Внеурочная деятельность по физике

Комитет по делам образования города Челябинска

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 

УЧРЕЖДЕНИЕ «ГИМНАЗИЯ № 10 г. ЧЕЛЯБИНСКА»

Проектная работа

«Изучение концентрации углекислого газа в воздухе школьных кабинетов»

Тип проекта: практико-ориентированный

Выполнил: 

Стригун

Иван Сергеевич, 

Ученик 9 -б класса 

Руководитель проекта: Петрякова Лариса Леонидовна

Челябинск, 2024г.

Содержание

Введение. 3

Основная часть. 4

I.1. Теоретическая часть. 5

I.1.1. Проблема повышенного содержания углекислого газа в помещениях. 5

II.1. Практическая часть. 6

II.1.1. Подбор модулей для устройства. 6

II.1.2. Сборка прототипа и разработка прошивки. 7

II.1.3. Создание 3д моделей модулей и основного корпуса. 7

II.1.4. Сборка устройства в корпусе. 8

II.1.5 Сбор и обработка данных. 8

Заключение. 10

Приложение. 11

Введение

   Идея проекта пришла ко мне, когда я начал замечать, что ближе к концу урока концентрация на предмете и его усваиваемость падает, и мне стало интересно из-за чего это происходит. После изучения этой проблемы, я узнал, что причинной плохого самочувствия ближе к концу урока может быть высокое содержания углекислого газа в помещение. Эта проблема стоит довольно остро в учебных заведениях, детских садах, офисных помещениях, в помещениях, где находится множество человек. Главная причина-это недостаточная вентиляция помещений. Большинство зданий с потенциальными скоплениями людей не оснащены вентиляцией, чаще всего это объясняется большой ценной оборудования для достаточной вентиляции помещения. Но некоторые здания оснащены пассивной вентиляцией, но чаще всего она не работает или работает не достаточно, поскольку не создаётся достаточного потока свежего воздуха из за хорошей герметичности пластиковых окон. Раньше, когда окна были деревянные между окном и рамой  были щели из за них создавался достаточный поток свежего воздуха и пассивная вентиляция работала, но сейчас окна хорошо герметичные и щели между окном рамой отстутствуют. Нормы содержания углекислого газа описаны в ГОСТе 30494-2011 в нём есть пределы содержания углекислого газа в жилых и общественных помещениях. Я решил проверить соответствует ли кабинеты в школе требованиям, а также узнать связанны ли ухудшения концентрации и восприятие урока с повышенным содержаниям углекислого газа в кабинете. Для этого мне понадобилось устройство для измерения углекислого газа и записи архива. Я начал изучать рынок готовых устройств для измерения углекислого газа. После поиска и выбора вариантов я оставил несколько моделей, но у каждой из них есть недостатки.  Детектор CO2 углекислого газа МТ8057- умеет измерять только углекислый газ и оповещать о превышениях, также имеет высокую цену. Straz Gaz VIP-911-M3-имеет низкую цену, оснащён датчиками углекислого газа, температуры, влажности, но имеет низкую точность измерений, также отсутствует возможность записи архива. Автономный профессиональный многофункциональный анализатор качества воздуха HTi-HZ (700)-имеет высокую точность измерений, возможность записи архива, портативность, но очень высокую цену. У всех вариантов, которые я нашёл есть весомые недостатки, поэтому я решил сделать собственный регистратор качества воздуха и записи архива с помощью которого я бы смог проверить гипотезу про ухудшение концентрации и восприятие урока с повышением содержаниям углекислого газа в кабинете

   Цель: Разработать собственный регистратор углекислого газа и проверить гипотезу.

   Задачи:

1.Изучить проблему повышенной концентрации углекислого газа в помещении.

2.подобрать датчики и модули для сборки устройства.

3.собрать прототип устройства.

4.разработать прошивку для устройства.

5.создать 3д модели компонентов и корпуса.

6.Подготовить корпус к сборке и собрать устройство в нём.

7.Протестировать прошивку на собранном устройстве и установить его в кабинет.

8.Собрать и обработать данные с устройств, установленных в кабинетах.

   Продукт проекта: Регистратор качества воздуха.

Глава 1 Теоретическая часть

1.1Проблема повышенного содержания углекислого газа в помещениях

Проблема повышенного содержания углекислого газа (CO2) в помещениях становится все более актуальной из-за увеличения выремени, проводимого людьми в закрытых пространствах, и стремления снижению расходов на постройку зданий, что зачастую приводит к недостаточной вентиляции. Что ведёт к повышенному содержанию углекислого газа в помещении, вследствие чего ухудшается состояние человека. При концентрации углекислого газа выше 0,1% (1000 ppm [parts per million]) возникает ощущение духоты: общий дискомфорт, слабость, расширяются кровеносные сосуды в мозге, снижается активность нейронов и уменьшается объём коммуникации между регионами мозга. Также увеличивается частота и глубина дыхания, происходит сужение бронхов, а при концентрации выше 15% - спазм голосовой щели. При длительном нахождении в помещениях с избыточным количеством углекислого газа происходят изменения в кровеносной, центральной нервной, дыхательной системах, при умственной деятельности нарушается, восприятие, оперативная память, распределение внимания, также учащается сердцебиение, повышается артериальное давление, появляется отдышка. При ежедневном и долговременном нахождении в помещениях с повышенным содержанием углекислого газа происходит кальцификация почек, вследствие чего возникновение камней, также повышается рост маркеров окислительного стресса, учащаются приступы астмы.

Глава 2 Практическая часть

1.1Подбор модулей для устройства.

   Для основы регистратора качества воздуха был выбран надежный микроконтроллер из серии AVR - Atmega328 (см. приложение 1). Этот микроконтроллер обладает достаточным объемом памяти и периферии (входы, выходы).

