XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Водный страж (система оповещения о протечке воды в жилых помещениях)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Обидин П.Р. 1

---

1МБОУ СОШ "Мозайка", Путилково, г.о.Красногорск

Яшина Н.Г. 1

---

1МБОУ СОШ "Мозайка", Путилково, г.о.Красногорск

Работа в формате PDF

620.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Недавно наша семья столкнулась с одной неприятной ситуацией- посреди ночи у нас квартире прорвало трубу отопления. Когда мы это заметили, вода успела залить большую площадь квартиры и испортить пол, мебель, пролиться к соседям снизу.

Позже я узнал, что данная проблема носит регулярный характер и почти каждая квартира хотя бы один раз сталкивалась с подобным происшествием. В старых домах это связано с тем, что трубы, и стыки труб, по которым протекает вода, частично износились со временем и требуют замены, которая не всегда делается своевременно. В новостройках же часто компании застройщики экономят на материалах.

Хорошо бы при возникновении аварии оперативно узнавать об этом.

Так и появилась идея создать устройство, способное оповещать жильцов квартиры громким звуковым сигналом, в случае появление воды там, где её быть не должно.

Цель проектной работы: ознакомиться с устройством и монтажом электрических схем, собрать свой действующий образец устройства.

Задачи проектной работы:

1) Изучить принцип работы простых электрических схем.

2) Изучить внешний вид радиодеталей, какие задачи в схемах они выполняют.

3) Изучить обозначение деталей на схемах, сопоставление внешнего вида детали с обозначением её на схеме.

4) Узнать виды монтажа электрических схем, выбрать наиболее подходящий для моих целей и возможностей способ сборки.

5) Разработать топологическую схему монтажа.

6) Самостоятельно собрать электрическую схему.

7) Выбрать для нашего устройства простой и надёжный корпус.

8) Самостоятельно собрать готовое изделие.

9) Протестировать изделие на работоспособность.

Этапы проектной работы:

1. Выбор электрической схемы для нашего устройства, изучения принципа работы.

2. Выбор метода монтажа готового изделия.

3. Изучение простых радиодеталей, как они работают и для каких задач служат.

4. Сопоставление внешнего вида радиодеталей на схеме и в жизни.

5. Составление топологической схемы монтажа

6. Выбор корпуса для готового устройства.

7. Монтаж электрической схемы

8. Монтаж изделия в корпус

9. Тестирование готового изделия.

1. Теоретическая часть

1. 1. 1. Выбор электрической схемы для нашего устройства, изучения принципа работы.

В обучающем наборе «Основы схемотехники» из серии «Азбука электронщика», выпускаемый компанией Мастер Кит была представлена простоя и понятная схема устройства (рис.1), которое может издавать сигнал при замыкании контактов, для наших задач данная схема вполне подойдёт.

(рис.1 Схема устройства)

В состав схемы входят: 1 элемент питания 9В, транзистор КТ315, резистор на 10кОм, пьезоэлектрический излучатель, в качестве электродов можно использовать 2 провода с оголёнными концами, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. В рамках меры безопасности не рекомендуется иметь дело с оголёнными проводами в работающих устройствах, так как это опасно для жизни, но в нашем случае устройство работает от батарейки и не способно причинить ущерб здоровью.

Рассмотрим схему. Любая электрическая схема должна содержать элемент питания и нагрузку, и должна быть закольцована сама на себя. Ток в электроцепях генерируется в элементе питания, проходит по проводу к нагрузке от плюса (в качестве нагрузки могут служить радиодетали, забирающие на себя часть электрической энергии) и возвращается к минусу элемента питания (рис.2). Если цепь разомкнута, то движения электронов не происходит, это называется разрывом и в таком случае электрическая схема работать не будет, если же в схеме отсутствует нагрузка, то фактически мы получаем, что плюс и минус у элемента питания замыкаются, это называется короткое замыкание, оно может повредить элемент питания.

