Termokromaattinen lämpötila- ja kosteusnäyttö: 10 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Olen työskennellyt tämän projektin parissa jo jonkin aikaa. Alkuperäinen idea tuli mieleeni sen jälkeen, kun olin rakentanut TEC -ohjaimen esittelyn töihin messuille. TEC -laitteiden lämmitys- ja jäähdytysominaisuuksien näyttämiseksi käytimme lämpökromimaalia, joka muuttuu mustasta läpinäkyväksi.

Tässä projektissa olen vienyt ajatusta pidemmälle ja rakentanut kaksinumeroisen 7-segmenttisen näytön käyttämällä kuparilevyjä, jotka on peitetty nestekiteisiin perustuvilla lämpökromisilla levyillä. Jokaisen kuparilevyn takana on TEC -elementti, joka ohjaa lämpötilaa ja muuttaa siten nestekidelevyn väriä. Numerot näyttävät DHT22 -anturin lämpötilan ja kosteuden.

Saatat arvostaa ironiaa, että sinulla on laite, joka näyttää ympäristön lämpötilan muuttamalla omaa lämpötilaa;-)

Tarvikkeet

• 3 kpl, 150x150 mm nestekidearkki (29-33 ° C) (katso täältä).
• 17 kpl, kuparilevyjä, 1 mm paksu (mitat alla)
• 401 x 220 x 2 mm alumiinilevy (harmaa/musta eloksoitu)
• 401 x 220 x 2 mm akryylilevy (valkoinen)
• 18 kpl, peltier-elementti TES1-12704
• 9 kpl, TB6612FNG -kaksimoottorinen ohjain
• 6 kpl, Arduino Nano
• 2 kpl, 40x40x10 mm tuuletin
• 18 kpl, 25x25x10 mm jäähdytyselementti
• 12 V, 6 A virtalähde
• DHT22 (AM2302) lämpötila- ja kosteusanturi
• 6 kpl, 40 mm pitkiä piirilevyjä

Lisäksi käytin tätä lämpöä johtavaa epoksia, joka oli melko halpa ja pitkä käyttöikä. Poralla ja dremel -työkalulla tehtiin tarvittavat reiät alumiini- ja akryylilevyihin. Arduinoiden ja moottoriajurien piirilevyjen pidike 3D -tulostettiin ja kiinnitettiin kuumalla liimalla. Lisäksi käytin paljon ja paljon dupont -johtoja kaikkien liitosten tekemiseen. Lisäksi tämä ruuviliittimellä varustettu piirilevy oli erittäin kätevä 12 V: n virtalähteen jakeluun.

Huomio: Ilmeisesti monissa TB6612FNG -levyissä on asennettu väärät kondensaattorit. Vaikka kaikki myyjät määrittävät piirilevyn enintään 15 V: n moottorijännitteille, kondensaattorit on usein mitoitettu vain 10 V. Kun puhalsin kondensaattorit kahdelle ensimmäiselle levylle, irrotin ne kaikki ja korvasin ne oikeilla.

Vaihe 1: Kuparilevyjen valmistus

Kuparilevyille käytin online -laserleikkauspalvelua (katso täältä), josta voisin ladata liitteenä olevat dxf -tiedostot. Koska muodot eivät kuitenkaan ole kovin monimutkaisia, laserleikkaus ei ole välttämätöntä ja on todennäköisesti halvempia valmistustekniikoita (esim. Lävistys, sahaus). Näyttöön tarvitaan yhteensä 14 segmenttiä, kaksi ympyrää ja yksi viiva. Kuparilevyjen paksuus oli 1 mm, mutta se voitaisiin todennäköisesti pienentää 0,7 tai 0,5 mm: iin, mikä tarvitsisi vähemmän lämmitys-/jäähdytystehoa. Käytin kuparia, koska lämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus ovat parempia kuin alumiini, mutta jälkimmäisen pitäisi myös toimia kohtuullisen hyvin.