Процесс подбора датчиков начался с тщательного анализа различных вариантов. Первым шагом был выбор первичного измерительного прибора (датчик углекислого газа), и после внимательного сопоставления характеристик было принято решение в пользу модели MHZ-19D (см. приложение 2). Этот выбор был обусловлен не только подходящим диапазоном измерений (0-5000 ppm), но и доступной стоимостью, что делает его наиболее оптимальным вариантом, по сравнению с другими моделями.

Дополнительно к датчику углекислого газа, были выбраны и другие датчики, включая датчики температуры и влажности. На основании требований проекта, выбор был сделан в пользу датчика BME280 (см. приложение 3), поскольку он обладает довольно малой ценной, но в тоже время хорошей точностью измерений, также он не только измеряет температуру и влажность, но и обладает возможностью измерения атмосферного давления, что добавляет функциональности устройству.

Помимо основных датчиков, в устройстве использовались и другие компоненты, такие как жидкокристаллический дисплей размером 20х4, модуль реального времени ds1302 и модуль с 5-позиционной кнопкой для управления, что обеспечивает удобство использования и управления устройством.

После тщательного выбора компонентов и датчиков, был сделан заказ на приобретение необходимых модулей и комплектующих, чтобы перейти к следующему этапу разработки и сборки устройства.

1.2Сборка прототипа и разработка прошивки.

   После того, как все компоненты пришли, я приступил к сборке прототипа устройства без корпуса. Затем началась разработка ПО на языке программирования C++. Однако перед этим я создал детальную блок-схему (см. приложение 4), что позволило заранее продумать работу устройства и упростить дальнейшее программирование.

В процессе разработки пришлось разработать собственный обработчик функциональных кнопок, чтобы обеспечить точное и надежное управление настройками устройства. Также, что-бы обеспечить четкое и удобочитаемое отображение информации на экране устройства, пришлось создать специальный крупный шрифт для дисплея, поскольку готовых и подходящих решений не было.

Когда ПО было готово и опробовано на прототипе, я сделал схему соединений (см. приложение 5), чтобы в будущем на внутренний монтаж готового устройства ушло меньше времени.

1.3Создание 3д моделей модулей и основного корпуса.

   Параллельно с тем, как разрабатывался прототип, я создавал 3D модели в программном обеспеченье КОМПАС-3D. Для каждого модуля была сделана 3d модель, также была подготовлена 3d модель корпуса. Поскольку я использовал серийно выпускаемый корпус, пришлось дополнительно разработать панели (см. приложение 6 и 7) из акрилового стекла для крепления модулей внутри корпуса. В панелях предусмотрены отверстия для крепления в корпусе, а также отверстия для крепления модулей и вырез для установки кулера. В корпусе предусмотрены отверстия для дисплея и вентиляционные отверстия, также в боковых частях корпуса предусмотрены отверстия под вход для питания устройства, вход для установки ПО, отверстие для установки Sd карты и отверстие под модуль управления. Помимо корпуса я разработал лицевую шильд-панель (см. приложение 9) на которой изображена основная информация об устройстве, а также графические обозначения органов управления и разъёмов для питания устройства и установки ПО. Разработав 3d модель устройства (см. приложение 8) и чертёж лицевой панели, я заказал изготовление панелей из акрилового стекла и изготовление шиль-панели, а также фрезеровку корпуса

1.4 Сборка устройства в корпусе.

Когда все необходимые детали были готовы, я приступил к сборке устройства в корпус. Сначала я подготовил проводники для монтажа модулей с микроконтроллером в соответствии с необходимой длинной. Дальше я приступил к монтажу проводников к микроконтроллеру. После я разместил модули на панелях и закрепил их. Далее я установил панели, с установленными на них модулями, в корпус (см. приложение 10). Я загрузил ПО и проверил работоспособность устройства, после чего собрал устройство до конца.  Завершающим этапом было наклеивание шильд-панели, придавая устройству завершенный и профессиональный внешний вид.

1.5Сбор и обработка данных

   После того, как я собрал и повесил устройства, прошло 2 недели, в течении которых оба устройства ввели запись данных на microSD карту. Сняв данные с устройств, я начал их обрабатывать с помощью ПО Excel. Импортировав данные за день, я начал строить графики, 1 осью графика стало время записи на карту, а второй осью количество углекислого газа в помещении в ppm, также были указаны нормы содержания углекислого газ по стандартам СанПин.

Заключение

   Как показали результаты измерений проблема повышенного содержания углекислого газа в учебных заведениях стоит очень остро в том числе и в нашей школе. На графиках построенных из данных снятых с устройств хорошо видна корреляция с уроками и переменами, но к сожалению в большинстве случаев за перемену не успевают достаточно проветрить кабинет до приемлемых значений содержания углекислого газа. 

Источники

1.     Кто ответит за духоту в помещении // Клуб выпускников МГУ URL: http://www.moscowuniversityclub.ru/home.asp?artId=14637 (дата обращения: 10.12.23).

2.     ГОСТ "Параметры микроклимата в помещениях" от 01.01.2013 № 30494-2011

3.     Содержание углекислого газа в помещении: основные нормативы // Бризекс URL: https://xn--90aifdm6al.xn--p1ai/blog/normy-uglekislogo-gaza-dlya-pomeshchenij (дата обращения: 10.12.23).

4.     Ю.Д. Губернский Е.О.Шилькрот Сколько воздуха нужно человеку для комфорта? // AВОК. - 2008. - №4

Приложение

1. AVR - Atmega328

2. MHZ-19D

3. BME280

4. блок-схема

5. схема соединений

6.верхняя панель

7.нижняя панель

8.модель устройства

9.шильд-панель

10.устройство в сборе

Скачано с www.znanio.ru