Проекты

Прибор для отслеживания уровня радиации и концентрации опасных для человека газов

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» в секции «Биофизика»

Направление работы: Схемотехника
Авторы работы: ГБОУ Школа им. А. Боровика
Предметы: Физика, Биология
Классы: 11 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Старт в медицину» 2020 года

Актуальность

В настоящее время при добыче полезных ископаемых нередко используются различные устройства, обслуживание которых может угрожать здоровью людей. С 2004 по 2019 гг. на шахтах России произошло 167 аварий, в результате которых погибли 882 человека. Основными причинами смертельного травматизма явились: взрывы (вспышки) метана и угольной пыли – 63%, обвалы и обрушения горной массы (крепи) – 12%, эксплуатация транспорта – 9%. Наиболее острой является проблема аварий, связанных со взрывами метана и угольной пыли. Такие аварии происходят с наиболее тяжёлыми социальными и экономическими последствиями. Не менее опасным фактором является воздействие радиации на организм людей. Радон и торон высвобождаются из горных пород повсеместно и накапливаются в непроветриваемых или слабопроветриваемых объёмах. В целях профилактики негативного воздействия этих факторов существуют различные системы и устройства. К сожалению, не все эти устройства обладают нужным функционалом. В связи с этим актуальной является идея объединить различные датчики в общую систему мониторинга для отслеживания опасных явлений и процессов на производстве и таким образом сохранить здоровье, а в некоторых ситуациях и жизнь сотрудникам.

Цель

Объединить датчик уровня радиации с датчиками концентраций углекислого газа и метана в одном компактном приборе.

Задачи

1. Узнать о различных видах датчиков, а также о разновидностях шахт.

2. Подобрать оборудование и материалы для изготовления прибора.

3. Создать целевое многофункциональное устройство.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Инструменты (бормашина, дрель аккумуляторная, паяльник, термопистолет клеевой

• Мультиметр цифровой

• Утюг

• Микроконтроллер Atmega328p

• LCD дисплей HJ1602A 16x2 с I2C переходником

• Устройства (пьезоизлучатель звуковой SMD 4кГц / 75дБ, светодиод белый 7000К 140, Li-ion аккумулятор 3.7V на 2000 mAh 110Лм, 1Вт, тактовые кнопки, зуммер)

• Датчики (метана MQ-2, углекислого газа MQ-135, уровня радиации СБМ-21)

• Контроллер заряда Li-ion аккумуляторов 03962A

• Прецизионный таймер NE555DR

• Электронные компоненты (диоды, резисторы, транзисторы, конденсаторы и др.)

Описание

Работа выполнялась в несколько этапов.

I этап. Создание электронных схем модулей прибора с помощью программного обеспечения EasyEDA.

 

II этап. Изготовление плат методом ЛУТ (лазерно-утюжная технология). После распечатки на глянцевой бумаге схем модулей они были перенесены на текстолит с помощью утюга. Далее текстолит был помещён в раствор персульфата аммония. После завершения травления платы обезжиривались ацетоном и покрывались слоем припоя. Затем на готовую основу печатной платы производился монтаж электронных компонентов.

III этап. Присоединение всех модулей к главному модулю. Специальные шлейфы являлись связующими между всеми элементами устройства.

 

IV этап. Создание программного кода в среде программирования Arduino IDE. Создание кода и его загрузку в микроконтроллер производили с помощью программатора и программы Arduino IDE.

Результаты

1. Сконструированный прибор включает в себя 7 модулей, подключаемых к главной плате управления.

Первый модуль является питанием устройства, он состоит из литиево-ионного аккумулятора и модуля зарядки.

Вторым и третьим модулями являются датчики MQ-2 и MQ-135 для определения уровней метана и углекислого газа соответственно.

Четвёртый модуль включает в себя две тактовые кнопки со стягивающими резисторами, с помощью которых осуществляется навигация по меню устройства.

Пятый модуль является сигнализирующим, поэтому на его плате расположены мощный светодиод и зуммер.

Шестой модуль позволяет отслеживать уровень радиации, поэтому он состоит из преобразователя напряжения и датчика уровня радиации СБМ-21.

Седьмой модуль позволяет выводить на дисплей устройства информацию с датчиков уровня радиации и газоанализаторов.

 

2. Главный модуль является связующим для остальных: обрабатывает информацию и выводит её на дисплей. Он состоит из микроконтроллера Atmega328p, двух конденсаторов и кварцевого резонатора.

3. После включения прибора на дисплее появляются значения с датчиков, частоту обновления приходящих значений которых можно поменять в настройках. «Кликая» на тактовые кнопки, можно менять тип отображаемых параметров (концентрация углекислого газа и метана в ppm, уровень радиации в мкЗв/ч). При выходе из норм, установленных настройками, пьезоизлучатель начинает издавать сигнал, уведомляя об опасности. Зарядка устройства происходит с помощью модуля зарядки через micro-USB-кабель. Зарядка после полной разрядки аккумулятора составляет 2 часа (для Li-ion аккумулятора на 2000 mAh). Управление устройством происходит с помощью двух тактовых кнопок.

Выводы

Сконструированный прибор способен определить уровень радиации и концентрацию опасных газов и служить альтернативным источником света.

Полученное функциональное устройство может обеспечить сохранение здоровья людям, работающим в шахтах.

Перспективы использования результатов работы
Устройство можно использовать в шахтах для индивидуального мониторинга окружающей среды и как осветительный прибор в случае поломки основных источников света. Прибор можно выдавать для каждого работника угольных шахт.

Мнение автора

«Я считаю, что мой проект после его доработки можно реализовать в производстве. Конференция «Старт в медицину» воодушевляет учащихся школ и учителей работать в направлении проектных работ. Конференция даёт возможность талантам раскрыться, а авторам проектов – быть услышанными»