Zobrazení termochromické teploty a vlhkosti: 10 kroků (s obrázky)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-13 06:57

Na tomto projektu pracuji již nějakou dobu. Původní myšlenka mě napadla po vybudování demonstrátoru regulátoru TEC v práci na veletrhu. Abychom ukázali možnosti vytápění a chlazení TEC, použili jsme termochromní barvu, která přechází z černé na průhlednou.

V tomto projektu jsem tuto myšlenku vzal dále a postavil dvouciferný 7segmentový displej s použitím měděných desek, které jsou pokryty termochromními fóliemi na bázi tekutých krystalů. Za každou měděnou deskou je umístěn prvek TEC, který řídí teplotu a tím mění barvu desky z tekutých krystalů. Čísla budou ukazovat teplotu a vlhkost ze snímače DHT22.

Možná oceníte ironii zařízení, které zobrazuje okolní teplotu změnou vlastní teploty;-)

Zásoby

• 3 ks, deska z tekutých krystalů 150x150 mm (29-33 ° C) (viz zde).
• 17 ks, měděné desky, tloušťka 1 mm (rozměry viz níže)
• 401 x 220 x 2 mm hliníkový plech (šedý/černý elox)
• 401 x 220 x 2 mm akrylová deska (bílá)
• 18 ks, peltierový prvek TES1-12704
• 9 ks, dvoumotorový ovladač TB6612FNG
• 6 ks, Arduino Nano
• 2 ks, ventilátor 40x40x10 mm
• 18 ks, chladič 25x25x10 mm
• Napájení 12 V, 6 A.
• Snímač teploty a vlhkosti DHT22 (AM2302)
• 6 ks, 40 mm dlouhá distanční podložka na DPS

Kromě toho jsem použil tento tepelně vodivý epoxid, který byl poměrně levný a má dlouhou dobu zpracovatelnosti. K vytvoření potřebných otvorů v hliníkových a akrylových deskách byl použit nástroj pro vrtání a dremel. Držák desek plošných spojů arduinů a motorových ovladačů byl 3D vytištěn a připevněn horkým lepidlem. Také jsem použil spoustu duplicitních vodičů k vytvoření všech připojení. Tato deska plošných spojů se šroubovými svorkami byla navíc velmi užitečná pro distribuci napájecího zdroje 12 V.

Upozornění: Zdá se, že mnoho desek TB6612FNG má nainstalované nesprávné kondenzátory. Přestože všichni prodejci určují desku pro napětí motoru do 15 V, kondenzátory jsou často dimenzovány pouze na 10 V. Poté, co jsem odpálil kondenzátory na svých prvních dvou deskách, jsem všechny odspájkoval a nahradil je pořádnými.

Krok 1: Výroba měděných desek

Na měděné desky jsem použil online službu řezání laserem (viz zde), kam jsem mohl nahrát připojené soubory dxf. Protože však tvary nejsou příliš složité, řezání laserem není nutností a pravděpodobně existují levnější výrobní postupy (např. Děrování, řezání). Na displej je potřeba celkem 14 segmentů, dva kruhy a jedna pomlčka. Tloušťka měděných desek byla 1 mm, ale pravděpodobně by mohla být snížena na 0,7 nebo 0,5 mm, což by vyžadovalo menší topný/chladicí výkon. Použil jsem měď, protože tepelná kapacita a tepelná vodivost je lepší než hliník, ale ten by měl také fungovat poměrně dobře.

Krok 2: Připojení listu z tekutých krystalů

Klíčovou součástí tohoto projektu je termochromní fólie z tekutých krystalů, kterou jsem získal od SFXC. Fólie je k dispozici v různých teplotních rozsazích a při vysokých teplotách mění barvu z černé na červenou, oranžovou a zelenou na modrou. Vyzkoušel jsem dvě různé šířky pásma 25-30 ° C a 29-33 ° C a nakonec jsem si vybral to druhé. Protože ohřívání pomocí Peltierova článku je snazší než chlazení, měl by být teplotní rozsah mírně nad pokojovou teplotou.

Fólie z tekutých krystalů má samolepicí podložku, která velmi dobře přilne k měděným deskám. Přebytečná fólie byla nařezána kolem talíře pomocí exaktního nože.

Krok 3: Připojení prvku TEC

Pelety byly připevněny ke středu každé měděné desky pomocí tepelně vodivého epoxidu. Desky jsou o něco větší než peltiery, takže zůstávají zcela skryty za sebou. Pro delší desku, která tvoří pomlčku symbolu procenta, jsem použil dva pelety.

Krok 4: Příprava hliníkové desky

Abych ušetřil nějaké peníze, sám jsem vyvrtal všechny otvory do hliníkové desky. Právě jsem vytiskl přiložený pdf na papír A3 a použil jej jako šablonu pro vrtání. Pro každý segment je otvor, kterým procházejí kabely TEC, a 6 otvorů na okrajích pro pozdější připevnění akrylové desky.

