Termochrominis temperatūros ir drėgmės ekranas: 10 žingsnių (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:46

Prie šio projekto dirbu jau kurį laiką. Pradinė idėja man kilo pastačius TEC valdiklio demonstratorių darbe parodoje. Norėdami parodyti TEC šildymo ir vėsinimo galimybes, naudojome termochrominius dažus, kurie keičiasi nuo juodos iki skaidrios.

Šiame projekte aš toliau įgyvendinau idėją ir sukūriau dviejų skaitmenų 7 segmentų ekraną, naudodamas varines plokštes, padengtas termochrominiais lakštais, kurių pagrindą sudaro skystieji kristalai. Už kiekvienos varinės plokštės yra TEC elementas, kuris kontroliuoja temperatūrą ir taip keičia skystųjų kristalų lakšto spalvą. Skaičiai parodys temperatūrą ir drėgmę iš DHT22 jutiklio.

Galite įvertinti ironiją, kai turite prietaisą, kuris parodo aplinkos temperatūrą, keisdamas savo temperatūrą;-)

Prekės

• 3 vnt., 150x150 mm skystųjų kristalų lakštas (29-33 ° C) (žr. Čia).
• 17 vnt, varinės plokštės, 1 mm storio (matmenis žr. Žemiau)
• 401 x 220 x 2 mm aliuminio plokštė (pilka/juoda anoduota)
• 401 x 220 x 2 mm akrilo plokštė (balta)
• 18 vnt., Peltier elementas TES1-12704
• 9 vnt., TB6612FNG dvigubo variklio tvarkyklė
• 6 vnt., „Arduino Nano“
• 2 vnt., 40x40x10 mm aušinimo ventiliatorius
• 18 vnt, 25x25x10 mm radiatorius
• 12 V, 6 A maitinimo šaltinis
• DHT22 (AM2302) temperatūros ir drėgmės jutiklis
• 6 vnt., 40 mm ilgio PCB pertvaros

Be to, aš naudoju šią šilumą laidžią epoksidą, kuri buvo gana pigi ir turi ilgą tarnavimo laiką. Gręžtuvas ir „dremel“įrankis buvo padaryti reikiamoms skylėms aliuminio ir akrilo plokštėse. Arduino ir variklio vairuotojo PCB laikiklis buvo atspausdintas 3D ir pritvirtintas karštais klijais. Be to, naudodavau daug ir daug dvigubų laidų, kad galėčiau prijungti visus ryšius. Be to, ši PCB su užsukamais gnybtais buvo labai naudinga paskirstant 12 V maitinimo šaltinį.

Dėmesio: matyt, daugelyje TB6612FNG plokščių yra sumontuoti netinkami kondensatoriai. Nors visi pardavėjai nurodo plokštę, skirtą variklio įtampai iki 15 V, kondensatoriai dažnai yra vertinami tik iki 10 V. Po to, kai aš išpūtiau kondensatorius ant pirmųjų dviejų plokščių, aš juos visus nusodinau ir pakeičiau tinkamomis.

1 žingsnis: vario plokščių gamyba

Varinėms plokštėms naudojau internetinę pjovimo lazeriu paslaugą (žr. Čia), kur galėjau įkelti pridėtus dxf failus. Tačiau, kadangi formos nėra labai sudėtingos, pjovimas lazeriu nėra būtinas ir tikriausiai yra pigesnių gamybos būdų (pvz., Štampavimas, pjovimas). Iš viso rodymui reikia 14 segmentų, dviejų apskritimų ir vieno brūkšnio. Varinių plokščių storis buvo 1 mm, tačiau greičiausiai jį būtų galima sumažinti iki 0,7 arba 0,5 mm, todėl reikės mažiau šildymo/aušinimo galios. Aš naudojau varį, nes šilumos talpa ir šilumos laidumas yra pranašesni už aliuminį, tačiau pastarasis taip pat turėtų veikti pakankamai gerai.

