตัวเมียบน Uno

หากการเชื่อมต่อตรงกับไดอะแกรมก่อนหน้านี้ ระบบควรทำงานอย่างถูกต้อง อาจเป็นความคิดที่ดีที่จะจัดวางการเชื่อมต่อในลักษณะที่คล้ายกับฉันเพื่อให้เข้าใจง่าย

ขั้นตอนที่ 5: ซอฟต์แวร์ - วางแผน

แนวคิดทั่วไปสำหรับฟังก์ชันซอฟต์แวร์คือให้ระบบวนรอบการอ่านค่าเซ็นเซอร์อย่างต่อเนื่อง ในทุกรอบ ค่าจะแสดงบน LCD

ผู้ใช้จะสามารถเข้าถึงเมนูได้โดยกดสวิตช์โรตารี่ค้างไว้ เมื่อตรวจพบ UI เมนูจะเปิดขึ้น ผู้ใช้จะมีหน้าไม่กี่หน้า

1. เริ่มปั๊มน้ำ
2. สลับสถานะ LED (เปิด / ปิด)
3. เปลี่ยนโหมดระบบ (อัตโนมัติ / แมนนวล)
4. ออกจากเมนู

หากผู้ใช้เลือกโหมดอัตโนมัติ ระบบจะตรวจสอบว่าระดับความชื้นอยู่ภายในค่าเกณฑ์หรือไม่ หากไม่ใช่ ระบบจะสูบน้ำโดยอัตโนมัติรอความล่าช้าที่กำหนดไว้แล้วจึงตรวจสอบใหม่

นี่เป็นระบบอัตโนมัติขั้นพื้นฐาน แต่จะใช้เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการพัฒนาในอนาคต

ขั้นตอนที่ 6: ซอฟต์แวร์ - การพัฒนา

ห้องสมุดที่จำเป็น

• ดัลลาสอุณหภูมิ
• LiquidCrystal_I2C-มาสเตอร์
• OneWire

หมายเหตุซอฟต์แวร์

รหัสนี้เป็นรหัสฉบับร่างแรกที่ให้การทำงานพื้นฐานของระบบ ประกอบด้วย

ดู Nasa_Planter_Code_V0p6.ino ที่แนบมาสำหรับรหัสระบบรุ่นล่าสุด

การอ่านค่าอุณหภูมิและความชื้นบนจอแสดงผล

โหมดอัตโนมัติและโหมดแมนนวล - ผู้ใช้สามารถทำให้ระบบปั๊มน้ำอัตโนมัติที่ระดับความชื้นได้

การปรับเทียบเซ็นเซอร์ความชื้น - จำเป็นต้องเติมค่า AirValue และ WaterValue ด้วยตนเอง เนื่องจากเซ็นเซอร์แต่ละตัวจะแตกต่างกันเล็กน้อย

ส่วนต่อประสานผู้ใช้สำหรับระบบควบคุม

ขั้นตอนที่ 7: เครื่องกล - การออกแบบ (CAD)

ในการออกแบบระบบนี้ ฉันใช้ Fusion 360 สามารถดู/ดาวน์โหลดแอสเซมบลีสุดท้ายได้จากลิงค์ด้านล่าง

a360.co/2NLnAQT

การประกอบเข้ากับพื้นที่ประกวด 50 ซม.^3 และใช้ท่อพีวีซีสร้างกรอบของกล่อง พร้อมขายึดพิมพ์ 3 มิติสำหรับการต่อเข้ามุม เฟรมนี้มีชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติเพิ่มเติมซึ่งใช้สำหรับยึดผนังตู้และไฟ LED

ตรงกลางของตู้ เรามีลูกแก้ว "Disco Orb" ซึ่งเป็นส่วนประกอบ 4 ส่วน (ลูกกลม 2 ลูกครึ่ง ลูกกลม 1 ลูก ลูกกลม 1 ลูก) มีช่องเจาะเฉพาะเพื่อให้สามารถเสียบท่อปั๊มน้ำและเซ็นเซอร์ความชื้นแบบ capacitive ลงในส่วนของดินได้

ที่ฐานของการออกแบบ คุณจะเห็นกล่องควบคุม ซึ่งประกอบไปด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และให้ความแข็งแกร่งของเฟรม ในส่วนนี้ เราจะเห็นหน้าจอส่วนต่อประสานผู้ใช้และส่วนควบคุม

ขั้นตอนที่ 8: กลไก - ชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติ

การประกอบเครื่องจักรต้องใช้ชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติต่างๆ

ขายึดกรอบมุม, ขายึดแผงด้านข้าง, บานพับประตู, ขายึด LED และขายึดกล่องควบคุม, ชิ้นส่วนเหล่านี้ควรมีน้ำหนักรวมประมาณ 750 กรัม และใช้เวลาพิมพ์ 44 ชั่วโมง

