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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

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 uzeo sam ideju dalje i izgradio dvocifreni 7-segmentni ekran 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 ćete cijeniti ironiju u pogledu uređaja koji prikazuje temperaturu okoline promjenom vlastite temperature;-)

Supplies

• 3 kom, lim sa tečnim kristalima 150x150 mm (29-33 ° C) (vidi ovde).
• 17 kom, bakrene ploče, debljine 1 mm (dimenzije 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 od peltiera
• 9 kom, TB6612FNG pokretač s dvostrukim motorom
• 6 kom, Arduino Nano
• 2 kom, 40x40x10 mm ventilator za hlađenje
• 18 kom, hladnjak 25x25x10 mm
• 12 V, 6 A napajanje
• DHT22 (AM2302) senzor temperature i vlažnosti
• 6 kom, 40 mm dugih PCB -ova

Osim toga, koristio sam ovaj termički provodljivi epoksid koji je bio prilično jeftin i ima dug vijek trajanja. Bušilica i dremel alat korišteni su za izradu potrebnih rupa u aluminijskim i akrilnim pločama. Držači za PCB -ove arduina i upravljačkih programa 3D štampani su i pričvršćeni vrućim ljepilom. Također, koristio sam puno dupont žica za sve veze. Nadalje, ova PCB sa vijčanim terminalima 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 pregorio kondenzatore na prve dvije ploče, sve sam ih odlemio i zamijenio odgovarajućim.

Korak 1: Izrada bakarnih ploča

Za bakrene ploče koristio sam mrežnu uslugu laserskog rezanja (pogledajte ovdje) gdje sam mogao učitati priložene dxf datoteke. Međutim, 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 ovaj bi trebao djelovati prilično dobro.

Korak 2: Pričvršćivanje lista tekućih kristala

Ključna komponenta ovog projekta je termokromna tečna kristalna folija koju sam nabavio iz 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 elementom peltier lakše od hlađenja, temperaturni raspon bi trebao biti malo iznad sobne temperature.

Folija od tekućih kristala 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 provodljivog epoksida. Ploče su malo veće od peltiera tako da ostaju potpuno skrivene iza. Za dužu ploču koja predstavlja crticu simbola postotka koristio sam dva peltiera.

Korak 4: Priprema aluminijske ploče

Da bih uštedio nešto, sam sam izbušio sve rupe u aluminijskoj ploči. Odštampao sam priloženi pdf na papiru A3 i koristio ga kao šablon za bušenje. Za svaki segment kroz koji prolaze TEC kablovi 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 odštampao 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 odvoji od ploče. Uspio sam nekako zalijepiti sve segmente na pravo mjesto, ali jedan od peltiera u segmentu crtica ima jako lošu termičku 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 prvotna ideja bila je da aluminijsku ploču upotrijebim samo kao hladnjak za pelete 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 bez dodatnih hladnjaka i ventilatora temperatura nastaviti rasti do točke u kojoj se bakrene ploče više ne mogu hladiti. Ovo 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 štampani držači za vozače motora i arduine također su pričvršćeni na stražnju stranu ploče pomoću vrućeg ljepila.

Korak 7: Otpremanje koda

Svaki arduino može kontrolirati samo dva upravljačka programa motora jer im trebaju dva PWM i 5 digitalnih IO pinova. Postoje i upravljački programi za motore kojima se može upravljati putem I2C (vidi ovdje), ali oni nisu kompatibilni sa 5 V logikom arduina. U mom krugu postoji jedan "master" arduino koji komunicira sa 5 "slave" arduina preko I2C koji zauzvrat kontrolira upravljačke programe motora. Kod za arduinos možete pronaći ovdje na mom GitHub računu. U kodu za "slave" arduinos, I2C adresa se mora promijeniti 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 jedan slave arduino 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 velike količine veza ožičenje postaje vrlo neuredno. Koristio sam dupont konektore gdje god je to bilo moguće. Napajanje od 12 V distribuirano je pomoću PCB -a sa vijčanim priključcima. Na ulaz napajanja priključio sam istosmjerni kabel s letećim vodovima. Za distribuciju 5 V, GND i I2C veza opremio sam neke prototipne PCB -ove sa 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, napravio sam neke izreze za ventilatore i prorez za kabel senzora DHT22 koristeći moj dremel alat. Nakon toga su ventilatori 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: Završen projekat

Konačno, akrilna ploča i aluminijumska ploča međusobno su pričvršćene pomoću nosača PCB -a dužine 40 mm. Nakon toga projekat je završen.

Kada su spojeni na izvor napajanja, segmenti će naizmjenično prikazivati temperaturu i vlažnost. Za temperaturu će samo gornja tačka promijeniti boju, dok će crtica i donja tačka biti istaknute kada se prikazuje vlažnost.

U kodu se svaki aktivni segment zagrijava 25 sekundi uz istovremeno hlađenje neaktivnih segmenata. Nakon toga se peleti isključuju na 35 sekundi kako bi se temperatura ponovno stabilizirala. Ipak, temperatura bakrenih ploča će se vremenom povećavati i potrebno je neko vrijeme da segmenti potpuno promijene boju. Trenutni napon za jednocifrenu vrijednost (7 segmenata) izmjeren je na oko 2 A, tako da je ukupna potrošnja struje za sve segmente vjerojatno blizu maksimalnih 6 A koje napajanje može pružiti.

Sigurno bi se moglo smanjiti potrošnja energije dodavanjem termistora kao povratne informacije za podešavanje snage grijanja/hlađenja. Išli bi korak dalje upotrebom namjenskog TEC kontrolera sa PID petljom. Ovo bi vjerojatno trebalo omogućiti stalni rad bez velike potrošnje energije. Trenutno razmišljam o izgradnji takvog sistema koristeći Thorlabs MTD415T TEC upravljačke programe.

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

Prva nagrada na takmičenju za metal