Älykkään akkukäyttöisen maanäytesekoittajan suunnittelu

Abstract

Työssä suunniteltiin älykäs akkukäyttöinen maanäytesekoittaja laboratoriokäyttöön. Suunnittelun lähtökohtina olivat käyttömukavuus, kestävyys, langattomuus, helppo puhdistettavuus ja kustannustehokkuus. Laitteen vaatimukset ja tarvittavat ominaisuudet määriteltiin asiakasyrityksessä tehdyn haastattelun perusteella.

Sekoittajassa käytetään hiiliharjatonta tasavirtamoottoria, joka tarjoaa paremman hyötysuhteen ja vähäisemmän huoltotarpeen kuin perinteiset harjalliset moottorit. Moottorin ohjaus perustuu kenttäsuuntautuneeseen ohjaukseen, mikä mahdollistaa tarkan ja energiatehokkaan hallinnan. Moottorin asentotieto ohjausta varten saadaan moottorin tuottamasta vastasähkömotorisesta voimasta. Laitteen virtalähteenä toimii ladattava litiumioniakusto, jonka kapasiteettia voidaan lisätä tarpeen mukaan. Akun älykäs lataus ja purku tapahtuvat turvallisesti. Käyttäjä näkee akun varauksen käyttöpainikkeeseen integroitujen LED-valojen avulla.

Sekoittajan mekaniikkasuunnittelussa keskityttiin ergonomiaan ja kestävyyteen. Kotelon materiaalina käytettiin lieriön muotoista polypropeenia. Elektroniikkasuunnittelussa hyödynnettiin tunnettujen valmistajien komponentteja kuten Espressif Systemsin ESP32-mikrokontrolleria, Texas Instrumentsin moottorinohjainta ja Analog Devicesin latauspiiriä. Piirilevysuunnittelussa pyrittiin tilan säästämiseen ja kustannustehokkuuteen valmistusvaiheessa. Ohjelmointi voidaan tehdä Arduino IDE -ympäristössä, mutta moottorin parametrien säätöön on syytä hankkia valmistajan evaluaatiopiirilevy ja ohjelmisto. Ennen tuotantoa on suoritettava prototyypin valmistus, toiminnalliset testit ja pilotointi.

Opinnäytetyön tuloksena saatiin laboratoriossa maanäytteiden sekoittamiseen käytettävän laitteen kattava suunnitelma. Laite vastaa sekä toiminnoiltaan että käytettävyydeltään asiakasyrityksen tarpeisiin.

The work involved designing a smart battery-powered soil sample mixer for laboratory use. The design priorities included user-friendliness, durability, cordless operation, ease of cleaning and cost-effectiveness. The device's requirements and necessary features were defined based on an interview with the client.

The mixer utilizes a brushless DC motor providing better efficiency and requiring less maintenance compared to traditional brushed motors. The motor control is based on field-oriented control, enabling precise and energy-efficient management. The motor's position information for control is obtained from the back electromotive force generated by the motor. The device is powered by a rechargeable lithium-ion battery pack with its capacity being adjustable as needed. Smart charging and discharging of the battery occur safely, with the user being able to monitor the battery charge via integrated LED lights on the control button.

The mechanical design of the mixer focused on ergonomics and durability using cylindrical polypropylene as the casing material. In the electronics design, components from well-known manufacturers were used, such as Espressif Systems’ ESP32 microcontroller, Texas instruments' motor controller, and Analog Devices' charging circuit. The PCB design aimed to save space and be cost-effective during manufacturing. The programming can be done in the Arduino IDE environment, but it is advisable to acquire the manufacturer's evaluation PCB and software for adjusting the motor parameters. Before production, prototype manufacturing, functional tests, and piloting are necessary.

The thesis resulted in a comprehensive design of the equipment used in the laboratory for mixing soil samples. The device meets the needs of the client company in terms of both functionality and usability.