ชิ้นส่วนสามารถส่งออกได้จากแอสเซมบลี 3D ที่เชื่อมโยงในหน้าก่อนหน้าหรือสามารถพบได้ในสิ่งที่นี่

www.thingiverse.com/thing:4140191

ขั้นตอนที่ 9: เครื่องกล - การประกอบ

โปรดทราบว่า myassembly ฉันข้ามส่วนผนังตู้ ส่วนใหญ่เนื่องจากข้อจำกัดด้านเวลาและต้นทุน

ก่อนอื่นเราต้องตัดท่อพีวีซีให้เหลือ 440 มม. เราจะต้องตัดท่อ 8 ส่วนแบบนี้ 8 LED Mounts พิมพ์และ 4 กรอบวงเล็บมุม

ตอนนี้เราต้องเตรียมแถบ LED

1. ตัดแถบที่เครื่องหมายกรรไกรที่ความยาวประมาณ 15 ซม. เราจำเป็นต้องตัดแถบ LED 8 ส่วน
2. เปิดแผ่น + & - โดยเอายางออกเล็กน้อย
3. ประสานขั้วต่อส่วนหัวของตัวผู้ (ตัดส่วนที่ 3 และประสานปลายแต่ละด้านเข้ากับแผ่นรอง)
4. ถอดตัวป้องกันกาวที่ด้านหลังของแต่ละแถบออก และติดเข้ากับชิ้นส่วนเครื่องพิมพ์ 3D แบบติด LED
5. ตอนนี้ทำสายเคเบิลเพื่อเชื่อมโยงขั้วบวกและลบทั้งหมดของแต่ละแถบ
6. ในที่สุดก็เปิดเครื่องและตรวจสอบว่าไฟ LED ทั้งหมดกำลังทำงาน

ขั้นตอนที่ 10: โครงการ - ความคืบหน้าจนถึงตอนนี้

เท่าที่ฉันได้ผ่านการชุมนุมของโครงการนี้

ฉันวางแผนที่จะอัปเดตคู่มือนี้ต่อไปในขณะที่โครงการพัฒนา

เหลืออะไรให้ทำ

• ประกอบกล่องควบคุมครบชุด
• เครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน
• ทดสอบระบบสูบน้ำ
• ตรวจสอบความคืบหน้า

ขั้นตอนที่ 11: บทเรียนที่ได้รับ

แม้ว่าตอนนี้โครงการจะยังไม่เสร็จสมบูรณ์ แต่ฉันก็ยังได้เรียนรู้สิ่งสำคัญบางอย่างจากการค้นคว้าโครงการนี้

พลวัตของไหลในสภาวะไร้น้ำหนัก

นี่เป็นหัวข้อที่ซับซ้อนอย่างน่าอัศจรรย์ ซึ่งนำเสนอปัญหาที่มองไม่เห็นมากมายสำหรับไดนามิกของไหลตามแรงโน้มถ่วงมาตรฐาน สัญชาตญาณตามธรรมชาติทั้งหมดของเราว่าของเหลวจะไหลออกนอกหน้าต่างอย่างไรในสภาวะไร้น้ำหนัก และ NASA ต้องประดิษฐ์วงล้อขึ้นใหม่เพื่อให้ระบบที่ทำงานบนดินค่อนข้างง่ายจึงจะสามารถทำงานได้

การตรวจจับความชื้น

เรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการต่างๆ ที่ใช้กันทั่วไปในการตรวจจับความชื้น (Volumetric Sensors, Tensiometers & Solid State ดูลิงค์นี้สำหรับการอ่านที่ดีในหัวข้อ

หมายเหตุเล็กน้อย

ท่อพีวีซี เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างเฟรมอย่างรวดเร็ว

ฉันต้องการเครื่องมือช่างไม้ที่ดีกว่านี้!

วางแผนล่วงหน้าเกี่ยวกับโปรเจ็กต์งานอดิเรก แบ่งส่วนงาน และกำหนดเส้นตายเหมือนที่ทำงาน!

ขั้นตอนที่ 12: งานในอนาคต

หลังจากอ่านวิธีที่เราจัดการไดนามิกของไหลในสภาวะไร้น้ำหนัก ฉันสนใจมากที่จะออกแบบวิธีแก้ปัญหาของตัวเองสำหรับปัญหา

ฉันต้องการนำการออกแบบคร่าวๆ นี้เพิ่มเติม แนวคิดสำหรับระบบนี้คือการใช้ถังสูบลมที่มีสเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่สามารถบีบอัดพื้นที่คอนเทนเนอร์เพื่อรักษาแรงดันท่อให้คงที่

ขั้นตอนที่ 13: บทสรุป

ขอบคุณสำหรับการอ่าน ฉันหวังว่าคุณจะสนุก หากคุณมีคำถามหรือต้องการความช่วยเหลือเกี่ยวกับเนื้อหาในโครงการนี้ โปรดแสดงความคิดเห็น!

แจ็ค.