(рис.2 Электрическая схема)

Наша схема работает так: в режиме ожидания, когда между электродами находится воздух, сопротивление которого весьма высоко, цепь разомкнута, транзистор VT1 закрыт (условно можно считать, что его нет в схеме), и на зуммер (пьезоэлектрический излучатель) напряжение питания не подается, устройство «молчит» (рис.3). Если же электроды погрузить в воду, которая неплохо проводит электрический ток, то транзистор откроется (то есть, замкнет цепь питания зуммера от батареи), и зуммер начнет издавать звук до тех пор, пока электроды погружены в воду (рис.4). Резистор R1 служит для ограничения тока, открывающего транзистор, и нужно для того, чтобы транзистор при срабатывании устройства не сгорел. Поскольку в «дежурном» состоянии, когда между электродами нет воды, схема почти не потребляет ток, то батарейки хватит надолго.

(рис.3 Разомкнутая электрическая цепь)

(рис.4 Замкнутая электрическая цепь)

1. 2. 2. Изучение простых радиодеталей, как они работают и для каких задач служат.

Макетная плата на 400 контактов. В данной макетной плате реализованы 4 силовых линии (по 25 контактов на каждую) и 30 монтажных линий (по 8 контактов на каждую линию). Данной макетной платы для наших нужд хватит с огромным запасом.

Элемент питания. Так для нашей схемы необходимо питание от 5 до 10 вольт а также нужна мобильность устройства, что исключает возможность подключения к сети питания через преобразователь напряжения, в качестве элемента, была выбрана батарейка "Крона" 6LR61 GP Super Alkaline 9V. Имеющая габариты 48*26*17мм, рабочее напряжение 9 вольт и удобные контакты для крепления колодки питания, обеспечивающие надёжное механическое соединение бед дополнительных приспособлений.

Контактная колодка для батарейки Крона с проводом GSN-1. Необходимо для передачи электрической энергии от батарейки на макетную плату.

Резистор металлопленочный MF-25 мощностью 0.125Вт, номиналом 10 кОм. Резистор ставят в электрические схемы для уменьшения напряжения в электроцепях.

Пьезоэлектри́ческий излуча́тель (HPA17A) - электроакустическое устройство, способное воспроизводить звук при подаче на него напряжения.

Транзистор КТ315 или его аналог 2N3904. Транзистор представляет из себя полупроводниковый прибор с тремя выводами (эмиттер, коллектор, база). База в транзисторе находится между эмиттером и коллектором и состоит из материала с особыми свойствами (полупроводниковым материалом), если на него не подавать ток, то он является диэлектриком, то есть не пропускает ток между эмиттером и коллектором, в этом случае говорят, что транзистор закрыт, если же на базу подать ток, то она начинает проводить ток между эмиттером и коллектором, транзистор «открывается». Транзистор, в зависимости от конструкции и принципах применения в схемах может выполнять либо роль вентиля, либо роль усилителя, в нашем случае от транзистора нам нужен функционал вентиля. Транзистор является одним из величайших изобретений прошлого века, навсегда изменивший олик нашего мира.

Существует ещё множество разновидностей деталей: конденсаторы, диоды, катушки индуктивности, фото и терморезисторы, различные переключатели, подстроечные и переменные детали, цифровые элементы, но данные радиодетали не применяются в моём устройстве, и их устройство и принцип работы я изучу позже. Радиодетали могут производиться в разном исполнении, в зависимости от задач, режимов работы, требуемой точности и мощности узлов, в которых задействованы детали, они могут варьироваться в размерах, от нескольких метров (силовые элементы в электростанциях), до едва различимых для глаза (SMD-компонентов), а транзисторы внутри микроконтроллеров и микропроцессоров достигают вообще нескольких нанометров. Для нас при монтаже на макетной плате важно чтобы размер деталей был сопоставим размером шага отверстий макетной платы.

1. 3. 3. Выбор метода монтажа готового изделия.

