Mikrogravitations-Pflanzenzüchter "Disco Ball": 13 Schritte

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Hallo Leser, dieses Projekt ist eine professionelle Einreichung beim Growing Beyond Earth Maker Contest.

Dieses Projekt ist ein Proof-of-Concept für ein potenzielles Pflanzgefäßdesign, das verwendet werden könnte, um einen Plan in Mikrogravitation anzubauen.

Basierend auf den Wettbewerbsregeln habe ich die Anforderungen des Systems aufgelistet,

1. Das System muss in einen Bereich von 50 cm^3 passen.
2. Das System muss die Mikrogravitation nutzen.
3. System kann in jeder Position ausgerichtet werden
4. Das System kann extern von den internen Stromschienen der ISS mit Strom versorgt werden.
5. Das System muss einen Großteil des Wachstumsprozesses mit minimaler Interaktion von Astronauten automatisieren.

Mit den obigen Annahmen begann ich mit der Entwicklung des Systems.

Schritt 1: Projektvorschlag

Zu Beginn habe ich grob skizziert, wie das System meiner Meinung nach aussehen könnte, Die ursprüngliche Idee, die ich hatte, war eine Kugel, die in der Mitte der wachsenden Umgebung aufgehängt war und deren Beleuchtung am umgebenden Rahmen angebracht war.

Die Basis dieser Box würde das Wasser und die Elektronik beherbergen.

In dieser Phase begann ich, die möglichen Komponenten eines solchen Systems aufzulisten,

1. Rahmen - müsste ein geeignetes Rahmenmaterial auswählen
2. Beleuchtung - Welche Art von Beleuchtung wäre am besten? LED-Streifen?
3. Sensoren - Damit das System automatisiert werden kann, muss es in der Lage sein, Feuchtigkeitselemente wie Feuchtigkeit und Temperatur zu erfassen.
4. Kontrolle – Der Benutzer würde eine Möglichkeit benötigen, mit der MCU zu interagieren

Das Ziel dieses Projekts ist es, einen Proof of Concept zu erstellen. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen werde ich eine Liste der zukünftigen Arbeiten und Entwicklungen erstellen, die erforderlich sind, um diese Idee weiterzuentwickeln.

Schritt 2: Konzeptnachweis – Stückliste

Die Stückliste (Bill of Materials) für dieses Projekt wird ungefähr 130 £ kosten, um alles Notwendige zu bestellen, von diesen Kosten werden ungefähr 100 £ für die Herstellung einer einzelnen Pflanzenzüchtereinheit verwendet.

Es ist wahrscheinlich, dass Sie einen beträchtlichen Teil der elektronischen Komponenten haben, die den Code drastisch reduzieren.

Schritt 3: Elektronik - Design

Ich habe Fritzing verwendet, um die für dieses Projekt erforderliche Elektronik zu planen, Die Verbindungen sollten wie folgt aussehen:

LCD 16x2 I2C

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

Drehgeber (D3 & D2 wurden ausgewählt, da sie die Arduino Uno Interupt-Pins sind)

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

DS18B20 Temperatursensor

1. Masse > Masse
2. DQ > D4 (Arduino, mit einem 5V-Pull-Up von 4k7)
3. VDD > 5V

Bodenfeuchtesensor

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

Dual-Relais-Modul

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

Für die anderen Links sehen Sie sich bitte das Diagramm oben an.

Schritt 4: Elektronik - Montage

Ich habe die Elektronik wie im Diagramm der vorherigen Seite beschrieben zusammengebaut, Ich habe das Protoboard verwendet, um ein Schild für das Arduino Uno zu machen, Um dies zu tun, brach ich die Platine auf ungefähr die Größe des Uno und fügte dann männliche Kopfstifte hinzu, die mit den Buchsenleisten des Uno ausgerichtet waren.

