Termochromický displej teploty a vlhkosti: 10 krokov (s obrázkami)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2025-01-13 06:58

Na tomto projekte pracujem už nejaký čas. Pôvodný nápad mi prišiel po vybudovaní demonštrátora regulátora TEC v práci na veľtrhu. Aby sme ukázali možnosti vykurovania a chladenia TEC, použili sme termochromickú farbu, ktorá sa mení z čiernej na transparentnú.

V tomto projekte som túto myšlienku posunul ďalej a postavil dvojciferný 7-segmentový displej pomocou medených dosiek, ktoré sú pokryté termochromickými doskami na báze tekutých kryštálov. Za každou medenou doskou je umiestnený prvok TEC, ktorý reguluje teplotu a tým mení farbu dosky z tekutých kryštálov. Čísla zobrazujú teplotu a vlhkosť zo senzora DHT22.

Oceníte iróniu zariadenia, ktoré zobrazuje teplotu okolia zmenou vlastnej teploty;-)

Zásoby

• 3 ks, doska z tekutých kryštálov 150 x 150 mm (29-33 ° C) (pozri tu).
• 17 ks, medené platne, hrúbka 1 mm (rozmery nájdete nižšie)
• 401 x 220 x 2 mm hliníkový plech (sivý/čierny elox)
• 401 x 220 x 2 mm akrylová doska (biela)
• 18 ks, Peltierov prvok TES1-12704
• 9 ks, dvojmotorový ovládač TB6612FNG
• 6 ks, Arduino Nano
• 2 ks, chladiaci ventilátor 40x40x10 mm
• 18 ks, chladič 25x25x10 mm
• Napájanie 12 V, 6 A.
• Snímač teploty a vlhkosti DHT22 (AM2302)
• 6 ks, 40 mm dlhé dištančné podložky do DPS

Okrem toho som použil tento tepelne vodivý epoxid, ktorý bol dosť lacný a má dlhú životnosť. Na vytvorenie potrebných otvorov v hliníkových a akrylových doskách bol použitý nástroj na vŕtanie a vrtanie. Držiak na dosky plošných spojov arduinov a motorových vodičov bol 3D vytlačený a pripevnený horúcim lepidlom. Tiež som použil veľa prepojovacích vodičov na vytvorenie všetkých spojení. Táto doska plošných spojov so skrutkovými svorkami bola navyše veľmi užitočná na distribúciu napájania 12 V.

Pozor: Zdá sa, že mnohé z dosiek TB6612FNG majú nainštalované nesprávne kondenzátory. Napriek tomu, že všetci predajcovia určujú dosku pre napätie motora do 15 V, kondenzátory sú často dimenzované iba na 10 V. Potom, čo som kondenzátory odpálil na svoje prvé dve dosky, som všetky odpájkoval a nahradil ich správnymi.

Krok 1: Výroba medených dosiek

Na medené platne som použil online službu rezania laserom (pozri tu), kde som mohol nahrať priložené súbory dxf. Pretože však tvary nie sú príliš komplikované, rezanie laserom nie je nevyhnutné a pravdepodobne existujú lacnejšie výrobné techniky (napr. Dierovanie, pílenie). Na displej je potrebných celkovo 14 segmentov, dva kruhy a jedna pomlčka. Hrúbka medených dosiek bola 1 mm, ale pravdepodobne by sa dala znížiť na 0,7 alebo 0,5 mm, čo by vyžadovalo menší vykurovací/chladiaci výkon. Použil som meď, pretože tepelná kapacita a tepelná vodivosť je lepšia ako hliník, ale ten by mal tiež fungovať primerane dobre.

Krok 2: Pripojenie fólie z tekutých kryštálov

Kľúčovou súčasťou tohto projektu je termochromická fólia z tekutých kryštálov, ktorú som získal od spoločnosti SFXC. Fólia je k dispozícii v rôznych teplotných rozsahoch a pri vysokých teplotách mení farbu z čiernej na nízku, cez červenú, oranžovú a zelenú na modrú. Vyskúšal som dve rôzne šírky pásma 25-30 ° C a 29-33 ° C a nakoniec som vybral druhú možnosť. Pretože zahrievanie s Peltierovým prvkom je jednoduchšie ako chladenie, teplotný rozsah by mal byť mierne nad izbovou teplotou.

Fólia z tekutých kryštálov má samolepiaci podklad, ktorý veľmi dobre drží na medených doskách. Nadbytočná fólia bola narezaná na tanieri pomocou noža stricto.

Krok 3: Pripojenie prvku TEC

Pelety boli pripevnené k stredu každej medenej platne pomocou tepelne vodivého epoxidu. Dosky sú o niečo väčšie ako pelety, aby zostali úplne skryté za sebou. Na dlhší tanier, ktorý tvorí pomlčku percentuálneho symbolu, som použil dve panvy.

Krok 4: Príprava hliníkovej platne

Aby som ušetril nejaké peniaze, sám som vyvŕtal všetky otvory do hliníkového plechu. Priložený pdf som len vytlačil na papier A3 a použil som ho ako šablónu na vŕtanie. V každom segmente je otvor, cez ktorý vedú káble TEC, a na okrajoch 6 otvorov na neskoršie pripevnenie akrylovej dosky.

