Termokromni prikaz temperature in vlažnosti: 10 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Na tem projektu delam že kar nekaj časa. Prvotna ideja se mi je porodila, ko sem na sejmu zgradil demonstratorja krmilnika TEC. Za prikaz zmogljivosti ogrevanja in hlajenja TEC smo uporabili termokromno barvo, ki se spremeni iz črne v prozorno.

V tem projektu sem idejo nadaljeval in izdelal dvomestni 7-segmentni zaslon z uporabo bakrenih plošč, ki so prekrite s termokromnimi listi na osnovi tekočih kristalov. Za vsako bakreno ploščo sedi element TEC, ki nadzoruje temperaturo in s tem spreminja barvo pločevine s tekočimi kristali. Številke prikazujejo temperaturo in vlažnost senzorja DHT22.

Morda boste cenili ironijo, da imate napravo, ki prikazuje temperaturo okolja s spreminjanjem lastne temperature;-)

Zaloge

• 3 kos, 150x150 mm pločevina s tekočimi kristali (29-33 ° C) (glej tukaj).
• 17 kosov, bakrene plošče, debeline 1 mm (mere glejte spodaj)
• 401 x 220 x 2 mm aluminijasta plošča (sivo/črno eloksirano)
• 401 x 220 x 2 mm akrilna plošča (bela)
• 18 kosov, element peltier TES1-12704
• 9 kosov, gonilnik z dvojnim motorjem TB6612FNG
• 6 kosov, Arduino Nano
• 2 kosa, 40x40x10 mm ventilator za hlajenje
• 18 kosov, hladilnik 25x25x10 mm
• 12 V, 6 A napajalnik
• Senzor temperature in vlažnosti DHT22 (AM2302)
• 6 kosov, 40 mm dolgih tiskanih vezij

Poleg tega sem uporabil ta toplotno prevodni epoksid, ki je bil precej poceni in ima dolgo življenjsko dobo. S svedrom in orodjem dremel smo naredili potrebne luknje v aluminijastih in akrilnih ploščah. Nosilec za tiskana vezja za arduino in gonilnike motorjev je bil 3D natisnjen in pritrjen z vročim lepilom. Prav tako sem uporabil veliko dupont žic za vzpostavitev vseh povezav. Poleg tega je bilo to tiskano vezje z vijačnimi sponkami zelo priročno za distribucijo 12 V napajanja.

Pozor: Očitno ima veliko plošč TB6612FNG nameščene napačne kondenzatorje. Čeprav vsi prodajalci določajo ploščo za napetosti motorja do 15 V, so kondenzatorji pogosto ocenjeni le na 10 V. Potem ko sem razstrelil kondenzatorje na prvih dveh ploščah, sem jih vse razpakiral in zamenjal z ustreznimi.

1. korak: Izdelava bakrenih plošč

Za bakrene plošče sem uporabil spletno storitev laserskega rezanja (glej tukaj), kamor sem lahko naložil priložene datoteke dxf. Ker pa oblike niso zelo zapletene, lasersko rezanje ni nujno in verjetno obstajajo cenejše proizvodne tehnike (npr. Prebijanje, žaganje). Skupaj je za prikaz potrebnih 14 segmentov, dva kroga in ena pomišljaj. Debelina bakrenih plošč je bila 1 mm, vendar bi se verjetno lahko zmanjšala na 0,7 ali 0,5 mm, kar bi zahtevalo manjšo moč ogrevanja/hlajenja. Uporabil sem baker, ker sta toplotna zmogljivost in toplotna prevodnost boljša od aluminija, vendar bi tudi slednji morali delovati precej dobro.

2. korak: Pritrditev lista s tekočimi kristali

Ključna sestavina tega projekta je termokromna tekoča kristalna folija, ki sem jo dobil od SFXC. Folija je na voljo v različnih temperaturnih območjih in spreminja barvo iz črne pri nizkih temperaturah preko rdeče, oranžne in zelene v modro pri visokih temperaturah. Preizkusil sem dve različni pasovni širini 25-30 ° C in 29-33 ° C in na koncu izbral slednjo. Ker je ogrevanje z elementom peltier lažje kot hlajenje, mora biti temperaturno območje nekoliko nad sobno temperaturo.

Folija s tekočimi kristali ima samolepilno podlago, ki se zelo dobro prilepi na bakrene plošče. Odvečno folijo smo z natančnim nožem razrezali okoli plošče.

3. korak: Pritrditev elementa TEC

Peleti so bili pritrjeni na sredino vsake bakrene plošče s toplotno prevodnim epoksidom. Plošče so nekoliko večje od peltierjev, tako da ostanejo popolnoma skrite zadaj. Za daljšo ploščo, ki predstavlja pomišljaj simbola odstotka, sem uporabil dve peleti.

4. korak: Priprava aluminijaste plošče

Da bi prihranil nekaj denarja, sem sam izvrtal vse luknje v aluminijasti plošči. Pravkar sem natisnil priloženi pdf na papir A3 in ga uporabil kot predlogo za vrtanje. Za vsak segment, skozi katerega tečejo kabli TEC, je luknja, na robovih pa 6 lukenj za poznejšo pritrditev akrilne plošče.