2 žingsnis: skystųjų kristalų lakšto pritvirtinimas

Pagrindinis šio projekto komponentas yra termochrominė skystųjų kristalų folija, kurią gavau iš SFXC. Folija yra įvairių temperatūrų diapazonų ir keičia spalvą nuo juodos žemoje temperatūroje iki raudonos, oranžinės ir žalios iki mėlynos aukštoje temperatūroje. Išbandžiau du skirtingus 25–30 ° C ir 29–33 ° C pralaidumo diapazonus ir galiausiai pasirinkau pastarąjį. Kadangi šildymas peltier elementu yra lengvesnis nei aušinimas, temperatūros intervalas turėtų būti šiek tiek aukštesnis už kambario temperatūrą.

Skystųjų kristalų folija turi lipnią pagrindą, kuris labai gerai prilimpa prie varinių plokščių. Folijos perteklius buvo supjaustytas aplink plokštelę, naudojant peilį.

3 žingsnis: TEC elemento pritvirtinimas

Peltieriai buvo pritvirtinti prie kiekvienos varinės plokštės centro, naudojant šilumai laidžią epoksidą. Plokštės yra šiek tiek didesnės nei peltiers, todėl jos lieka visiškai paslėptos. Ilgesnei plokštelei, kuri yra procentinio simbolio brūkšnys, naudojau du peltierius.

4 žingsnis: aliuminio plokštės paruošimas

Norėdami sutaupyti pinigų, aš pats išgręžiau visas skyles aliuminio plokštėje. Aš ką tik atspausdinau pridėtą pdf failą ant A3 popieriaus ir panaudojau jį kaip gręžimo šabloną. Kiekviename segmente yra skylė, per kurią eina TEC kabeliai, ir 6 skylės kraštuose, kad vėliau būtų galima pritvirtinti akrilo plokštę.

5 žingsnis: segmentų pritvirtinimas

Viena iš sunkiausių šio projekto dalių buvo teisingai pritvirtinti segmentus prie galinės plokštės. Aš atspausdinau 3D, kad padėtų man suderinti segmentus, tačiau tai veikė tik iš dalies, nes segmentai nuolat slinko. Be to, kabeliai stumia peltier taip, kad jis atsilaisvintų nuo plokštės. Man kažkaip pavyko suklijuoti visus segmentus tinkamoje vietoje, tačiau vienas iš prietaisų skydelio segmentų turi labai blogą šiluminę jungtį. Galbūt geriau būtų naudoti lipnias šilumines pagalvėles, o ne epoksidą, nors įtariu, kad laikui bėgant jis gali atsilaisvinti.

6 veiksmas: radiatorių ir laikiklių pritvirtinimas

Mano pirminė idėja buvo tiesiog naudoti aliuminio plokštę kaip radiatorių peltiers net ir be ventiliatoriaus. Aš maniau, kad bendra plokštės temperatūra tik šiek tiek pakils, nes kai kurie segmentai yra atvėsinami, o kiti yra šildomi. Tačiau paaiškėjo, kad be papildomų radiatorių ir be aušinimo ventiliatoriaus temperatūra ir toliau kils iki taško, kuriame varinės plokštės nebegalės atvėsti. Tai ypač problematiška, nes aš nenaudoju jokių termistorių šildymo/aušinimo galiai valdyti, bet visada naudoju fiksuotą vertę. Todėl aš nusipirkau nedideles radiatorius su lipniu kilimėliu, kurie buvo pritvirtinti prie aliuminio plokštės užpakalinės dalies už kiekvieno peltierio.

Po to 3D spausdinti laikikliai variklių vairuotojams ir arduinos taip pat buvo pritvirtinti prie plokštės galinės pusės, naudojant karštuosius klijus.

