Cultivador de plantas de microgravedad "Disco Ball": 13 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Hola lectores, este proyecto es una presentación profesional para el concurso Growing Beyond Earth Maker.

Este proyecto es una prueba de concepto para un posible diseño de sembradora que podría usarse para un plan de cultivo en microgravedad.

Según las reglas del concurso, enumeré los requisitos del sistema,

1. El sistema debe caber en un área de 50 cm ^ 3.
2. El sistema debe aprovechar la microgravedad.
3. El sistema se puede orientar en cualquier posición
4. El sistema puede recibir energía externamente de los rieles de energía internos de la ISS.
5. El sistema debe automatizar gran parte del proceso de crecimiento con una interacción mínima de los astronautas.

con los supuestos anteriores comencé a diseñar el sistema.

Paso 1: propuesta de proyecto

Para empezar, dibujé un esbozo de cómo pensaba que sería el sistema, La idea inicial que tuve fue un orbe suspendido en el centro del entorno de crecimiento con iluminación montada en el marco circundante.

La base de esta caja albergaría el agua y la electrónica.

En esta etapa comencé a enumerar el tipo de componentes potenciales de dicho sistema,

1. Marco: necesitaría seleccionar un material de marco adecuado
2. Iluminación: ¿Qué tipo de iluminación sería mejor? Tiras de LED?
3. Sensores: para que el sistema se automatice, necesitaría poder detectar elementos de humedad como la humedad y la temperatura.
4. Control: el usuario necesitaría una forma de interactuar con la MCU

El objetivo de este proyecto es producir una prueba de concepto, basado en las lecciones aprendidas, haré una lista del trabajo y desarrollo futuros necesarios para llevar esta idea más allá.

Paso 2: Prueba de concepto - BOM

La lista de materiales (BOM) para este proyecto costará aproximadamente £ 130 para ordenar todo lo necesario, de ese costo aproximadamente £ 100 se utilizarán para hacer una sola unidad de cultivo de plantas.

Es probable que tenga una buena parte de los componentes electrónicos reduciendo drásticamente el código.

Paso 3: Electrónica - Diseño

He utilizado Fritzing para planificar la electrónica necesaria para este proyecto, Las conexiones deben ser como sigue,

LCD 16x2 I2C

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

Codificador rotatorio (se seleccionaron D3 y D2 ya que son los pines de Arduino Uno Interupt)

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

Sensor de temperatura DS18B20

1. GND> GND
2. DQ> D4 (Arduino, con un pull up de 5V de 4k7)
3. VDD> 5 V

Sensor de humedad del suelo

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

Módulo de relé doble

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

para los otros enlaces, mire el diagrama de arriba.

Paso 4: Electrónica - Montaje

Monté la electrónica como se describe en el diagrama de la página anterior, Usé el protoboard para hacer un escudo para el Arduino Uno, Para hacer esto, rompí el tablero hasta aproximadamente el tamaño del Uno y luego agregué pines de encabezado macho que se alineaban con los encabezados femeninos del Uno.

Si las conexiones coinciden con el diagrama anterior, el sistema debería funcionar correctamente, podría ser una buena idea diseñar las conexiones de una manera similar a la mía para simplificar.

Paso 5: Software - Plan

La idea general de la funcionalidad del software es que el sistema realice un bucle continuo leyendo los valores del sensor. En cada ciclo, los valores se mostrarán en la pantalla LCD.

El usuario podrá acceder al menú manteniendo pulsado el interruptor giratorio, una vez detectado, se abrirá la interfaz de usuario del menú. El usuario tendrá algunas páginas disponibles,

1. Arranque la bomba de agua
2. Alternar estado de LED (encendido / apagado)
3. Cambiar el modo del sistema (automático / manual)
4. Salir del menú

Si el usuario ha seleccionado el modo automático, el sistema verificará si los niveles de humedad están dentro del valor umbral, si no lo están, bombeará agua automáticamente, esperará un retraso fijo y volverá a verificar.

Este es un sistema de automatización básico, pero funcionará como punto de partida para futuros desarrollos.

Paso 6: Software - Desarrollo

Bibliotecas requeridas

• DallasTemperatura
• LiquidCrystal_I2C-maestro
• OneWire

Notas de software

Este código es el primer borrador de código que le da al sistema una funcionalidad básica, incluye

Consulte el Nasa_Planter_Code_V0p6.ino adjunto para obtener la última compilación del código del sistema, Lecturas de temperatura y humedad en pantalla.

Modo automático y modo manual: el usuario puede hacer que el sistema bombee agua automáticamente en un umbral de humedad

Calibración del sensor de humedad: el contenido de AirValue y WaterValue debe llenarse manualmente ya que cada sensor será ligeramente diferente.