Wenn die Verbindungen mit dem vorherigen Diagramm übereinstimmen, sollte das System ordnungsgemäß funktionieren. Es könnte eine gute Idee sein, die Verbindungen der Einfachheit halber ähnlich wie ich zu verlegen.

Schritt 5: Software - Planen

Die allgemeine Idee für die Softwarefunktionalität besteht darin, dass das System kontinuierlich die Sensorwerte liest. Bei jedem Zyklus werden die Werte auf dem LCD angezeigt.

Der Benutzer kann auf das Menü zugreifen, indem er den Drehschalter gedrückt hält. Sobald dies erkannt wird, wird die Menü-Benutzeroberfläche geöffnet. Dem Benutzer stehen einige Seiten zur Verfügung,

1. Wasserpumpe starten
2. LED-Status umschalten (Ein / Aus)
3. Systemmodus ändern (Automatisch / Manuell)
4. Menü verlassen

Wenn der Benutzer den Automatikmodus gewählt hat, überprüft das System, ob die Feuchtigkeit innerhalb des Schwellenwerts liegt, wenn dies nicht der Fall ist, pumpt es automatisch Wasser, wartet eine feste Verzögerung und überprüft es erneut.

Dies ist ein grundlegendes Automatisierungssystem, das jedoch als Ausgangspunkt für zukünftige Entwicklungen dienen wird.

Schritt 6: Software - Entwicklung

Erforderliche Bibliotheken

• DallasTemperatur
• LiquidCrystal_I2C-master
• OneWire

Software-Hinweise

Dieser Code ist der erste Entwurfscode, der dem System grundlegende Funktionen verleiht, er enthält

Den neuesten Build des Systemcodes finden Sie in der beigefügten Nasa_Planter_Code_V0p6.ino.

Temperatur- und Feuchtigkeitsmesswerte auf dem Display.

Automatischer Modus und manueller Modus - Der Benutzer kann das System automatisch Wasser bei einer Schwellenfeuchtigkeit pumpen lassen

Kalibrierung des Feuchtigkeitssensors - AirValue & WaterValue cont int müssen manuell gefüllt werden, da jeder Sensor leicht unterschiedlich ist.

Benutzeroberfläche für das Steuersystem.

Schritt 7: Mechanisch - Konstruktion (CAD)

Um dieses System zu entwerfen, habe ich Fusion 360 verwendet. Die endgültige Baugruppe kann unter dem folgenden Link angezeigt / heruntergeladen werden

a360.co/2NLnAQT

Die Baugruppe passt in den Wettbewerbsbereich von 50cm^3 und verwendet PVC-Rohre, um den Rahmen der Box zu konstruieren, mit 3D-gedruckter Halterung für die Eckverbindungen. Dieser Rahmen hat mehr 3D-gedruckte Teile, die verwendet werden, um die Gehäusewände und die LED-Beleuchtung zu montieren.

In der Mitte des Geheges haben wir den Pflanzkübel "Disco Orb", der eine 4-teilige Baugruppe ist (2 Kugelhälften, 1 Kugelbasis, 1 Rohr). Dieser hat spezielle Ausschnitte, um das Wasserpumpenrohr und den kapazitiven Feuchtigkeitssensor in den Bodenabschnitt einzuführen.

An der Basis des Designs sehen Sie die Steuerbox, die die Elektronik beherbergt und dem Rahmen Steifigkeit verleiht. In diesem Abschnitt sehen wir die Anzeige und die Bedienelemente der Benutzeroberfläche.

Schritt 8: Mechanisch - 3D-gedruckte Teile

Die mechanische Montage erfordert verschiedene 3D-gedruckte Teile, Eckrahmenhalterungen, Seitenwandhalterungen, Türscharniere, LED-Halterungen und Steuerkastenhalterungen, Diese Teile sollten ungefähr 750 g wiegen und 44 Stunden Druckzeit haben.

