ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»
МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ им. А.Н. ТИХОНОВА
Выпускная квалификационная работа
по направлению Инфокоммуникационные технологии и системы связи
студента образовательной программы бакалавриата «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
Студент
П.А. Бугрова
Руководитель
И. А. Иванов
Москва 2020 г.
Аннотация
В данной выпускной квалификационной работе освещены этапы разработки прототипа системы автоматизированной очистки воздуха. Полученное устройство способно улучшить климат в квартире и качество воздуха. Ключевая особенность прибора заключается в интегрированной системе обеззараживания воздуха. Электрическая схема разработана на базе микроконтроллера Atmega328P в программном комплексе Proteus, а её топология в среде разработки печатных плат Dip Trace. Логика работы устройства написана на языке программирования C++ в среде разработки Arduino IDE. В трехмерном комплексе Autodesk Inventor спроектирована 3D модель корпуса устройства с пояснительными чертежами. Полученный прототип устройства протестирован на эффективность в жилом помещении.
Abstract
This final qualifying paper highlights development stages of a prototype system for automated air purification. The resulting device can improve the climate in the apartment and air quality. A key feature of the device is an integrated air disinfection system. The circuitry was developed based on the Atmega328P microcontroller in the Proteus software package, and its topology in the development environment of printed circuit boards Dip Trace. The logic of the device is written in the programming language C ++ in the development environment Arduino IDE. In the three-dimensional complex Autodesk Inventor, a 3D model of the device case with explanatory drawings was designed. The resulting prototype device is tested for efficiency in a residential area.
Список сокращений
1. АЦП - Аналого-цифровой преобразователь
2. МОП - Металл-оксид-полупроводник
3. ЭПРА - Электронный пускорегулирующий аппарат
4. LCD - Liquid Crystal Display
5. I2C - Inter-Integrated Circuit
6. ISP - In-System Programming
7. SS - Slave Select
8. MISO - Master In Slave Out
9. MOSI - Master Out Slave In
10. SCK- Serial Clock
11. DC - Direct Current
12. SPA - Data Lineвв
13. SCL - Clock Line
14. IDE - Integrated Development Environment
15. PCB - Printed Circuit Board
Оглавление
Введение
1. Обзор и анализ аналогов
1.1 Виды увлажнителей воздуха
1.2 Сравнение моек воздуха различных производителей
1.3 Сравнение рециркуляторов различных производителей
1.4 Постановка цели и этапов разработки
2. Разработка прототипа устройства
2.1 Структурная схема системы автоматизированной очистки воздуха
2.2 Разработка схемы электрической принципиальной
2.3 Разработка печатной платы блока управления
2.4 Разработка блока обеззараживания воздуха
2.5 Алгоритм работы устройства
2.6 Тестирование алгоритма работы
2.7 Прошивка микроконтроллера Atmega 328P
2.8 Проектирование корпуса
3. Тестирование прототипа в реальных условиях
3.1 Сборка прототипа
3.2 Результаты тестирования прототипа
Заключение
Список литературы
Приложение
Введение
В любое время года необходимо поддерживать благоприятный микроклимат в жилом помещении. В зимний период времени система отопления дома сильно сушит воздух (снижает уровень влажности), что вредно воздействует на организм человека: снижается концентрация и внимание, повышается общая усталость организма, ухудшается качество сна и падает иммунитет. При постоянном прибывание человека в помещении с низкой влажностью может привести к развитию аллергии или появлению симптомов астмы. В летнее время года повысить уровень влажности в квартире можно путем проветривания, однако данный способ не слишком эффективен, так как вместе с уличным воздух в помещении попадает пыль и выхлопные газы автомобилей. [1]
Для предотвращения пагубного влияния сухого воздуха на организм человека на рынке представлено многообразие различных решений, отличающихся между собой принципом работы, функционалом и стоимостью. Однако зачастую бюджетный прибор, обеспечивающий необходимый уровень влажности в квартире, не оправдывает затраченных средств: выходит из строя, портит мебель, не соответствует указанному функционалу, не подходит для людей с аллергическими заболеваниями. Все эти проблемы может решить устройство, способное на молекулярном уровне насытить воздух влагой, однако цены на такие приборы высокие.