Interfaz de usuario para controlar el sistema.

Paso 7: Diseño mecánico (CAD)

Para diseñar este sistema utilicé Fusion 360, el ensamblaje final se puede ver / descargar desde el enlace a continuación

a360.co/2NLnAQT

El conjunto encaja en el área de concurso de 50cm ^ 3 y se ha utilizado tubería de PVC para construir el marco de la caja, con soporte impreso en 3D para las juntas de las esquinas. Este marco tiene más piezas impresas en 3D que se utilizan para montar las paredes del gabinete y la iluminación LED.

En el centro del recinto tenemos la maceta "Disco Orb", que es un conjunto de 4 partes (2 mitades de orbe, 1 base de orbe, 1 tubo). Esto tiene cortes específicos para permitir que la tubería de la bomba de agua y el sensor capacitivo de humedad se inserten en la sección del suelo.

En la base del diseño se puede ver la caja de control, que alberga la electrónica y le da rigidez al marco. En esta sección podemos ver la pantalla y los controles de la interfaz de usuario.

Paso 8: Mecánica - Piezas impresas en 3D

El montaje mecánico requiere varias piezas impresas en 3D, Soportes de marco de esquina, soportes de panel lateral, bisagra de puerta, soportes de LED y soportes de caja de control, Estas piezas deben tener un peso total aproximado de 750 g y 44 horas de tiempo de impresión.

Las piezas se pueden exportar desde el ensamblaje 3D vinculado en la página anterior o se pueden encontrar en Thingiverse aquí, www.thingiverse.com/thing:4140191

Paso 9: Mecánico - Montaje

Tenga en cuenta que en mi ensamblaje omití las partes de la pared del gabinete, principalmente debido a limitaciones de tiempo y costo, En primer lugar, debemos reducir el tubo de PVC a secciones de 440 mm, necesitaremos 8 secciones de tubería como esta. 8 soportes de LED impresos y soportes de esquina de 4 marcos.

Ahora tenemos que preparar las tiras de LED,

1. Corta las tiras en las marcas de tijera en aproximadamente 15 cm de longitud, necesitamos cortar 8 secciones de tira de LED
2. Exponga las almohadillas + y - quitando un poco de goma
3. Suelde los conectores macho del cabezal (corte secciones de 3 y suelde cada extremo a una almohadilla)
4. Retire el protector adhesivo en la parte posterior de cada tira y fíjelo a las piezas de la impresora 3D de montaje LED.
5. Ahora haga un cable para vincular todos los aspectos positivos y negativos de cada tira
6. Finalmente enciéndalo y verifique que todos los LED estén funcionando

Paso 10: Proyecto - Progreso hasta ahora

Hasta ahora, esto es todo lo que he logrado con el montaje de este proyecto, Planeo continuar actualizando esta guía a medida que se desarrolle el proyecto,

Que queda por hacer

• Conjunto completo de caja de control
• Electrónica de la casa
• Prueba del sistema de bombeo de agua
• Revisar el progreso

Paso 11: lecciones aprendidas

Aunque hasta ahora el proyecto no se ha completado, todavía he aprendido algunas cosas importantes al investigar este proyecto.

Dinámica de fluidos en microgravedad

Este es un tema increíblemente complejo, que presenta muchos problemas invisibles para la dinámica de fluidos estándar basada en la gravedad. Todos nuestros instintos naturales sobre cómo actuarán los fluidos salen por la ventana en microgravedad y la NASA ha tenido que reinventar la rueda para que funcionen sistemas relativamente simples basados en la Tierra.

Detección de humedad

Conozca los diferentes métodos que se utilizan comúnmente para la detección de humedad (sensores volumétricos, tensiómetros y estado sólido; consulte este enlace para obtener una buena lectura sobre el tema

Notas menores

La tubería de PVC es excelente para construir rápidamente marcos, ¡Necesito mejores herramientas para trabajar la madera!

¡Planifique con anticipación proyectos de pasatiempos, segmente tareas y establezca fechas límite como en el trabajo!

Paso 12: Trabajo futuro

Después de leer sobre cómo manejamos la dinámica de fluidos en microgravedad, estoy muy interesado en diseñar mi propia solución para el problema, Me gustaría llevar más allá este diseño aproximado, la idea de este sistema es usar un tanque de fuelle con motores paso a paso que puedan comprimir el área del contenedor para mantener una cierta presión en la tubería.

Paso 13: Conclusión

Gracias por leer, espero que lo haya disfrutado, si tiene alguna pregunta o desea ayuda con cualquier tema cubierto en este proyecto, ¡no dude en comentarlo!

Jacobo.