5. korak: Pritrditev segmentov

Eden najtežjih delov tega projekta je bil pravilno pritrditev segmentov na zadnjo ploščo. 3D -tiskal sem več vbodov, ki bi mi pomagali pri poravnavi segmentov, vendar je to delovalo le delno, ker so segmenti nenehno drseli. Poleg tega kabli pritisnejo na peltier, tako da se sprosti s plošče. Nekako mi je uspelo zlepiti vse segmente na pravo mesto, vendar ima eden od peltierjev v segmentu armatur zelo slabo toplotno sklopko. Morda bi bilo bolje uporabiti samolepilne termične blazinice namesto epoksida, čeprav sumim, da se lahko sčasoma zrahlja.

6. korak: Pritrditev hladilnega telesa in držala

Moja prvotna zamisel je bila, da aluminijasto ploščo uporabim kot hladilnik za pelete tudi brez ventilatorja. Mislil sem, da se bo skupna temperatura plošče nekoliko povečala, saj se nekateri segmenti ohladijo, drugi pa segrejejo. Izkazalo pa se je, da se bo brez dodatnih hladilnikov in brez ventilatorja temperatura še naprej dvigovala do točke, ko bakrenih plošč ni več mogoče ohladiti. To je še posebej problematično, ker za krmiljenje moči ogrevanja/hlajenja ne uporabljam nobenih termistorjev, ampak vedno uporabljam fiksno vrednost. Zato sem kupil majhne hladilnike s samolepilno blazinico, ki so bili pritrjeni na zadnjo stran aluminijaste plošče za vsakim peltierjem.

Po tem so bili na zadnji strani plošče s pomočjo vročega lepila pritrjeni tudi 3D natisnjeni nosilci za voznike motorjev in arduino.

7. korak: Nalaganje kode

Vsak arduino lahko upravlja samo do dva gonilnika motorja, saj potrebujeta dva PWM in 5 digitalnih IO zatičev. Obstajajo tudi gonilniki motorjev, ki jih je mogoče krmiliti prek I2C (glej tukaj), vendar niso združljivi s 5 V logiko arduinov. V mojem vezju je en "glavni" arduino, ki komunicira s 5 "podrejenimi" arduini prek I2C, ki pa krmilijo gonilnike motorja. Kodo za arduinos najdete tukaj v mojem računu GitHub. V kodi za "slave" arduinos je treba naslov I2C spremeniti za vsak arduino v glavi. Obstajajo tudi nekatere spremenljivke, ki omogočajo spreminjanje moči ogrevanja/hlajenja in ustreznih časovnih konstant.

8. korak: Ožičenje norosti

Ožičenje tega projekta je bila popolna mora. Priložil sem diagram fritzinga, ki na primer prikazuje povezave za glavni arduino in en sam pomožni arduino. Poleg tega obstaja pdf, ki dokumentira, kateri TEC je povezan s katerim gonilnikom motorja in arduinom. Kot lahko vidite na slikah, je ožičenje zaradi velike količine povezav zelo zmedeno. Kadar je bilo mogoče, sem uporabil konektorje dupont. Napajanje 12 V je bilo razdeljeno z uporabo tiskanega vezja z vijačnimi sponkami. Na vhod za napajanje sem priključil enosmerni kabel z letečimi vodi. Za distribucijo priključkov 5 V, GND in I2C sem nekatere prototipne tiskane vezje opremil z moškimi zatiči.

9. korak: Priprava akrilne plošče

Nato sem izvrtal nekaj lukenj v akrilni plošči, tako da jo je mogoče pritrditi na aluminijasto ploščo prek stojala za PCB. Poleg tega sem z orodjem dremel naredil nekaj izrezov za ventilatorje in režo za kabel senzorja DHT22. Nato so bili ventilatorji pritrjeni na zadnjo stran akrilne plošče, kabli pa so bili speljani skozi nekaj lukenj, ki sem jih izvrtal. Naslednjič bom ploščo verjetno naredil z laserskim rezanjem.

10. korak: Končan projekt

Nazadnje sta bila akrilna plošča in aluminijasta plošča pritrjena drug na drugega s pomočjo 40 mm dolgih stojal za PCB. Po tem je projekt končan.

Ko so priključeni na napajanje, segmenti izmenično prikazujejo temperaturo in vlažnost. Za temperaturo bo samo zgornja pika spremenila barvo, pomišljaj in spodnja pika pa sta poudarjeni, ko se prikaže vlažnost.

V kodi se vsak aktivni segment segreva 25 sekund, hkrati pa hladi neaktivne segmente. Po tem se peleti za 35 sekund izklopijo, da se lahko temperatura ponovno stabilizira. Kljub temu se bo temperatura bakrenih plošč sčasoma zvišala in traja nekaj časa, da segmenti popolnoma spremenijo barvo. Trenutni tok ene enomestne številke (7 segmentov) je bil izmerjen na približno 2 A, zato je skupni tok toka za vse segmente verjetno blizu največ 6 A, ki jih lahko zagotovi napajanje.

Porabo energije bi zagotovo lahko zmanjšali z dodajanjem termistorjev kot povratnih informacij za prilagajanje moči ogrevanja/hlajenja. Še en korak naprej bi bil uporaba namenskega krmilnika TEC s PID zanko. To bi verjetno moralo omogočiti stalno delovanje brez velike porabe energije. Trenutno razmišljam o izgradnji takega sistema z uporabo gonilnikov Thorlabs MTD415T TEC.

Druga pomanjkljivost trenutne konfiguracije je, da lahko slišimo 1 kHz PWM izhod gonilnikov motorja. Prav tako bi bilo lepo, če bi se lahko znebili oboževalcev, ker so tudi precej glasni.

Prva nagrada na tekmovanju za metal