Microgravity plantenkweker "Disco Ball" - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Hallo lezers, dit project is een professionele inzending voor de Growing Beyond Earth Maker-wedstrijd.

Dit project is een proof of concept voor een potentieel planterontwerp dat kan worden gebruikt om in microzwaartekracht een kweekplan te maken.

Op basis van de wedstrijdregels heb ik de vereisten van het systeem opgesomd,

1. Het systeem moet passen in een ruimte van 50 cm^3.
2. Het systeem moet profiteren van microzwaartekracht.
3. Systeem kan in elke positie worden georiënteerd;
4. Het systeem kan extern van stroom worden voorzien via de interne stroomrails van het ISS.
5. Het systeem moet een groot deel van het groeiproces automatiseren met minimale interactie van astronauten.

met bovenstaande aannames ben ik begonnen met het ontwerpen van het systeem.

Stap 1: Projectvoorstel

Om te beginnen heb ik een ruwe schets gemaakt van hoe ik dacht dat het systeem eruit zou kunnen zien, Het oorspronkelijke idee dat ik had was een bol die in het midden van de kweekomgeving werd opgehangen met verlichting op het omringende frame.

De basis van deze doos zou het water en de elektronica bevatten.

In dit stadium begon ik de mogelijke componenten van een dergelijk systeem op te sommen,

1. Frame - Zou een geschikt framemateriaal moeten selecteren
2. Verlichting - Welk type verlichting zou het beste zijn? LED-strips?
3. Sensoren - Om het systeem te automatiseren, moet het vocht kunnen detecteren, zoals vocht en temperatuur.
4. Controle - De gebruiker heeft een manier nodig om met de MCU te communiceren

Het doel van dit project is om een proof of concept te produceren, op basis van de geleerde lessen zal ik een lijst maken van toekomstige werkzaamheden en ontwikkeling die nodig zijn om dit idee verder uit te werken.

Stap 2: Proof of Concept - stuklijst

De BOM (Bill of Materials) voor dit project kost ongeveer £ 130 om alles te bestellen wat nodig is, van die kosten zal ongeveer £ 100 worden gebruikt om een enkele plantenkweker te maken.

Het is waarschijnlijk dat u een behoorlijk deel van de elektronische componenten zou hebben, waardoor de code drastisch zou worden verminderd.

Stap 3: Elektronica - Ontwerp

Ik heb Fritzing gebruikt om de elektronica te plannen die nodig is voor dit project, De verbindingen moeten als volgt gaan,

LCD 16x2 I2C

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

Rotary Encoder (D3 & D2 werden geselecteerd omdat het de Arduino Uno Interupt-pinnen zijn)

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

DS18B20 temperatuursensor

1. GND > GND
2. DQ > D4 (Arduino, met een 5V pull-up van 4k7)
3. VDD > 5V

Bodemvochtsensor

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

Dubbele relaismodule

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

kijk voor de overige links naar het schema hierboven.

Stap 4: Elektronica - Montage

Ik heb de elektronica geassembleerd zoals beschreven in het diagram van de vorige pagina, Ik heb het protoboard gebruikt om een schild te maken voor de Arduino Uno, Om dit te doen, brak ik het bord tot ongeveer de grootte van de Uno en voegde ik mannelijke header-pinnen toe die uitgelijnd waren met de vrouwelijke headers op de Uno.

Als de verbindingen overeenkomen met het vorige diagram, zou het systeem correct moeten werken, dan is het misschien een goed idee om de verbindingen voor de eenvoud op dezelfde manier te maken als ik.

Stap 5: Software - Plan

Het algemene idee van de softwarefunctionaliteit is dat het systeem continu de sensorwaarden afleest. Bij elke cyclus worden de waarden weergegeven op het LCD-scherm.

De gebruiker heeft toegang tot het menu door de draaischakelaar ingedrukt te houden, zodra dit wordt gedetecteerd, wordt de gebruikersinterface van het menu geopend. De gebruiker heeft enkele pagina's beschikbaar,

1. Waterpomp starten
2. Schakel LED-status (aan / uit)
3. Systeemmodus wijzigen (automatisch / handmatig)
4. Menu verlaten

Als de gebruiker de automatische modus heeft geselecteerd, zal het systeem controleren of het vochtgehalte binnen de drempelwaarde ligt. Als dit niet het geval is, zal het automatisch water pompen, een vaste vertraging wachten en opnieuw controleren.

Dit is een basisautomatiseringssysteem, maar zal als uitgangspunt dienen voor toekomstige ontwikkelingen.

Stap 6: Software - Ontwikkeling

Vereiste bibliotheken

• DallasTemperatuur
• LiquidCrystal_I2C-master
• OneWire

Software-opmerkingen

Deze code is de eerste conceptcode die het systeem basisfunctionaliteit geeft, het omvat:

Zie de bijgevoegde Nasa_Planter_Code_V0p6.ino voor de laatste versie van de systeemcode, Temperatuur- en vochtigheidsmetingen op het display.

Automatische modus en handmatige modus - De gebruiker kan het systeem automatisch water laten pompen met een vochtigheidsdrempel

Kalibratie van vochtsensor - AirValue & WaterValue-inhoud moeten handmatig worden gevuld omdat elke sensor iets anders zal zijn.