Есть несколько способов монтажа электрических схем. В зависимости от того, насколько сложна схема и в каких условиях она будет работать, электрическую схему можно смонтировать либо:

- навесным монтажом (когда радиодетали припаиваются ножками друг к другу при помощи паяльника и припоя). Такой способ монтажа подходит для несложных электрических схем. При этом он самый дешёвый из всех; готовая сборка занимает мало места, но требует умения работы с паяльником.

- монтажом на макетной плате. Макетная плата, или как её ещё называют, учебный макет, представляет из себя пластиковую пластину с отверстиями. Внутри отверстий находится металлические кольца. Внутри макетной платы металлические кольца соединяются друг с другом по определённой схеме.

- монтажом на печатный плате из стеклотекстолита. Данный способ в наше время используется практически во всех электронных устройствах ввиду своей универсальности, отлаженности процесса изготовления печатных плат и монтажа, но требует навык изготовления печатных плат и работы с паяльником.

Для наших задач, ввиду отсутствия опыта сборки электрических схем и отсутствия опыта работы с паяльником, принимая во внимание простоту схемы, был выбран способ, монтажом на макетной плате.

4. Сопоставление внешнего вида радиодеталей на схеме и в жизни.

Элемент питания (рис.5) рисуется на схеме в виде двух перпендикулярных отрезков, подлиннее это плюс, покороче минус. В реальности могут быть совершенно разных размеров и форм. В нашем случае используется элемент питания «Крона» 9В.

Резистор (рис.6) на схеме выглядит в виде прямоугольника, иногда внутри него рисуют наклонные линии, обозначающие мощность, при которой должен работать данный элемент. На схеме резиcтор обозначают буквой R. В реальности резистор представляет из себя бочонок, внутри которого находится материал с заданным размером и сопротивлением (что формирует суммарное сопротивление резистора) и двумя металлическими ножками по бокам. На тело резистора наносят цветовую маркировку в виде полос, по которой можно определить номинал элемента.

Пьезоэлектри́ческий излуча́тель (зуммер) на схеме выглядит как прямоугольник с одной длинной стороной. В реальности выглядит как плоский цилиндр с двумя ножками снизу и отверстием сверху для выхода звука (рис.7).

Транзистор рисуется в виде окружности с тремя выводами, внутри окружности расположен отрезок, перпендикулярно к которому посередине подходит вывод базы, с противоположной стороны под углом подходи вывод эмиттера, с другой стороны со стрелочкой вывод базы. В реальности транзисторы для учебных нужд и простых схем представляет из себя маленький кубик, как правило с закругление сзади, имеет буквенную маркировку на плоской поверхности и три ножки вывода (рис.8).

4. Составление топологической схемы монтажа.

Перед сборкой нашего изделия необходимо разработать топологическую схему, по которой мы будем собирать нашу схему. Макетная плата представляет из себя пластину с металлизированными отверстиями, соединенными внутри между собой шинами (рис.9). Силовая шина плюса обозначена красным цветом, минуса – синим, а шины внутренних коммуникаций зелёным. Перед разработкой нужно замерить, сколько нужно место деталям и какое примерное расстояние между ножками деталей.

- контакты колодки батареи и электроды- это обычные провода, под каждый из них нужно по 1 отверстию.

- между ножками резистора желательно оставить от 3 до 5 отверстий (ножки у резистора длинные и гибкие, поэтому данным параметром можно играться)

- ножки транзистора должны идти подряд, но если по топологии это сложно сделать, то можно увеличить расстояние

- у зуммера ножки короткие и жёсткие, расстояние между ними строго 6 отверстий.

Исходя из всех этих параметров рисуем топологическую схему (рис.10)

4. Выбор корпуса для готового устройства.

Теоретически для нашего устройства может подойти любой корпус размера больше, чем размер макетной платы с размещёнными элементами, но наше устройство будет работать во влажной среде, а при попадании влаги на электроды, а внутрь схемы могут замкнуться контакты не там, где нужно, что может нарушить работу устройства или вообще вывести его из строя поэтому одним из критериев выбора корпуса – герметичность. Самым простым и дешёвым решением на мой взгляд является использования мыльницы для транспортировки открытого мыла (рис.11). Она герметичная, дешёвая и размер можно подобрать любой под наши нужды.

