Изготовление прибора как практическое исследование в индивидуальном проекте

2.2 Изготовление цифрового измерителя температуры и влажности

В теоретической части мы выяснили, что микроклимат в классе влияет на самочувствие и успеваемость учеников. Цель практической части — создать прибор для контроля температуры и влажности воздуха.

Цель создания прибора:

Разработать и изготовить цифровой термометр-гигрометр с выводом показаний на дисплей и возможностью отслеживания динамики.

Задачи:

1. Изучить существующие схемы и выбрать оптимальную.
2. Подобрать компоненты: датчик, контроллер, дисплей.
3. Разработать схему и конструкцию корпуса.
4. Собрать прибор и написать программу.
5. Провести калибровку и испытания.
6. Разместить прибор в классе и собрать данные.

Анализ аналогов:

В магазинах есть готовые термометры-гигрометры, но они либо дорогие, либо имеют маленький экран, либо не сохраняют историю. Наш прибор будет дешевле, с крупным дисплеем и возможностью подключения к компьютеру для сбора статистики.

Разработка схемы:

Была выбрана следующая схема:

• Контроллер: Arduino Nano.
• Датчик: DHT22 (температура и влажность, точнее чем DHT11).
• Дисплей: LCD 1602 I2C (16x2 символов, с I2C модулем для экономии пинов).
• Питание: от USB (5В) или от батареек через повышающий преобразователь.
• Дополнительно: кнопка для переключения режимов, зуммер для сигнализации выхода за пределы.

Схема соединений нарисована в программе Fritzing (приведена в приложении).

Конструирование корпуса:

Корпус решено сделать из прозрачного оргстекла толщиной 3 мм. Чертежи разработаны в Компас-3D. Корпус состоит из:

• Основания с отверстиями под датчик и USB.
• Верхней крышки с вырезом под дисплей.
• Боковых стенок.

Детали вырезаны лобзиком, края обработаны наждачной бумагой. Сборка на маленьких винтиках и термоклее.

Изготовление:

Компоненты заказаны на AliExpress (общая стоимость около 500 рублей). Пайка производилась на макетной плате. Программа написана в среде Arduino IDE с использованием библиотек DHT и LiquidCrystal_I2C.

#include 
#include 

#define DHTPIN 2
#define DHTTYPE DHT22

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

void setup() {
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  dht.begin();
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("Temp: ");
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print("Hum: ");
}

void loop() {
  float temp = dht.readTemperature();
  float hum = dht.readHumidity();
  
  lcd.setCursor(6,0);
  lcd.print(temp);
  lcd.print(" C  ");
  
  lcd.setCursor(5,1);
  lcd.print(hum);
  lcd.print(" %  ");
  
  delay(2000);
}

Настройка и калибровка:

Показания датчика сравнивались с ртутным термометром и психрометром. Расхождения оказались в пределах 0.5°C и 3% влажности, что допустимо. Для более точных измерений в программу добавлена корректировка (коэффициенты).

Испытания:

Прибор работал непрерывно в течение 3 дней. Проверена работа от USB и от батареек. Зафиксированы изменения температуры в разное время суток. Данные записывались в тетрадь (см. дневник наблюдений в приложении).

Итоговый продукт:

Готовый прибор представляет собой:

• Корпус из оргстекла 80x60x30 мм.
• Показания выводятся на дисплей.
• Питание от USB (можно подключить к powerbank).
• Погрешность: ±0.5°C, ±3%.

Апробация:

Прибор размещен в кабинете физики и используется для контроля микроклимата. Учитель отметил полезность прибора. Проведены измерения в разных точках класса (у окна, у двери) — выявлена разница температур до 2°C, что объясняет, почему некоторые ученики мерзнут.

Фотографии прибора, схема, чертежи, код и результаты измерений приведены в Приложении 1.

Что должно быть в описании прибора:

1. Название и назначение – что это за прибор, для чего предназначен.
2. Цель и задачи создания – почему решили сделать именно такой прибор.
3. Анализ аналогов – есть ли похожие приборы, чем ваш лучше/дешевле/удобнее.
4. Технические характеристики – диапазон измерений, точность, габариты, вес, питание.
5. Принципиальная схема – электрическая, кинематическая или оптическая (с пояснениями).
6. Конструкция – из каких деталей состоит, материалы, чертежи корпуса.
7. Технология изготовления – как делали, какие инструменты использовали.
8. Программное обеспечение – если есть микроконтроллер, код с комментариями.
9. Настройка и калибровка – как настраивали, с чем сравнивали.
10. Испытания – результаты проверок, графики, таблицы.
11. Инструкция по эксплуатации – как пользоваться, меры предосторожности.
12. Экономическая оценка – сколько потрачено денег (по желанию).
13. Выводы – удалось ли достичь цели, что можно улучшить.

В приложении нужно дать: фотографии прибора с разных сторон, схемы, чертежи, листинг кода, результаты измерений.

Как рассчитывается схожесть:

• 40% - за совпадение типа продукта
• 30% - за общие предметы
• 30% - за общие теги/характеристики