В своей работе я освещу этапы разработки и создания с последующим тестированием производительности бюджетного прототипа вышеупомянутого устройства. Помимо контроля уровня влажности в прототипе предусмотрена функция для уничтожения микробов. Данная модификация позволит предотвратить распространения заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем, среди жильцов.
1. Обзор и анализ аналогов
1.1 Виды увлажнителей воздуха
Для поддержания необходимого уровня влажности в квартире используют различные виды увлажнителей воздуха:
1. Традиционные увлажнители (эффект холодного пара или мойка воздуха) (рисунок 1):
Воздух в помещении увлажняется за счёт естественного испарения холодной воды. Вентилятор пропускает воздух через вращающийся пластиковый диск, с поверхности которого происходит испарение холодной воды и воздух, наполненный влагой, поступает обратно в помещение.[2]
Одним из основных преимуществ данного способа увлажнения является поддержание благоприятной для человека обстановки: уровень влажности соответствует температуре окружающей среды, то есть воздух не сможет поглотить больше молекул воды, чем предусмотрено при данной температуре. Например: при температуре +15?С для относительной влажности воздуха 55% количество водяного пара в воздухе может быть максимум 7,04 г/м3, а при той же температуре и 65% уровне влажности максимум 8,32 г/м3 водяного пара. [3] Более того, при использовании традиционного увлажнителя исключено образования белого налета на мебели, так как все примеси оседают в поддоне с водой вместе с пылью. Такой тип прибора потребляют примерно 20-50 Вт мощности при расходе 3,5-8 литров воды в сутки.[2]
Рисунок 1 - Структура традиционного увлажнителя.
2. Паровые увлажнители (рисунок 2):
Принцип действия увлажнителя сводится к закипанию воды в резервуаре с помощью нагревательного элемента. Прибор автоматически отключается, когда вода в поддоне полностью выкипает. Для контроля уровня влажности обязательно встраивается соответствующий датчик, который сигнализирует прибору о достижении оптимального уровня влажности, после чего прибор отключается, иначе может произойти переувлажнение воздуха. Существует вероятность получить ожог от нагретого пара, что является значительным недостатком, если в доме есть дети. Прибор имеет хорошую производительность порядка 700 миллилитров воды в час, что способствует быстрому увлажнению воздуха в помещении. Однако за высокую производительность приходится платить потребляемой мощностью 300-600 Вт. [2]
Рисунок 2 - Структура парового увлажнителя.
3. Ультразвуковые увлажнители (рисунок 3):
Вода из резервуара с водой попадает на ультразвуковую мембрану, где под действием высокой частоты расщепляется на мелкие капли. Встроенный вентилятор пропускает через капли воды сухой комнатный воздух и на выходе получится облако пара. В такого типа увлажнителях предусмотрен картридж для очистки воды от извести, однако его нужно регулярно менять, иначе вместе с увлажненным воздухом потребитель получит кальций, оседающий белым налетом на мебели. Кроме того, в поддон лучше всего заливать отфильтрованную воду, так как водопроводная вода значительно уменьшит срок службы вибрирующей мембраны. Потребляемая мощность 40-50 Вт при расходе воды 7-12 литров в сутки. [2]
Рисунок 3 - структура ультразвукового увлажнителя.
После обзора существующих видов увлажнителей воздуха, сравнения их принципов работы, а также достоинств и недостатков, было принято решение, что в основу дальнейшей разработки ляжет технология холодного испарения мойки воздуха, так как обладает рядом преимуществ по сравнению с паровыми и ультразвуковыми увлажнителями:
1. Безопасно для людей с аллергией: предварительная очистка воздуха от пыли и других мелких частиц.
2. Отсутствие белого налета на мебели: содержащиеся в воде примеси оседают в поддоне с водой, увлаженный воздух поступает в помещения без частиц кальция.
3. Нет привередливости к воде: традиционные увлажнители не требует предварительной фильтрации воды при заливе в резервуар.
4. Отсутствие расходных материалов: такой тип прибора не требует постоянной очистки и замены фильтра.
5. Безопасно для детей: ребёнок не может получить ожог, так как вода в поддоне холодная.
6. Отсутствует переувлажнение воздуха: естественное испарение воды происходит в соответствие с максимально допустим значение водяного пара в воздухе при заданной температуре окружающей среды.
