Termokromni prikaz temperature i vlažnosti: 10 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:34

Na ovom projektu radim već duže vrijeme. Prvotna ideja došla mi je nakon izgradnje demonstratora TEC kontrolera na poslu za sajam. Za prikaz sposobnosti grijanja i hlađenja TEC -a koristili smo termokromnu boju koja se mijenja iz crne u prozirnu.

U ovom projektu sam dalje uzeo ideju i izgradio dvoznamenkasti 7-segmentni zaslon koristeći bakrene ploče prekrivene termokromnim pločama na bazi tekućih kristala. Iza svake bakrene ploče nalazi se TEC element koji kontrolira temperaturu i na taj način mijenja boju lista tekućih kristala. Brojevi će pokazivati temperaturu i vlažnost sa senzora DHT22.

Možda biste cijenili ironiju u pogledu uređaja koji prikazuje temperaturu okoline promjenom vlastite temperature;-)

Pribor

• 3 kom, lim s tekućim kristalima 150x150 mm (29-33 ° C) (vidi ovdje).
• 17 kom, bakrene ploče, debljine 1 mm (mjere pogledajte dolje)
• 401 x 220 x 2 mm aluminijska ploča (sivo/crno eloksirano)
• 401 x 220 x 2 mm akrilna ploča (bijela)
• 18 kom, TES1-12704 element peltier
• 9 kom, TB6612FNG pokretač s dva motora
• 6 kom, Arduino Nano
• 2 kom, ventilator za hlađenje 40x40x10 mm
• 18 kom, hladnjak 25x25x10 mm
• Napajanje 12 V, 6 A
• Senzor temperature i vlažnosti DHT22 (AM2302)
• 6 kom, 40 mm dugih PCB -ova

Osim toga, koristio sam ovaj toplinski vodljivi epoksid koji je bio prilično jeftin i ima dug vijek trajanja. Alat za bušenje i dremel korišten je za izradu potrebnih rupa u aluminijskim i akrilnim pločama. Držači za PCB -ove arduina i pogonskih motora 3D su tiskani i pričvršćeni vrućim ljepilom. Također, koristio sam puno dupont žica za sve veze. Nadalje, ova PCB s vijčanim priključcima bila je vrlo korisna za distribuciju 12 V napajanja.

Pažnja: Očigledno je da mnoge ploče TB6612FNG imaju instalirane pogrešne kondenzatore. Iako svi prodavači navode ploču za napon motora do 15 V, kondenzatori su često ocijenjeni samo za 10 V. Nakon što sam eksplodirao kondenzatore na svoje prve dvije ploče, sve sam ih odlemio i zamijenio odgovarajućim.

Korak 1: Izrada bakrenih ploča

Za bakrene ploče koristio sam internetsku uslugu laserskog rezanja (vidi ovdje) gdje sam mogao učitati priložene dxf datoteke. No, budući da oblici nisu jako komplicirani, lasersko rezanje nije nužno i vjerojatno postoje jeftinije proizvodne tehnike (npr. Probijanje, piljenje). Za prikaz je potrebno ukupno 14 segmenata, dva kruga i jedna crtica. Debljina bakrenih ploča bila je 1 mm, ali se vjerojatno mogla smanjiti na 0,7 ili 0,5 mm što bi zahtijevalo manje snage zagrijavanja/hlađenja. Koristio sam bakar jer su toplinski kapacitet i toplinska vodljivost superiorniji od aluminija, ali i potonji bi trebao raditi prilično dobro.

Korak 2: Pričvršćivanje lista tekućih kristala

Ključna komponenta ovog projekta je termokromna tečna kristalna folija koju sam dobio od SFXC -a. Folija je dostupna u različitim temperaturnim rasponima i mijenja boju od crne na niskim temperaturama preko crvene, narančaste i zelene do plave na visokim temperaturama. Isprobao sam dvije različite širine pojasa 25-30 ° C i 29-33 ° C i na kraju odabrao ovo drugo. Budući da je zagrijavanje s elementom peltier lakše od hlađenja, temperaturni raspon trebao bi biti malo iznad sobne temperature.

Folija s tekućim kristalima ima samoljepljivu podlogu koja se vrlo dobro lijepi za bakrene ploče. Višak folije izrezan je oko ploče pomoću egzaktnog noža.

Korak 3: Pričvršćivanje TEC elementa

Peleti su pričvršćeni na središte svake bakrene ploče pomoću toplinski vodljivog epoksida. Ploče su malo veće od peltiera tako da ostaju potpuno skrivene. Za dulju ploču koja predstavlja crticu simbola postotka koristio sam dva peltiera.

Korak 4: Priprema aluminijske ploče

Kako bih uštedio novac, sam sam izbušio sve rupe u aluminijskoj ploči. Upravo sam ispisao priloženi pdf na A3 papiru i koristio ga kao predložak za bušenje. Za svaki segment kroz koji prolaze TEC kabeli postoji rupa i 6 rupa na rubovima za kasnije pričvršćivanje akrilne ploče.