1. 4. Глава 2. Практическая часть

1. 5. 1. Монтаж электрической схемы

Для монтажа электрической схемы нам понадобятся: макетная плата, радиодетали и провода, топологическая схема.

Процесс сборки очень прост: вставляем детали и провода в макетную плату в соответствии с топологической схемой, внимательно наблюдая за правильностью установки транзистора, при необходимости подгибаем ножки деталей, элемент питания подключаем в самую последнюю очередь, обращая внимание на полярность. Весь процесс сборки занимает около 10 минут, при отсутствии мало мальского опыта (рис.12).

1. 6. 2. Монтаж изделия в корпус

Перед тем как помещать наше изделие в корпус, необходимо проделать в нижней части корпуса два отверстия для электродов (можно воспользоваться шилом или гвоздём) (рис.13). Данные отверстия необходимы для вывода электродов вне корпуса. Готовое устройство будет лежать так, что электроды будут практически касаться пола или иной поверхности, где возможно появление воды, и при замыкании этих электродов водой, будет происходить «срабатывание» устройства. В отверстия мы просовываем электроды, закрепляем их при помощи скотча (рис.14), а саму макетную плату с элементами закрепляем в нижней части корпуса и также закрепляем скотчем (рис.15), после чего закрываем верхнюю крышку. Устройство готово к работе. Для полной герметичности можно залить отверстия, в которые выведены провода электродов клеем-герметиком, также можно склеить верхнюю и нижнюю часть корпуса, что даст ещё большую надёжность, но сделает устройство неремонтопригодным.

1. 7. 3. Тестирование готового изделия.

Для тестирования готового изделия, нальём немного воды на поверхность и кладём наше устройство электродами вниз. Устройство работает. Теперь его можно использовать по назначению, оставив под раковиной (рис.16), под ванной или на полу в коммутационном сантехническом коробе.

Затраченные ресурсы:

Методические ресурсы:

- пособие, входящее в обучающий набор NR03 «Основы схемотехники» из серии «Азбука электронщика», выпускаемый компанией Мастер Кит.

Материальные ресурсы:

1) Монтажная плата- 133р

2) Батарейка "Крона" -220Р

3) Контактная колодка для батарейки Крона с проводом -27р

4) Резистор металлоплёночный 10кОм -7р

5) Транзистор КТ315 -17р

6) Провода соединительные 4шт по 10см -10р

7) Корпус (пластиковая коробка для транспортировки мыла) -55р

Сопутствующие материалы:

1) Шило или гвоздь для проделывания отверстия в корпусе под вывод электродов

2) Скотч прозрачный 15см для закрепления корпуса и электродов

Итого: 469р

В качестве пробного образца можно использовать электронный конструктор «Позитроник», он стоит около 1500р, содержит макетную плату, все необходимые детали и коммутационные компоненты.

Перспектива развития проекта:

Ввиду того что у данного проекта есть один большой минус- оно информирует о факте протечки звуковым сигналом, а значит, если услышать некому, то никто знать и не будет, и вода будет течь и дальше. Перспективным развитием проекта было то, что при факте протечки перекрывалась подача воды в точку протечки путём блокирования вентиля.

Заключение

В результате проведённой проектной работы по разработке и сборке устройства обнаружения протечки воды «Водный страж» я приобрёл следующие навыки.

1. Изучил как работают простые электрические схемы

2. Изучил внешний вид радиодеталей и их обозначение на схемах

3. Ознакомился с видами монтажа электрических схем

4. Изучил разработку топологий макетных плат

5. Научился собирать простые схемы на макетных платах

6. Понял, что самое простые и дешёвые механизмы при правильном применении способны сэкономить большое количество денег

Использованные источники информации:

- Пособие из обучающего набора «Основы схемотехники» из серии «Азбука электронщика», выпускаемый компанией Мастер Кит.