Gebruikersinterface voor het besturingssysteem.

Stap 7: Mechanisch - Ontwerp (CAD)

Om dit systeem te ontwerpen heb ik Fusion 360 gebruikt, de eindmontage kan worden bekeken / gedownload via de onderstaande link

a360.co/2NLnAQT

Het geheel past in het wedstrijdgebied van 50cm^3 en heeft PVC-buis gebruikt om het frame van de doos te construeren, met een 3D-geprinte beugel voor de hoekverbindingen. Dit frame heeft meer 3D-geprinte onderdelen die worden gebruikt om de behuizingswanden en LED-verlichting te monteren.

In het midden van de behuizing hebben we de plantenbak "Disco Orb", een 4-delige montage, (2 halve bol, 1 basis van bol, 1 buis). Deze heeft specifieke uitsparingen om de waterpompleiding en capacitieve vochtsensor in het bodemgedeelte te kunnen plaatsen.

Aan de basis van het ontwerp zie je de schakelkast, deze herbergt de elektronica en geeft het frame stijfheid. In dit gedeelte kunnen we het display en de bedieningselementen van de gebruikersinterface zien.

Stap 8: Mechanisch - 3D-geprinte onderdelen

De mechanische assemblage vereist verschillende 3D-geprinte onderdelen, Hoekframebeugels, zijpaneelmontages, deurscharnier, LED-montages & schakelkastbeugels, Deze onderdelen zouden in totaal ongeveer 750 g moeten wegen en 44 uur printtijd.

De onderdelen kunnen worden geëxporteerd vanuit de 3D-assemblage die op de vorige pagina is gelinkt of zijn hier op thingiverse te vinden, www.thingiverse.com/thing:4140191

Stap 9: Mechanisch - Montage

Merk op dat ik bij mijn montage de wanddelen van de behuizing heb overgeslagen, voornamelijk vanwege tijd- en kostenbeperkingen, Ten eerste moeten we de PVC-buis inkorten tot secties van 440 mm, we hebben 8 buissecties zoals deze nodig. 8 LED-steunen bedrukt en 4 hoekbeugels voor frames.

Nu moeten we de LED-strips voorbereiden,

1. Snijd de strips bij de schaarmarkeringen op ongeveer 15 cm lengtes, we moeten 8 secties LED-strip afknippen
2. Onthul de + & - Pads door een stukje rubber te verwijderen
3. Soldeer de mannelijke header-connectoren (Snijd secties van 3 en soldeer elk uiteinde aan een pad)
4. Verwijder de zelfklevende beschermer aan de achterkant van elke strip en bevestig deze aan de LED-montage 3D-printeronderdelen.
5. Maak nu een kabel om alle positieven en negatieven van elke strip met elkaar te verbinden
6. Schakel het ten slotte in en controleer of alle LED's werken

Stap 10: Project - Vooruitgang tot nu toe

Tot nu toe is dit zover als ik door de montage van dit project ben gekomen, Ik ben van plan door te gaan met het bijwerken van deze gids naarmate het project zich ontwikkelt,

Wat valt er nog te doen?

• Complete schakelkast montage
• Huiselektronica
• Test waterpompsysteem:
• Voortgang bekijken

Stap 11: Geleerde lessen

Hoewel het project op dit moment nog niet is afgerond, heb ik toch een paar belangrijke dingen geleerd van het onderzoeken van dit project.

Vloeistofdynamica in microzwaartekracht

Dit is een verbazingwekkend complex onderwerp, dat veel ongeziene problemen introduceert voor standaard op zwaartekracht gebaseerde vloeistofdynamica. Al onze natuurlijke instincten voor hoe vloeistoffen zullen werken, verdwijnen uit het raam in microzwaartekracht en NASA heeft het wiel opnieuw moeten uitvinden om relatief eenvoudige op aarde gebaseerde systemen te laten functioneren.

Vochtdetectie

Lees meer over de verschillende methoden die vaak worden gebruikt voor vochtdetectie (volumesensoren, tensiometers en solid-state, zie deze link voor een goed overzicht van het onderwerp

Kleine notities

PVC-buis is uitstekend geschikt voor het snel bouwen van frames, Ik heb beter houtbewerkingsgereedschap nodig!

Plan vooruit op hobbyprojecten, segmenteer taken en stel deadlines in, net als op het werk!

Stap 12: Toekomstig werk

Nadat ik heb gelezen hoe we vloeistofdynamica in microzwaartekracht beheren, ben ik erg geïnteresseerd in het ontwerpen van mijn eigen oplossing voor het probleem, Ik zou graag verder willen gaan met dit ruwe ontwerp, het idee voor dit systeem is om een balgtank te gebruiken met stappenmotoren die het containergebied kunnen comprimeren om een bepaalde leidingdruk te behouden.

Stap 13: Conclusie

Bedankt voor het lezen, ik hoop dat je het leuk vond, als je vragen hebt of hulp wilt bij alles wat in dit project wordt behandeld, voel je dan vrij om commentaar te geven!

Jac.