Krok 5: Pripojenie segmentov

Jednou z najťažších častí tohto projektu bolo správne pripevnenie segmentov k zadnému panelu. 3D vytlačil som niekoľko prípravkov, ktoré by mi pomohli so zarovnaním segmentov, ale fungovalo to len čiastočne, pretože segmenty sa neustále kĺzali. Káble navyše tlačia na peltier, aby sa uvoľnil z platne. Nejako sa mi podarilo prilepiť všetky segmenty na správne miesto, ale jeden z panvíc v pomlčkovom segmente má veľmi zlé tepelné spojenie. Mohlo by byť lepšie použiť samolepiace tepelné podložky namiesto epoxidu, aj keď mám podozrenie, že sa to časom uvoľní.

Krok 6: Upevnenie chladičov a držiakov

Mojou pôvodnou myšlienkou bolo použiť hliníkový plech ako chladič pre pelech aj bez ventilátora. Myslel som si, že celková teplota platne sa zvýši iba mierne, pretože niektoré segmenty sú chladené, zatiaľ čo iné sú ohrievané. Ukázalo sa však, že bez ďalších chladičov a bez chladiaceho ventilátora bude teplota stále stúpať až do bodu, kedy sa medené platne už nedajú ochladiť. To je obzvlášť problematické, pretože na ovládanie vykurovacieho/chladiaceho výkonu nepoužívam žiadne termistory, ale vždy používam pevnú hodnotu. Preto som kúpil malé chladiče so samolepiacou podložkou, ktoré boli pripevnené k zadnej časti hliníkovej platne za každým peltierom.

Potom boli 3D tlačené držiaky na motorové ovládače a arduino pripevnené k zadnej strane dosky pomocou horúceho lepidla.

Krok 7: Odovzdanie kódu

Každé arduino môže ovládať iba až dva ovládače motora, pretože potrebujú dva PWM a 5 digitálnych IO pinov. Existujú aj ovládače motora, ktoré je možné ovládať pomocou I2C (pozri tu), ale nie sú kompatibilné s logikou 5 V arduinos. V mojom obvode je jedno „hlavné“arduino, ktoré komunikuje s 5 „otrokovými“arduinosmi cez I2C, ktoré zase ovládajú ovládače motora. Kód pre arduinos nájdete tu na mojom účte GitHub. V kóde pre „slave“arduinos je potrebné zmeniť adresu I2C pre každé arduino v záhlaví. Existuje tiež niekoľko premenných, ktoré umožňujú zmeniť výkon vykurovania/chladenia a zodpovedajúce časové konštanty.

Krok 8: Wiring Madness

Zapojenie tohto projektu bolo úplnou nočnou morou. Priložil som fritzingový diagram, ktorý ukazuje ako príklad pripojenia pre hlavné arduino a jedno podradené arduino. Okrem toho existuje pdf dokumentácia, ktorý TEC je pripojený k akému ovládaču motora a arduino. Ako môžete vidieť na obrázkoch, kvôli veľkému množstvu pripojení je vedenie veľmi špinavé. Konektory dupont som používal všade, kde to bolo možné. Napájanie 12 V bolo distribuované pomocou PCB so skrutkovými svorkami. Na vstup napájania som pripevnil jednosmerný kábel s volnými káblami. Na distribúciu 5 V, GND a I2C pripojení som vybavil niekoľko prototypov plošných spojov zástrčkovými konektormi.

Krok 9: Príprava akrylovej dosky

Ďalej som vyvŕtal niekoľko otvorov do akrylovej dosky, aby ju bolo možné pripevniť k hliníkovej doske pomocou dištančných podložiek plošných spojov. Okrem toho som pomocou nástroja dremel urobil niekoľko výrezov pre ventilátory a štrbinu pre kábel snímača DHT22. Potom boli ventilátory pripevnené k zadnej časti akrylovej dosky a káble boli vedené cez niektoré otvory, ktoré som vyvŕtal. Nabudúce pravdepodobne vyrobím dosku laserovým rezaním.

Krok 10: Hotový projekt

Nakoniec boli akrylová doska a hliníková doska navzájom pripevnené pomocou 40 mm dlhých dištančných dosiek plošných spojov. Potom je projekt dokončený.

Po pripojení k zdroju napájania budú segmenty striedavo zobrazovať teplotu a vlhkosť. Pokiaľ ide o teplotu, zmení farbu iba horný bod a pri zobrazení vlhkosti sa zvýrazní aj pomlčka a dolný bod.

V kóde sa každý aktívny segment zahrieva 25 sekúnd a súčasne chladí neaktívne segmenty. Potom sa pelety vypnú na 35 sekúnd, aby sa teplota mohla opäť stabilizovať. Teplota medených dosiek však v priebehu času stúpa a nejaký čas trvá, kým segmenty úplne zmenia farbu. Odber prúdu pre jednu číslicu (7 segmentov) bol nameraný asi na 2 A, takže celkový odber prúdu pre všetky segmenty sa pravdepodobne blíži maximálne 6 A, ktoré môže napájací zdroj poskytnúť.

Dalo by sa určite znížiť spotrebu energie pridaním termistorov ako spätnej väzby na úpravu výkonu vykurovania/chladenia. O krok ďalej by bolo použitie vyhradeného regulátora TEC so slučkou PID. To by pravdepodobne malo umožniť stálu prevádzku bez veľkej spotreby energie. Aktuálne uvažujem o vybudovaní takéhoto systému pomocou ovládačov Thorlabs MTD415T TEC.

Ďalšou nevýhodou súčasnej konfigurácie je, že je možné počuť výstup 1 kHz PWM z ovládačov motora. Tiež by bolo pekné, keby sa niekto mohol zbaviť fanúšikov, pretože sú tiež dosť hlasní.

Prvá cena v súťaži kovov