Korak 5: Pričvršćivanje segmenata

Jedan od najtežih dijelova u ovom projektu bio je pravilno pričvršćivanje segmenata na stražnju ploču. 3D sam ispisao nekoliko šablona koje bi mi pomogle pri poravnavanju segmenata, ali to je djelovalo samo djelomično jer su segmenti stalno klizili. Osim toga, kabeli guraju peltier tako da se olabavi s ploče. Uspio sam nekako zalijepiti sve segmente na pravo mjesto, ali jedan od peltiera u segmentu crtica ima jako lošu toplinsku spregu. Možda bi bilo bolje koristiti samoljepljive termo podloge umjesto epoksida, iako sumnjam da bi se s vremenom mogao olabaviti.

Korak 6: Pričvršćivanje hladnjaka i držača

Moja je prvotna ideja bila da aluminijsku ploču upotrijebim samo kao hladnjak za peltiers čak i bez ventilatora. Mislio sam da će se ukupna temperatura ploče samo malo povećati jer se neki segmenti hlade, dok se drugi zagrijavaju. Međutim, pokazalo se da će se temperatura bez dodatnih hladnjaka i ventilatora nastaviti povećavati do točke u kojoj se bakrene ploče više ne mogu hladiti. To je posebno problematično jer ne koristim nikakve termistore za kontrolu snage grijanja/hlađenja, već uvijek koristim fiksnu vrijednost. Stoga sam kupio male hladnjake sa samoljepljivom podlogom koji su pričvršćeni na stražnju stranu aluminijske ploče iza svakog peltiera.

Nakon toga, 3D ispisani držači za vozače motora i arduine također su pričvršćeni na stražnju stranu ploče pomoću vrućeg ljepila.

Korak 7: Prijenos koda

Svaki arduino može kontrolirati samo dva vozača motora jer im trebaju dva PWM i 5 digitalnih IO pinova. Postoje i upravljački programi motora kojima se može upravljati putem I2C (vidi ovdje), ali oni nisu kompatibilni s 5 V logikom arduina. U mom krugu postoji jedan "master" arduino koji komunicira s 5 "slave" arduina preko I2C koji zauzvrat kontrolira upravljačke programe motora. Kôd za arduinos možete pronaći ovdje na mom GitHub računu. U kodu za "slave" arduino potrebno je promijeniti I2C adresu za svaki arduino u zaglavlju. Postoje i neke varijable koje omogućuju promjenu snage grijanja/hlađenja i odgovarajuće vremenske konstante.

Korak 8: Ožičenje ludila

Ožičenje ovog projekta bila je potpuna mora. Priložio sam dijagram fritzinga koji prikazuje veze za glavni arduino i arduino s jednim poslužiteljem kao primjer. Osim toga, postoji pdf koji dokumentira koji je TEC povezan s kojim upravljačkim programom motora i arduinom. Kao što možete vidjeti na slikama zbog velikih količina veza ožičenje postaje vrlo neuredno. Koristio sam dupont konektore gdje god je to bilo moguće. Napajanje od 12 V distribuirano je pomoću PCB -a s vijčanim stezaljkama. Na ulaz napajanja priključio sam istosmjerni kabel s letećim vodovima. Za distribuciju 5 V, GND i I2C spojeva opremio sam neke prototipne PCB -ove s muškim pin zaglavljima.

Korak 9: Priprema akrilne ploče

Zatim sam izbušio neke rupe u akrilnoj ploči tako da se može pričvrstiti na aluminijsku ploču pomoću nosača za PCB. Osim toga, pomoću alata dremel napravio sam neke izreze za ventilatore i prorez za kabel osjetnika DHT22. Nakon toga ventilatori su pričvršćeni na stražnju stranu akrilne ploče, a kabeli su provučeni kroz neke rupe koje sam izbušio. Sljedeći put ću ploču vjerojatno napraviti laserskim rezanjem.

Korak 10: Dovršen projekt

Konačno, akrilna ploča i aluminijska ploča međusobno su pričvršćene pomoću 40 mm dugih PCB nosača. Nakon toga projekt je završen.

Kad su spojeni na napajanje, segmenti će naizmjence prikazivati temperaturu i vlažnost. Za temperaturu će samo gornja točka promijeniti boju, a crtica i donja točka bit će istaknute pri prikazu vlažnosti.

U kodu se svaki aktivni segment zagrijava 25 sekundi uz istovremeno hlađenje neaktivnih segmenata. Nakon toga se peltieri isključuju na 35 sekundi kako bi se temperatura mogla ponovno stabilizirati. Ipak, temperatura bakrenih ploča će se vremenom povećavati i potrebno je neko vrijeme da se segmenti potpuno promijene u boji. Izmjereno je strujno napajanje za jednoznamenkastu vrijednost (7 segmenata) oko 2 A, pa je ukupni napon struje za sve segmente vjerojatno blizu maksimalnih 6 A koje napajanje može pružiti.

Svakako bi se moglo smanjiti potrošnja energije dodavanjem termistora kao povratne sprege za podešavanje snage grijanja/hlađenja. Napraviti još jedan korak dalje bilo bi korištenje namjenskog TEC kontrolera s PID petljom. To bi vjerojatno trebalo omogućiti stalni rad bez velike potrošnje energije. Trenutno razmišljam o izgradnji takvog sustava pomoću Thorlabs MTD415T TEC upravljačkih programa.

Još jedan nedostatak trenutne konfiguracije je to što se može čuti 1 kHz PWM izlaz upravljačkih programa motora. Također bi bilo lijepo kad bi se mogli riješiti navijača jer su i oni prilično glasni.

Prva nagrada na metalnom natjecanju