Проекты

Разработка прибора для измерения параметров воздушной среды

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Приборостроение, микроэлектроника и схемотехника» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1520 им. Капцовых
Предметы: Физика, Информатика, Экология
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

В настоящее время большое внимание уделяется решению задач по уменьшению выбросов углекислого газа в атмосферу. Углекислый газ влияет не только на мировой климат, но и на самочувствие людей, находящихся в замкнутых помещениях. И если помещение периодически не проветривать, то концентрация CO2 постепенно растёт. При превышении нормы концентрации CO2 человек начинает плохо себя чувствовать: появляется сонливость, головная боль, головокружение и другие симптомы, индивидуальные для каждого человека.

А как можно измерить концентрацию углекислого газа в помещениях? Можно ли в помещении с большим количеством людей достигнуть максимально возможного качества воздуха? Для этого надо понимать, каким воздухом мы дышим.

Цель

Создать прибор для измерения процентного содержания углекислого газа в помещении и проверить корректность работы прибора.

Задачи

  1. Изучить научную литературу, посвящённую проблеме микроклимата в помещениях, и технические материалы для создания прибора, измеряющего концентрацию СО2.
  2. Разработать аппаратно-программный комплекс с возможностью измерения параметров воздушной среды, способный вести постоянный мониторинг и фиксацию результатов.
  3. Получить данные по процентному содержанию СО2 в жилых помещениях и кабинетах школы, проверить их корректность.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Набор для пайки «947 de-soldering toolkit»
  • Микроконтроллер MEGA 2560 PRO MINI с программным обеспечением собственной разработки
  • Датчик BME280 измеряет температуру, влажность и давление
  • Датчик Grove – GAS SENSOR O2 определяет процентное содержание кислорода в воздухе
  • Датчик MH-Z19B определят концентрацию углекислого газа в диапазоне 400‒5000 ppm
  • LCD-дисплей для вывода информации как в цифровом, так и в графическом виде
  • Модуль RTC DS1302 отвечает за время
  • Двунаправленный преобразователь напряжения с переключением уровней TXS0108E
  • Компьютер с установленным ПО: Autodesk Fusion 360, Arduino IDE, gcUploader, EasyEDA, Arduino IDE, С++
  • 3D-принтер Maestro Classic

Описание

В процессе работы создан прибор с возможностью измерения параметров воздушной среды (температура, влажность, давление, процентное содержание кислорода, концентрация СО2).

Было сконструировано четыре ревизии устройства. В последней версии устройства было решено отказаться от датчика концентрации кислорода и датчика точного времени, совершён переход на новый микроконтроллер esp8266, имеющий интегрированную функцию подключения к сети Интернет.

Новый микроконтроллер позволил хранить все данные удалённо на сервере, что дало возможность строить графики онлайн, просматривая всю сохранённую информацию на любом устройстве, поддерживающем подключение к интернету.

Все версии прибора были протестированы, была выполнена проверка корректности получаемых данных (результаты сравнивались с показаниями, снятыми с промышленного газоанализатора ПКУ-4 Н-М-Т).

Результаты работы/выводы

Прибор протестирован, выполнена проверка корректности получаемых данных. Разработанный прибор выдаёт корректные результаты, которые соответствуют показаниям промышленного газоанализатора.

Измерения показали, что в закрытом помещении уровень углекислого газа повышается гораздо быстрее, чем убывает кислород. Даже когда в классе уровень СО2 приближается к 1000 ppm, содержание кислорода практически не меняется.

Перспективы использования результатов работы

С помощью описываемого прибора четвёртой ревизии можно удалённо отслеживать корректные параметры воздушной среды в режиме реального времени.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Автору было очень интересно работать над проектом. Уверен, что полученные навыки пригодятся в будущем.

Участие в конференции «Инженеры будущего» заставило систематизировать все материалы по представленной работе»