1.2 Сравнение моек воздуха различных производителей
Рассмотрим самые популярные модели моек воздуха от известных производителей. Ключевыми показателями сравнения будут: цена, функционал, технические характеристики, площадь действия и габариты устройства.
1) Мойка воздуха Philips HU 5930/10 (рисунок 4)
· Площадь помещения: до 70кв.м
· Мощность: 11Вт
· Производительность (расход воды) 500мл/ч
· Уровень шума: 53Дб
· Размеры: 446x460x275 мм
Достоинства: 4 режима настройки уровня влажности (от 40% до 60% с шагом 10% и непрерывный режим увлажнения), 3 скорости работы вентилятора с возможностью установить автоматический режим, наличие таймера от 1 до 8 ч., четырёхступенчатая фильтрация воздуха, индикация температуры и влажности, а также низкого уровня воды в поддоне.
Недостатки: относительно высокая цена устройства 24000руб, небольшая емкость для воды всего 4л, несоответствие реальных размеров увлажняемой площади с заданными в паспорте устройства, дополнительные затраты на замену фильтров, неудобная конструкция резервуара для замены воды, нет предупреждения о достижении заданного уровня влажности.
Рисунок 4 - Philips HU 5930/10
2) Мойка воздуха Venta LW45 (рисунок 5)
· Площадь помещения: до 75кв.м
· Мощность: 8Вт
· Производительность (расход воды) 450 мл/ч
· Уровень шума: 45Дб
· Размеры: 450x330x300 мм
Достоинства: достаточный объём поддона с водой 10л, 3 скорости работы вентилятора, низкая потребляемая мощность, простая конструкция (нет дополнительных фильтров, только вентилятор и вращающийся барабан), индикация о низком уровне воды, увлажнение площади помещения свыше указанных значений. воздух печатный плата микроконтроллер
Недостатки: отсутствует встроенный датчик влажности (необходимо приобретать отдельно гигрометр), высокая стоимость 32000 руб., шумный вентилятор.
Рисунок 5 - Venta LW45
3) Мойка воздуха Sharp KC-D41RW/RB (рисунок 6)
· Площадь помещения: до 26 кв.м
· Мощность: 12Вт
· Производительность (расход воды) 440 мл/ч
· Уровень шума: 55Дб
· Размеры: 399x230x615 мм
Достоинства: трёхступенчатая фильтрация воздуха, дополнительная ионизация воздуха, мобильность передвижения за счёт встроенных колёсиков, датчики температуры и влажности, индикация низкого уровня воды и загрязнения фильтров, цена порядка 20000 руб, гарантия работы фильтров 10 лет.
Недостатки: маленький объём резервуара с водой 2,5 л., нет возможности задать необходимый уровень влажности, прибор увлажняет до 60% автоматически.
Рисунок 6 - Sharp KC-D41RW/RB
4) Мойка воздуха Winia AWM-40 (рисунок 7)
· Площадь помещения: до 28 кв.м
· Мощность: 11Вт
· Производительность (расход воды) 400 мл/ч
· Уровень шума: 30 Дб
· Размеры: 315x390x310 мм
Достоинства: низкая стоимость по сравнению с конкурентами 15000 руб., предупреждение о недостаточном уровне воды и загрязнении фильтров, дополнительная ионизация воздуха, ночной режим работы, удобная замена воды.
Недостатки: некорректная работа датчика влажности, плохая калибровка вентилятора, нет возможности отключить ионизацию, больший расход воды, чем указано производителем, нет функции установки необходимой относительной влажности воздуха, прибор автоматически увлажняет воздух до 60 %.
Рисунок 7 - Winia AWM-40
5) Мойка воздуха Ballu AW-320/AW-325 (рисунок 8)
· Площадь помещения: до 50 кв.м
· Мощность: 15Вт
· Производительность (расход воды) 300 мл/ч
· Уровень шума: 25 Дб
· Размеры: 392x410x295 мм
Достоинства: низкая цена устройства 10000 руб., низкий уровень шума, емкость для использования ароматических масел, отсутствие дополнительных затрат на замену фильтров, большая площадь дисков барабана, встроенный датчик влажности, 4 режима работы вентилятора, предупреждение о необходимости заменить воду в поддоне, функция установки уровня влажности от 40 % до 75 %