Vaihe 2: Nestekidearkin kiinnittäminen

Tämän projektin keskeinen komponentti on lämpökrominen nestekidekalvo, jonka hankin SFXC: ltä. Kalvo on saatavana eri lämpötila -alueilla ja vaihtaa väriä mustasta alhaisissa lämpötiloissa yli punaisen, oranssin ja vihreän siniseksi korkeissa lämpötiloissa. Kokeilin kahta eri kaistanleveyttä 25-30 ° C ja 29-33 ° C ja päädyin valitsemaan jälkimmäisen. Koska lämmitys peltier -elementillä on helpompaa kuin jäähdytys, lämpötila -alueen tulisi olla hieman huoneenlämpötilaa korkeampi.

Nestekidekalvossa on itseliimautuva tausta, joka tarttuu erittäin hyvin kuparilevyihin. Ylimääräinen kalvo leikattiin levyn ympärille käyttämällä tarkkaa veistä.

Vaihe 3: TEC -elementin kiinnittäminen

Peltierit kiinnitettiin jokaisen kuparilevyn keskelle käyttämällä lämpöä johtavaa epoksia. Levyt ovat hieman suurempia kuin peltiers, joten ne pysyvät täysin piilossa takana. Pidemmälle levylle, joka muodostaa prosenttiluvun viivan, käytin kahta peltieriä.

Vaihe 4: Alumiinilevyn valmistelu

Rahan säästämiseksi porasin kaikki reiät alumiinilevyyn itse. Tulostin juuri liitetyn pdf -tiedoston A3 -paperille ja käytin sitä porausmallina. Jokaisessa segmentissä, jossa TEC -kaapelit kulkevat, on reikä ja reunoissa 6 reikää akryylilevyn kiinnittämistä varten.

Vaihe 5: Segmenttien kiinnittäminen

Yksi hankkeen vaikeimmista osista oli kiinnittää segmentit oikein taustalevyyn. 3D -tulostin useita jigejä, jotka auttaisivat minua segmenttien kohdistamisessa, mutta tämä toimi vain osittain, koska segmentit liukuvat jatkuvasti pois. Lisäksi kaapelit työntyvät peltierin päälle niin, että se irtoaa levystä. Jotenkin onnistuin liimaamaan kaikki segmentit oikeaan paikkaan, mutta yhdellä kojelautasegmentin peltierillä on erittäin huono lämpöliitäntä. Voi olla parempi käyttää itseliimautuvia lämpötyynyjä epoksin sijasta, vaikka epäilen, että se voi löystyä ajan myötä.

Vaihe 6: Jäähdytyselementtien ja pidikkeiden kiinnitys

Alkuperäinen ajatukseni oli käyttää alumiinilevyä jäähdytyselementtinä peltiersille ilman tuuletinta. Luulin, että levyn kokonaislämpötila nousee vain hieman, koska jotkut segmentit jäähdytetään, kun taas toiset kuumenevat. Kuitenkin kävi ilmi, että ilman ylimääräisiä jäähdytyselementtejä ja ilman jäähdytystuuletinta lämpötila nousee edelleen pisteeseen, jossa kuparilevyjä ei voida enää jäähdyttää. Tämä on erityisen ongelmallista, koska en käytä mitään termistoreita lämmitys-/jäähdytystehon ohjaamiseen, vaan käytän aina kiinteää arvoa. Siksi ostin pieniä jäähdytyselementtejä itseliimautuvalla tyynyllä, jotka kiinnitettiin alumiinilevyn takaosaan jokaisen peltierin takana.

Tämän jälkeen 3D -tulostetut pidikkeet moottoriajureille ja arduinoille kiinnitettiin myös levyn takaosaan kuumaliimalla.