7 veiksmas: kodo įkėlimas

Kiekvienas arduino gali valdyti tik iki dviejų variklių tvarkyklių, nes jiems reikia dviejų PWM ir 5 skaitmeninių IO kaiščių. Taip pat yra variklių tvarkyklių, kurias galima valdyti naudojant I2C (žr. Čia), tačiau jos nesuderinamos su arduinos 5 V logika. Mano grandinėje yra vienas „pagrindinis“arduino, kuris per I2C bendrauja su 5 „vergais“arduino, kurie savo ruožtu valdo variklių tvarkykles. Arduinos kodą rasite čia mano „GitHub“paskyroje. „Vergo“arduinos kode I2C adresas turi būti pakeistas kiekvienam antraštėje esančiam arduino. Taip pat yra keletas kintamųjų, leidžiančių pakeisti šildymo/aušinimo galią ir atitinkamas laiko konstantas.

8 žingsnis: laidų beprotybė

Šio projekto laidai buvo tikras košmaras. Pridedu fritzavimo schemą, kurioje kaip pavyzdys parodytos pagrindinio arduino ir vieno vergo arduino jungtys. Be to, yra pdf dokumentas, kuris TEC yra prijungtas prie kurio variklio tvarkyklės ir arduino. Kaip matote paveikslėliuose dėl daugybės jungčių, laidai tampa labai netvarkingi. Visur, kur tik įmanoma, naudojau „dupont“jungtis. 12 V maitinimo šaltinis buvo paskirstytas naudojant PCB su varžtais. Prie maitinimo šaltinio prijungiau nuolatinės srovės kabelį su skraidančiais laidais. Norėdami paskirstyti 5 V, GND ir I2C jungtis, aš įrengiau keletą prototipinių plokščių su kištukinėmis antgaliais.

9 žingsnis: Paruoškite akrilo plokštę

Tada aš gręžiau keletą skylių akrilo plokštėje, kad ją būtų galima pritvirtinti prie aliuminio plokštės per PCB atotrūkį. Be to, naudodamas savo „dremel“įrankį, padariau keletą išpjovų ventiliatoriams ir DHT22 jutiklio kabelio plyšį. Po to ventiliatoriai buvo pritvirtinti prie akrilo plokštės galinės pusės, o kabeliai buvo paduoti per kai kurias mano išgręžtas skyles. Kitą kartą aš tikriausiai padarysiu plokštelę pjaustydamas lazeriu.

10 žingsnis: baigtas projektas

Galiausiai akrilo plokštė ir aliuminio plokštė buvo pritvirtintos viena prie kitos naudojant 40 mm ilgio PCB atramas. Po to projektas baigtas.

Prijungus prie maitinimo šaltinio, segmentai pakaitomis rodys temperatūrą ir drėgmę. Dėl temperatūros tik viršutinio taško spalva pasikeis, o brūkšnys ir apatinis taškas bus paryškinti rodant drėgmę.

Pagal kodą kiekvienas aktyvus segmentas kaitinamas 25 sekundes, tuo pat metu aušinant neaktyvius segmentus. Po to prietaisai išjungiami 35 sekundėms, kad temperatūra vėl stabilizuotųsi. Nepaisant to, varinių plokščių temperatūra laikui bėgant pakils ir užtruks šiek tiek laiko, kol segmentai visiškai pakeis spalvą. Vieno skaitmens (7 segmentų) srovė buvo išmatuota maždaug 2 A, todėl bendra visų segmentų srovė greičiausiai yra artima maksimaliai 6 A, kurią gali suteikti maitinimo šaltinis.

Žinoma, būtų galima sumažinti energijos suvartojimą, pridedant termistorių kaip grįžtamąjį ryšį, kad būtų galima reguliuoti šildymo/aušinimo galią. Dar vienas žingsnis būtų naudoti specialų TEC valdiklį su PID kilpa. Tai tikriausiai turėtų leisti nuolat veikti be didelių energijos sąnaudų. Šiuo metu galvoju apie tokios sistemos kūrimą naudojant „Thorlabs MTD415T TEC“tvarkykles.

Kitas dabartinės konfigūracijos trūkumas yra tas, kad galima išgirsti variklio tvarkyklių 1 kHz PWM išėjimą. Taip pat būtų malonu, jei būtų galima atsikratyti gerbėjų, nes jie taip pat yra gana garsūs.

Pirmasis prizas metalo konkurse