Атом 24 — НПК

1. Проектирование и сборка многофункционального прибора: опыт практической реализации.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СБОРКА
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО
ПРИБОРА: ОПЫТ ПРАКТИЧЕСКОЙ
РЕАЛИЗАЦИИ.
ИСПОЛНИТЕЛЬ: СТУДЕНТ ГРУППЫ ИСП-204 КОВАЛЬНОГОВ АРТЁМ ПАВЛОВИЧ
РУКОВОДИТЕЛЬ: ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ВАГИНА ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА

2. Введение

ВВЕДЕНИЕ
Проблема: Современный человек (офисный работник, студент, школьник) проводит 90%
времени в помещении. Неблагоприятные факторы (шум, плохой свет, электромагнитное
поле, плохой микроклимат) влияют на здоровье и продуктивность его работы. Для
измерения данных показателей обычно используются несколько измерительных
приборов, которые стоят дорого и неудобны для ежедневного использования.
Идея: Создать компактный комбинированный прибор для экспресс-оценки
соответствия рабочего места санитарным нормам.
Основные характеристики прибора:
• метеометр (температура, влажность, атмосферное давление)
• люксметр (освещенность)
• шумомер (уровень шума)
• магнитометр (магнитное поле).

3. Цель и задачи разработки комплекса «ATOM24»

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАЗРАБОТКИ
КОМПЛЕКСА «ATOM24»
Основная цель проекта
заключается в разработке и
практической реализации
работоспособного многофункционального прибора,
способного проводить
измерения параметров
магнитного поля, влажности,
температуры, атмосферного
давления, освещенности и
уровня шума с приемлемой
точностью для безопасности
рабочего места.
Для достижения поставленной цели необходимо решить
следующие задачи:
1. Изучить теоретические основы работы
магнитометрии, метеоданных, уровней шума и
освещённостей.
2. Разработка прототипа.
3. Выбрать оптимальные компоненты для создания
устройства.
4. Разработать схему и конструкцию прибора.
5. Осуществить сборку и настройку прибора.
6. Провести испытания и калибровку устройства.
7. Оценить точность и работоспособность созданного
прибора.

4. Практическая часть

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
МАГНЕТОМЕТР. ПРИНЦИП РАБОТЫ ДАТЧИКА
Для работы магнитометра был выбран датчик магнитного
поля KY-035, основанный на эффекте Холла. Принцип
действия датчика основан на появлении поперечной разности
потенциалов (напряжения Холла) в полупроводниковой
пластине, через которую течет ток, при воздействии внешнего
магнитного поля.
На аналоговом выходе мы получаем значение с АЦП(аналогоцифровой преобразователь), которое пересчитываем в
величину магнитного поля в мкТл:
Для Arduino датчика Холла примерно: 1 единица АЦП ≈ 1.3 мкТл
magneticField_uT = magneticField * 1.3, где
magneticField= Текушее значение на входе минус 512

5. Метеометр: принцип работы датчика

МЕТЕОМЕТР: ПРИНЦИП РАБОТЫ ДАТЧИКА
Для реализации метеостанции был выбор между двумя модулями DHT11 и DHT22. Это цифровые
комбинированные датчики, предназначенные для измерения температуры и влажности.
Сравнение:
1. Точность: DHT22 обеспечивает более высокую точность измерений, особенно влажности, что важно для
теплиц и точного климат-контроля.
2. Диапазон: DHT22 измеряет от -40 до +80°C и 0-100% влажности, тогда как DHT11 ограничен
диапазоном 0-50°C и 20-80%.
3. Частота опроса: DHT11 обновляет данные раз в секунду (1 Гц), DHT22 – раз в две секунды (0.5 Гц).
4. Цена и размер: DHT11 дешевле и имеет компактный размер, обычно синего цвета.
5. Погрешности: погрешность у DHT22 – 0,5 в градусах Цельсия и 2% влажности, а погрешность DHT11 – 2
в градусах Цельсия и 5%.
Для проекта был выбран DHT22, так как он обладает лучшей работоспособностью, чем DHT11.

6. DHT22: Принцип работы датчика температуры

DHT22: ПРИНЦИП РАБОТЫ ДАТЧИКА
ТЕМПЕРАТУРЫ
Датчик DHT22 (AM2302) работает на основе
встроенного
термистора
для
измерения
температуры (от -40 до +80 градусов Цельсии) и
ёмкостного датчика влажности. Микроконтроллер
внутри датчика преобразует аналоговые данные с
сенсоров в цифровой сигнал, который передаётся на
ведущее устройство (например, Arduino) по
однопроводному интерфейсу, обеспечивая точность
до +- 0,5 градусов Цельсии.

7. DHT22: Принцип работы датчика влажности

DHT22: ПРИНЦИП РАБОТЫ ДАТЧИКА
ВЛАЖНОСТИ
Датчик DHT22 измеряет влажность с помощью ёмкостного сенсора, где
полимерная плёнка меняет свою электрическую ёмкость в зависимости
от количества влаги в воздухе.
Встроенный микроконтроллер
преобразует это изменение в цифровой
сигнал, обеспечивая точность +-2%
(диапазон 0-100% RH) и выводит данные
по однопроводной шине, обновляя
показания раз в 2 секунды

8. BMP180: принцип работы датчика атмосферного давления

BMP180: ПРИНЦИП РАБОТЫ ДАТЧИКА АТМОСФЕРНОГО
ДАВЛЕНИЯ
Датчик BMP180 — это цифровой пьезорезистивный барометр и термометр, работающий на
основе изменения сопротивления кремниевой мембраны при деформации атмосферным
давлением.
Он измеряет давление (300 – 1100 гПа) и температуру, калибруется на заводе, передавая точные
цифровые данные через интерфейс I2C, обеспечивая высокую точность для определения высоты
(альтиметрии) и погоды.