Die Teile können entweder aus der auf der vorherigen Seite verlinkten 3D-Baugruppe exportiert werden oder sind hier auf thingiverse zu finden.

www.thingiverse.com/thing:4140191

Schritt 9: Mechanisch - Montage

Beachten Sie, dass ich bei meiner Montage die Gehäusewandteile übersprungen habe, hauptsächlich aus Zeit- und Kostengründen.

Zuerst müssen wir das PVC-Rohr auf 440 mm Abschnitte kürzen, wir benötigen 8 solche Rohrabschnitte. 8 LED-Halterungen bedruckt & 4 Rahmen-Eckhalterungen.

Jetzt müssen wir die LED-Streifen vorbereiten,

1. Schneiden Sie die Streifen an den Scherenmarkierungen auf ungefähr 15 cm Länge ab, wir müssen 8 Abschnitte des LED-Streifens schneiden
2. Legen Sie die + & - Pads frei, indem Sie ein wenig Gummi entfernen
3. Löten Sie die Stiftleisten an (Schneiden Sie 3 Abschnitte ab und löten Sie jedes Ende an ein Pad)
4. Entfernen Sie den Klebeschutz auf der Rückseite jedes Streifens und befestigen Sie ihn an den 3D-Druckerteilen der LED-Halterung.
5. Machen Sie nun ein Kabel, um alle Plus- und Minuspunkte jedes Streifens zu verbinden
6. Schalten Sie es schließlich ein und überprüfen Sie, ob alle LEDs funktionieren

Schritt 10: Projekt - Bisheriger Fortschritt

So weit bin ich bei der Montage dieses Projekts gekommen, Ich plane, diesen Leitfaden im Zuge der Projektentwicklung weiter zu aktualisieren.

Was ist noch zu tun

• Komplette Schaltkastenbaugruppe
• Hauselektronik
• Wasserpumpsystem testen
• Fortschritt überprüfen

Schritt 11: Gelernte Lektionen

Auch wenn das Projekt bis jetzt noch nicht abgeschlossen ist, habe ich dennoch einige wichtige Dinge aus der Recherche zu diesem Projekt gelernt.

Fluiddynamik in der Mikrogravitation

Dies ist ein erstaunlich komplexes Thema, das viele unbekannte Probleme für die Standardströmungsdynamik auf Schwerkraftbasis mit sich bringt. All unsere natürlichen Instinkte für das Verhalten von Flüssigkeiten gehen in der Mikrogravitation aus dem Fenster, und die NASA musste das Rad neu erfinden, um relativ einfache erdbasierte Systeme zum Funktionieren zu bringen.

Feuchtigkeitssensorik

Erfahren Sie mehr über die verschiedenen Methoden, die häufig zur Feuchtigkeitserkennung verwendet werden (Volumetrische Sensoren, Tensiometer und Festkörper, siehe diesen Link für eine gute Lektüre zum Thema

Kleine Anmerkungen

PVC-Rohr eignet sich hervorragend zum schnellen Bauen von Rahmen, Ich brauche bessere Holzbearbeitungswerkzeuge!

Planen Sie Hobbyprojekte im Voraus, segmentieren Sie Aufgaben und setzen Sie Fristen wie bei der Arbeit!

Schritt 12: Zukünftige Arbeit

Nachdem ich gelesen habe, wie wir die Fluiddynamik in der Mikrogravitation handhaben, bin ich sehr daran interessiert, meine eigene Lösung für das Problem zu entwickeln.

Diese grobe Auslegung möchte ich noch weiterführen, die Idee für dieses System besteht darin, einen Balgtank mit Schrittmotoren zu verwenden, der den Behälterbereich komprimieren kann, um einen bestimmten Rohrdruck aufrechtzuerhalten.

Schritt 13: Fazit

Vielen Dank fürs Lesen. Ich hoffe, es hat Ihnen gefallen. Wenn Sie Fragen haben oder Hilfe bei diesem Projekt benötigen, können Sie gerne einen Kommentar abgeben!

Jack.