Первый этап -- это сборка схемы согласно рисунку 19, но без подключения к плате. Затем необходимо настроить внутренний программатор ISP Arduino UNO для этого в среде разработке выбирается программатор “Arduino as ISP” и загружается из встроенных примеров скетч “ArduinoISP”. Теперь плата настроена в качестве программатора. Осталось подключить необходимые провода и прошить загрузчик с помощью соответствующей команды в инструментах среды разработки. Для загрузки скетча используется команда “Загрузить через программатор”. [13]
Основные преимущества такого метода загрузки кода в микроконтроллер: отсутствие дополнительных устройств, таких как внешние программаторы, и уменьшение размеров разрабатываемого устройства с сохранением всех функций среды разработки Arduino UNO за счёт применения не готовой платы, а отдельного микроконтроллера с минимальной обвязкой.
2.8 Проектирование корпуса
Для создания корпуса была выбрана система трёхмерного проектирования Autodesk Inventor. Данная программа позволяет создать полный цикл проектирования: создание 2D эскиза, а затем преобразование эскиза в 3D модель, после чего сборка устройства из различных 3D моделей и на основе полученной трехмерной модели устройства создание чертежей. Поддерживается формат чертежей DWG для чтения в Autocad. Также есть возможность распечатать созданный проект на 3D принтере. Встроено автоматическое изменение размеров во всех связанных с деталью проектах. Еще одним преимуществом является возможность получить лицензию на пользования данным инструментом для трехмерного проектирования по студенческой подписке на два года бесплатно.
Корпус системы автоматизированной очистки воздуха состоит из трёх съёмных частей (рисунок 20). Крепления частей корпуса осуществляют выступы на нижних гранях каждой части и соответствующие канавки на верхних гранях. Нижняя часть, где расположен вращающийся барабан для очистки и увлажнения воздуха, выполняет функцию резервуара с водой. За счёт выбранной конструкции крепления без труда можно заменить воду в резервуаре для воды, а также промыть его и барабан. Для вращения барабана необходимо дополнительно разместить шарикоподшипники на выступающем цилиндрическом стержне (рисунок 22), а также закрепить DC мотор на задней грани нижней части корпуса. Датчик уровня воды крепится на боковую грань нижней части корпуса системы. Устойчивости корпуса обеспечивают ребра жесткости в нижней части конструкции. В средней части расположены полочки для размещения бактерицидной лампы, ЭПРА, а также управляющего устройства. На боковой и задней грани предусмотрены крепления для проводов. Для выхода увлажненного воздуха встроены решетки на задней и передней грани средней части корпуса. Разъём питания расположен на задней грани средней части корпуса. Для забора воздуха на крышке корпуса также предусмотрена решетка, в которой будет размещен кулер. Дисплея вставляется в крышку корпуса в соответствующий разъём. Такая конструкция корпуса позволит легко производить техническое обслуживание всех компонентов системы автоматизированной очистки воздуха. Чертежи корпуса и подробные размеры представлены на рисунке 21.
Рисунок 20 - Корпус системы автоматизированной очистки воздуха
Рисунок 21 - Чертёж корпуса системы автоматизированной очистки воздуха
Проектирование вращающего барабана (рисунок 22) выполнено с учетом размеров корпуса. Барабан служит для ускорения процесса насыщения воздуха влагой, а также способствует очистки от мелких частиц. Лопасти барабана расположены на цилиндрическом стержне. Внутри стержня основания размещен цилиндрический стержень меньшего диаметра и большей длины для крепления барабана в корпусе. На переднем внешним диске сделана выемка для крепления ГРМ ремня от DC мотора. Чертежи барабана и подробные размеры представлены на рисунке 23.
Рисунок 22 - Вращающийся барабан
Рисунок 23 - Чертёж вращающегося барабана
Для эргономичности печатной платы и защиты её компонентов от влаги смоделирован корпус (рисунок 24), который будет размещен на внутренней полочке корпуса устройства. Размеры корпуса чуть больше габаритов печатной платы для размещения проводных соединений. Крышка корпуса платы съёмная, для дополнительной фиксации предусмотрено винтовое крепление. Расположение печатной платы внутри корпуса вертикальное.
Рисунок 24 - Корпус печатной платы
3. Тестирование прототипа в реальных условиях
3.1 Сборка прототипа
Принципиальная схема управляющего блока устройства была собрана на макетной плате как показано на рисунке 25.
Микроконтроллер можно перезагрузить с помощью кнопки. Для технического обслуживания устройства предусмотрено поверхностное подсоединение кулеров и мотора с помощью соответствующих парных выводов. Габариты макетной платы 7Ч9 см.
Рисунок 25 - Управляющий блок устройства
В качестве корпуса платы был выбран контейнер для еды размерами 10Ч18 см. На крышке корпуса вырезаны разъёмы для LCD дисплея и кнопка управления режимами работы кулеров. Для удобства подключения датчиков, кулеров и мотора предусмотрено квадратное отверстие, которое также служит для отвода тепла. Разъём питания встроен на стенки корпуса. Внутри корпус проклеен изолентой для обеспечения изоляции между компонентов платы. Расположение корпуса показано на рисунке 26.