Vaihe 7: Koodin lataaminen

Jokainen arduino voi ohjata vain kahta moottoriajuria, koska he tarvitsevat kaksi PWM- ja 5 digitaalista IO -nastaa. On myös moottoriajureita, jotka voidaan colrolloida I2C: n kautta (katso täältä), mutta ne eivät ole yhteensopivia arduinon 5 V: n logiikan kanssa. Piirissäni on yksi "isäntä" arduino, joka kommunikoi 5 "orja" arduinon kanssa I2C: n kautta, joka puolestaan ohjaa moottoriajureita. Arduinoiden koodi löytyy täältä GitHub -tililtäni. "Slave" arduinojen koodissa I2C -osoite on vaihdettava jokaisen otsikon arduino -tiedoston osalta. On myös joitakin muuttujia, jotka mahdollistavat lämmitys-/jäähdytystehon ja vastaavien aikavakioiden muuttamisen.

Vaihe 8: Johdotushulluus

Tämän projektin johdotus oli täydellinen painajainen. Olen liittänyt fritsointikaavion, joka näyttää esimerkkinä isäntä -arduinon ja yhden orja -arduinon liitännät. Lisäksi on pdf -dokumentti, joka TEC on liitetty mihin moottoriajuriin ja arduinoon. Kuten kuvista näkyy suurten liitäntöjen vuoksi, johdot menevät erittäin sotkuisiksi. Käytin dupont -liittimiä aina kun se oli mahdollista. 12 V: n virtalähde jaettiin käyttämällä piirilevyä ruuviliittimillä. Liitin virtalähteeseen DC -kaapelin, jossa on lentävät johdot. 5 V-, GND- ja I2C -liitäntöjen jakamiseksi varustelin joitakin prototyyppisiä piirilevyjä, joissa oli urosnastaiset otsat.

Vaihe 9: Akryylilevyn valmistelu

Seuraavaksi porasin joitain reikiä akryylilevyyn, jotta se voidaan kiinnittää alumiinilevyyn piirilevyjen kautta. Lisäksi tein joitain aukkoja tuulettimille ja raon DHT22 -anturikaapelille dremel -työkalullani. Tämän jälkeen tuulettimet kiinnitettiin akryylilevyn takaosaan ja kaapelit syötettiin joidenkin porattujen reikien läpi. Ensi kerralla teen levyn laserleikkauksella.

Vaihe 10: Valmis projekti

Lopuksi akryylilevy ja alumiinilevy kiinnitettiin toisiinsa käyttämällä 40 mm pitkiä PCB -suojalevyjä. Tämän jälkeen projekti on valmis.

Kun segmentit on kytketty virtalähteeseen, ne näyttävät vuorotellen lämpötilan ja kosteuden. Lämpötilan osalta vain ylempi piste muuttaa väriä, kun taas viiva ja alempi piste on korostettu näytettäessä kosteutta.

Koodissa jokainen aktiivinen segmentti kuumennetaan 25 sekunnin ajaksi samalla jäähdyttäen ei-aktiiviset segmentit. Tämän jälkeen peltiers kytketään pois päältä 35 sekunniksi, jotta lämpötila voi tasaantua uudelleen. Kuitenkin kuparilevyjen lämpötila nousee ajan myötä, ja kestää jonkin aikaa, ennen kuin segmentit muuttavat värin kokonaan. Yksinumeroisen (7 segmentin) virrankulutuksen mitattiin olevan noin 2 A, joten kaikkien segmenttien kokonaisvirta on luultavasti lähellä maksimia 6 A, jonka virtalähde voi tarjota.

Voisi varmasti vähentää virrankulutusta lisäämällä termistoreita palautteena lämmitys-/jäähdytystehon säätämiseksi. Askeleen pidemmälle menisi käyttämällä omaa TEC -ohjainta, jossa on PID -silmukka. Tämän pitäisi todennäköisesti mahdollistaa jatkuva toiminta ilman paljon virrankulutusta. Ajattelen parhaillaan sellaisen järjestelmän rakentamista käyttämällä Thorlabs MTD415T TEC -ohjaimia.

Toinen nykyisen kokoonpanon haittapuoli on, että voidaan kuulla moottoriajurien 1 kHz: n PWM -lähtö. Olisi myös mukavaa, jos pääsisimme eroon faneista, koska he ovat myös melko äänekkäitä.

Ensimmäinen palkinto metallikilpailussa