Krok 5: Připojení segmentů

Jednou z nejtěžších částí tohoto projektu bylo správné připojení segmentů k zadní desce. Vytiskl jsem 3D několik přípravků, které by mi pomohly se zarovnáním segmentů, ale fungovalo to jen částečně, protože segmenty neustále klouzaly. Kabely navíc tlačí na peltier, aby se uvolnil z desky. Nějak se mi podařilo nalepit všechny segmenty na správné místo, ale jeden z panterů v segmentu palubní desky má velmi špatnou tepelnou spojku. Možná by bylo lepší použít místo epoxidu samolepicí tepelné podložky, i když mám podezření, že se to časem uvolní.

Krok 6: Připevnění chladičů a držáků

Můj původní nápad byl použít hliníkovou desku jako chladič pro peltiery i bez ventilátoru. Myslel jsem, že celková teplota desky se zvýší jen mírně, protože některé segmenty se ochlazují, zatímco jiné se zahřívají. Ukázalo se však, že bez dalších chladičů a bez chladicího ventilátoru bude teplota stále stoupat do bodu, kdy již nelze měděné desky ochladit. To je obzvláště problematické, protože k ovládání topného/chladicího výkonu nepoužívám žádné termistory, ale vždy používám pevnou hodnotu. Proto jsem koupil malé chladiče se samolepicí podložkou, které byly připevněny na zadní stranu hliníkové desky za každým peltierem.

Poté byly na zadní stranu desky pomocí hotglue připevněny také 3D vytištěné držáky pro ovladače motorů a arduiny.

Krok 7: Nahrání kódu

Každé arduino může ovládat pouze dva ovladače motoru, protože potřebují dva PWM a 5 digitálních IO pinů. Existují také ovladače motorů, které lze ovládat přes I2C (viz zde), ale nejsou kompatibilní s logikou 5 V arduinos. V mém okruhu je jedno „hlavní“arduino, které komunikuje s 5 „podřízenými“arduino přes I2C, které zase ovládá ovladače motoru. Kód pro arduiny najdete zde na mém účtu GitHub. V kódu pro „slave“arduino musí být změněna adresa I2C pro každé arduino v záhlaví. Existují také některé proměnné, které umožňují změnu topného/chladicího výkonu a odpovídající časové konstanty.

Krok 8: Wiring Madness

Zapojení tohoto projektu byla naprostá noční můra. Připojil jsem fritzing diagram, který ukazuje připojení pro hlavní arduino a jediné slave arduino jako příklad. Kromě toho existuje pdf dokumentující, který TEC je připojen ke kterému ovladači motoru a arduino. Jak vidíte na obrázcích, kvůli velkému množství připojení je zapojení velmi nepořádné. Všude, kde to bylo možné, jsem používal dupontní konektory. Napájení 12 V bylo distribuováno pomocí DPS se šroubovými svorkami. Na napájení jsem připojil stejnosměrný kabel s volnými vodiči. K distribuci připojení 5 V, GND a I2C jsem vybavil několik prototypových desek plošných spojů zástrčkami.

Krok 9: Příprava akrylové desky

Dále jsem vyvrtal několik otvorů do akrylové desky, aby ji bylo možné připevnit k hliníkové desce pomocí distančních podložek PCB. Kromě toho bylo pomocí nástroje dremel provedeno několik výřezů pro ventilátory a štěrbina pro kabel snímače DHT22. Poté byly ventilátory připevněny k zadní části akrylové desky a kabely byly protaženy některými otvory, které jsem vyvrtal. Příště pravděpodobně vyrobím desku řezáním laserem.

Krok 10: Hotový projekt

Nakonec byla akrylová deska a hliníková deska k sobě připevněny pomocí distančních podložek PCB o délce 40 mm. Poté je projekt dokončen.

Po připojení k napájecímu zdroji budou segmenty střídavě zobrazovat teplotu a vlhkost. U teploty změní barvu pouze horní tečka, zatímco při zobrazení vlhkosti se zvýrazní také pomlčka a spodní tečka.

V kódu se každý aktivní segment zahřívá po dobu 25 sekund a současně chladí neaktivní segmenty. Poté se peltiery vypnou na 35 sekund, aby se teplota mohla znovu stabilizovat. Teplota měděných desek však časem vzroste a nějakou dobu trvá, než segmenty provedou úplnou změnu barvy. Odběr proudu pro jednu číslici (7 segmentů) byl naměřen asi 2 A, takže celkový odběr proudu pro všechny segmenty se pravděpodobně blíží maximu 6 A, které může napájecí zdroj poskytnout.

Dalo by se určitě snížit spotřebu energie přidáním termistorů jako zpětné vazby pro úpravu výkonu vytápění/chlazení. O krok dále by bylo použití vyhrazeného řadiče TEC se smyčkou PID. To by pravděpodobně mělo umožnit stálý provoz bez velké spotřeby energie. Aktuálně uvažuji o vybudování takového systému pomocí ovladačů Thorlabs MTD415T TEC.

Další nevýhodou současné konfigurace je, že je možné slyšet 1 kHz PWM výstup ovladačů motoru. Bylo by také hezké, kdyby se někdo mohl zbavit fanoušků, protože jsou také docela hlasití.

První cena v soutěži Metal