9. ШУмомер: принцип работы датчика шума

ШУМОМЕР: ПРИНЦИП РАБОТЫ ДАТЧИКА ШУМА
Датчик шума MAX4466 — это высокочувствительный
электретный микрофон со встроенным усилителем
(до 125 дБ) и регулировкой чувствительности,
работающий от 2,4 до 5,5 В, с полосой частот 20 Гц –
20 кГц. Он преобразует звуковые колебания в
аналоговый сигнал (0–VCC). С помощью
специального алгоритма уровень звука
пересчитывается в децибелы. Калибровка
проводилась по программе шумомера
для смартфонов под ОС Android.

10. люксметр: принципы работы датчика света

ЛЮКСМЕТР: ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ДАТЧИКА СВЕТА
Датчик GY-302 на базе чипа BH1750 работает как цифровой
люксметр, преобразуя интенсивность света в цифровой сигнал
(Lux). Встроенный фотодиод улавливает свет, усилитель
сигнала обрабатывает его, а АЦП преобразует в 16-битное
значение, передаваемое по протоколу I2C. Диапазон
измерений составляет 1–65535 люкс, что обеспечивает
высокую точность.

11. Функциональная электрическая схема прибора

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРИБОРА
Прибор собран на основе программируемого контроллера Arduino Uno. Для обеспечения
подключений датчиков используется Sensor Shield v5.0.
Питание от батареи типа «Крона» которое
понижается до 5 вольт с помощью
стабилизатора, а так же можно запитать через
внешний блок питания на 5-9 Вольт или с
PowerBank через USB разъем.

12. Функциональная электрическая схема прибора

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРИБОРА
Использовал следующие датчики и компоненты:
• датчик KY-035 – датчик Холла, для измерения магнитных полей. Подключение по аналоговому
входу;
• датчик DHT22 и BMP180 – измерение метеоданных, BMP180 измеряет атмосферное давление,
а DHT22 – температуру и влажность воздуха. Подключение протоколу I2C;
• LCD-дисплей 16x2 (I2C) – Дисплей для вывода данных (2 строчки по 16 символов).
Подключение протоколу I2C;
• Джойстик-кнопка KY-023 – для управления меню; Используется 2 аналоговых входа и один
цифровой.
• Пьезодинамик (зуммер) – звуковая индикация. Подключение по цифровому выходу;
• Микрофон MAX4466 – для функции шумомера. Подключение по аналоговому входу;
• Датчик освещённости GY-302 – для функции люксметра. Подключение протоколу I2C.

13. Алгоритм работы “ATOM24”:

АЛГОРИТМ РАБОТЫ “ATOM24”:
Начало
1. Включение прибора кнопкойвыключателем.
2. Выбор режима работы прибора
с помощью джойстика
Если выбран режим
“Магнетометр”
Если выбран режим
“Метеоданные”
Измеряет магнитное поле,
Выводит на экран полюс и
уровень магнитного поля
в микроТеслах.
Если выбран режим
“Шумометр”
Измеряет температуру, влажность и
атмосферное давление.
Выводит на экран температуру (C) и
влажность (%) в первой странице,
атмосферное давление (мм. рт. ст.) –
во второй, качество влажности – в
третьей.
Если выбран режим
“Люксметр”
Измеряет
уровень шума.
Выводит на
экран уровень
шума в
децибелах
Измеряет
уровень
освещённости.
Выводит на
экран уровень
света в Люксах.

14. Программа на Arduino

ПРОГРАММА НА ARDUINO
В качестве языка программирования для PLC (Programmable Logic Controller Программируемый Логический Контроллер) Arduino используется C++ в среде
программирования Arduino IDE.

15. Конструкция корпуса прибора “ATOM24”

КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА ПРИБОРА “ATOM24”
Разработка конструкции корпуса прибора осуществлялась с
использованием
системы
автоматизированного
проектирования КОМПАС-3D. На этапе проектирования
была выполнена детальная проработка компоновки
электронных компонентов прибора с учётом их габаритных
размеров и взаимного расположения.
Метрологическое обеспечение проектирования включало
проведение
размерного
анализа
с
применением
измерительных
инструментов:
штангенциркуль
для
определения габаритных размеров компонентов; линейные
измерения элементов конструкции.
Изготовление корпуса осуществлялось при помощи
аддитивного производства методом FDM (Fused Deposition
Modeling) на 3D-принтере Creality с использованием
филамента PLA+.

16. Вот что получилось:

ВОТ ЧТО ПОЛУЧИЛОСЬ:
Вид снаружи
Вид внутри

17. Выводы

ВЫВОДЫ
В ходе выполнения работы была достигнута поставленная цель — создан
многофункциональный измерительный прибор, который полностью соответствует техническим
требованиям и готов к практическому применению. Основные результаты работы:
1. Разработан и собран автономный измерительный прибор
2. Реализована работа четырёх функциональных модулей:
• Магнитометрический датчик с корректной реакцией на магнитные поля
• Метеорологический модуль с точным измерением температуры, влажности и атмосферного
давления
• Микрофон-датчик с возможностью измерения уровня шума
• Люксометрический датчик с возможностью измерения уровня света
3. За счёт того, что в приборе объединены несколько измерительных функций, а также его
мобильности, данное устройство может с лёгкостью использоваться как в домашнем быту, так
и на рабочих местах, а также в путешествиях для определения соблюдения комфортности
условий. И при отклонений от санитарных норм – принять необходимые меры!
Проектирование и сборка многофункционального прибора:
опыт практической реализации.