Контейнер объёмом 15 литров (рисунок 26) был выбран корпусом устройства, куда будет заливаться вода. По периметру расположены отверстия диаметров 0,5 мм для выхода увлажненного воздуха. На крышке корпуса расположены два кулера для забора неувлажнённого воздуха. Для устойчивости каждый из кулеров закреплен на крышке корпуса с помощью двух винтов. Внутри корпуса на цилиндрическом стержне расположен вращающийся барабан, изготовленный из 30 предварительно зашкуренных CD дисков. Диски закреплены с двух сторон тугими резинками. Внутри корпуса цилиндрический стержень, с одной стороны, опирается на клипсу для крепления труб, а другая его часть проходит на сквозь корпуса, где изнутри стержень закреплен резинкой, а снаружи таким же образом на нем закреплен вал для вращения барабана. Вал сделан из трех склеенных между собой CD дисков, где у среднего диаметр меньше на 2 мм, чем у внешних. Вал барабана и ролик мотора соединены с помощью привода, которым является денежная резинка. DC мотор закреплен внутри корпуса на 4 винта. Движения вала мотора приводит в движение вращающийся барабан.
Рисунок 26 - Прототип системы автоматизированной очистки воздуха
Датчик температуры и влажно крепится на одной из стенок корпуса немного ниже отверстий выхода увлажненного воздуха. Датчик уровня воды расположен на боковой стенке корпуса на минимальной высоте, при которой барабан уже не касается воды.
3.2 Результаты тестирования прототипа
Проверка работоспособности прототипа и его эффективности проводилась в помещении 10 м2. Для сравнения показателей эффективности выбран ультразвуковой увлажнитель фирмы MARTA. Время тестирования каждого устройства составляет 40 минут. Прототип и ультразвуковой увлажнитель тестировались с промежутком во времени, для снижения значения уровня влажности в помещении. Снятия показаний в обоих случаях проводились раз в 30 секунд. Полученные результаты отображены на рисунке 27.
Рисунок 27 - График изменения влажности для увлажнителя и прототипа
За 40 минут прототип устройства повысил влажность в помещении на 9%, а ультразвуковой увлажнитель на 8%. Колебание измерений в обоих случая обусловлено неравномерностью распределения увлажненных масс воздуха в помещении. В случае ультразвукового увлажнителя амплитуда колебаний больше, так как чувствительность датчика влажности выше. У датчика DHT11 опрос показаний происходит не чаще чем каждые 2 секунды и из-за этого амплитуда колебаний меньше.
В целом прототип показал результат немного лучше ультразвукового увлажнителя. Преимуществом прототипа также является отсутствие конденсата на полу, который остаётся после использования увлажнителя и может привести к рассыханию покрытия пола. Кроме функции увлажнения прототип включает в себя функцию очистки воздуха от мелких частиц, которые остаются в виде осадка на дне корпуса устройства. Уровень шума обоих устройств примерно на одном уровне.
Заключение
На первом этапе выполнения выпускной квалификационной работы был проведен обзор и анализ существующих аналогов на рынке, которые используют схожие методы улучшения качества воздуха и его очистки. На основе выявленных преимуществ и недостатков были сформулированы основные функции разрабатываемого устройства, его особенности и габариты.
Второй этап включал в себя проектирование структурной схемы, отражающей взаимодействие всех блоков будущей системы. Затем, на основе полученных связей основных блоков, была разработана принципиальная схема устройства и его печатный узел.
Третий этап полностью отражает алгоритм работы системы, а также метод первоначальной прошивки микроконтроллера для работы с ним в среде разработки Arduino IDE.
На четвертом этапе была разработана схема подключения бактерицидной лампы к микроконтроллеру. После чего написана логика работы, протестированная в реальном времени в программном комплексе Proteus.
Пятый этап был посвящён созданию 3D моделей корпуса устройства, корпуса печатного узла и барабана, который ускоряет процесс увлажнения воздуха и его очистки. Ко всем моделям сделаны сопроводительные чертежи.
Завершающий этап заключался в создание рабочего прототипа устройства и проверки его производительности. Эффективность устройства сравнивалась с ультразвуковым увлажнителем. Более эффективным по результатам тестирования оказался разработанный прототип.
1. The Effects of Humidity on the Human Body.
2. Типы увлажнителей воздуха.
3. Физика увлажнения воздуха.
4. Руководство Р 3.5.1904-04. Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещении. Взамен руководства Р 3.1.683-98; введ. 2004-03.04.
5. ATmega328 - 8-bit AVR Microcontrollers.
6. Как работают датчики температуры и влажности DHT11 и DHT22, и их взаимодействие с Arduino.
7. Шина I2C. Основные понятия.
8. Управление мощной нагрузкой.
9. Как управлять вентилятором.
10. LM7800 - 1.5-A, 30-V, linear voltage regulator.
11. DipTrace. Руководство пользователя / Под ред. Novarm Ltd, 2016.
12. Подключение и прошивка микроконтроллера ATmega328P-PU с помощью Arduino ISP программатора.
13. Обзор шины SPI и разработка драйвера ведомого SPI устройства для embedded Linux (Часть первая, обзорная).
14. Что такое твердотельное реле и как его правильно использовать.
Код для блока обеззараживания воздуха
Код для блока управления