Термохромен дисплей за температура и влажност: 10 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Работя по този проект от доста време. Първоначалната идея ми хрумна, след като изградих демонстратор на контролер на TEC по време на работа на търговско изложение. За да покажем възможностите на TEC за отопление и охлаждане, използвахме термохромна боя, която се променя от черно в прозрачно.

В този проект аз продължих идеята и изградих двуцифрен 7-сегментен дисплей, използващ медни плочи, покрити с термохромни листове на базата на течни кристали. Зад всяка медна плоча седи TEC елемент, който контролира температурата и по този начин променя цвета на течнокристалния лист. Цифрите ще показват температурата и влажността от сензор DHT22.

Може да оцените иронията на наличието на устройство, което показва температурата на околната среда, като променя собствената си температура;-)

Консумативи

• 3 броя, течен кристален лист 150x150 mm (29-33 ° C) (вижте тук).
• 17 бр., Медни плочи, с дебелина 1 мм (размерите вижте по -долу)
• 401 x 220 x 2 мм алуминиева плоча (сиво/черно анодирана)
• 401 x 220 x 2 mm акрилна плоча (бяла)
• 18 бр., Елемент TES1-12704 пелтие
• 9 бр., Двигател с двоен двигател TB6612FNG
• 6 бр., Arduino Nano
• 2 броя, охлаждащ вентилатор 40x40x10 mm
• 18 броя, радиатор 25x25x10 mm
• 12 V, 6 A захранване
• DHT22 (AM2302) сензор за температура и влажност
• 6 броя, 40 мм дълги печатни платки

В допълнение, използвах този топлопроводим епоксид, който беше доста евтин и има дълъг живот. С помощта на бормашина и дремел са направени необходимите отвори в алуминиевите и акрилните плочи. Поставката за печатни платки на arduinos и драйвер на мотор бяха 3D отпечатани и прикрепени с горещо лепило. Също така използвах много и много dupont проводници, за да направя всички връзки. Освен това тази печатна платка с винтови клеми беше много полезна за разпределение на 12 V захранване.

Внимание: Очевидно много от платките TB6612FNG имат инсталирани грешни кондензатори. Въпреки че всички продавачи посочват платката за напрежение на двигателя до 15 V, кондензаторите често са оценени само за 10 V. След като взривих кондензаторите на първите си две платки, разпаях всички и ги замених с подходящи.

Стъпка 1: Изработка на медни плочи

За медните плочи използвах онлайн услуга за лазерно рязане (вижте тук), където мога да кача приложените dxf файлове. Въпреки това, тъй като формите не са много сложни, лазерното рязане не е задължително и вероятно има по -евтини производствени техники (например щанцоване, рязане). За дисплея са необходими общо 14 от сегментите, два кръга и едно тире. Дебелината на медните плочи беше 1 мм, но вероятно би могла да бъде намалена до 0,7 или 0,5 мм, което би изисквало по -малко мощност за нагряване/охлаждане. Използвах мед, тъй като топлинният капацитет и топлопроводимостта са по -добри от алуминия, но последният също трябва да работи сравнително добре.

Стъпка 2: Прикрепване на лист от течни кристали

Ключовият компонент на този проект е термохромното течнокристално фолио, което получих от SFXC. Фолиото се предлага в различни температурни диапазони и променя цвета си от черно при ниски температури до червено, оранжево и зелено до синьо при високи температури. Опитах две различни честотни ленти 25-30 ° C и 29-33 ° C и в крайна сметка избрах последното. Тъй като отоплението с пелтие е по -лесно от охлаждането, температурният диапазон трябва да е малко над стайната температура.

Течнокристалното фолио има самозалепваща се подложка, която прилепва много добре към медните плочи. Излишното фолио се нарязва около плочата с помощта на точен нож.

Стъпка 3: Прикрепване на TEC елемент

Пелтите бяха прикрепени към центъра на всяка медна плоча, използвайки топлопроводим епоксид. Плочите са малко по -големи от пелтиерите, така че да останат напълно скрити отзад. За по -дългата табела, която представлява тирето на символа за процент, използвах две пелтиета.

Стъпка 4: Подготовка на алуминиева плоча

За да спестя малко пари, сам пробих всички отвори в алуминиева плоча. Току -що отпечатах приложения файл на хартия А3 и го използвах като шаблон за пробиване. Има отвор за всеки сегмент, през който преминават кабелите TEC, и 6 дупки по краищата за по -късно закрепване на акрилната плоча.

Стъпка 5: Прикрепване на сегменти

Една от най -трудните части в този проект беше правилното закрепване на сегментите към задната плоча. Отпечатах 3D приспособления, които биха ми помогнали при подравняването на сегментите, но това работеше само частично, защото сегментите постоянно се изплъзваха. Освен това кабелите притискат пелтиера, така че да се разхлаби от плочата. По някакъв начин успях да залепя всички сегменти на правилното място, но един от пелтиерите в сегмента на таблото има много лошо термично свързване. Може би е по-добре да използвате самозалепващи се термо подложки вместо епоксидна смола, въпреки че подозирам, че с времето може да се разхлаби.

Стъпка 6: Прикрепване на радиатори и държачи

Първоначалната ми идея беше просто да използвам алуминиевата плоча като радиатор за пелтиетата дори без вентилатор. Мислех, че общата температура на плочата ще се повиши леко, тъй като някои сегменти се охлаждат, докато други се нагряват. Оказа се обаче, че без допълнителни радиатори и без охлаждащ вентилатор температурата ще продължи да се повишава до точка, в която медните плочи вече не могат да се охлаждат. Това е особено проблематично, тъй като не използвам никакви термистори за управление на мощността на отопление/охлаждане, но винаги използвам фиксирана стойност. Затова си купих малки радиатори със самозалепваща се подложка, които бяха прикрепени към задната страна на алуминиевата плоча зад всяка пелтие.

След това 3D отпечатани държачи за шофьори на двигатели и arduino също бяха прикрепени към задната страна на плочата с помощта на горещо лепило.

Стъпка 7: Качване на код

Всеки arduino може да контролира само до два драйвера на двигателя, тъй като се нуждаят от два PWM и 5 цифрови IO пина. Има и драйвери на двигатели, които могат да се управляват чрез I2C (вижте тук), но те не са съвместими с 5 V логика на arduinos. В моята схема има един "главен" arduino, който комуникира с 5 "подчинени" arduino чрез I2C, който от своя страна контролира драйверите на двигателя. Кодът за arduinos може да се намери тук в моя акаунт в GitHub. В кода за "slave" arduinos, I2C адресът трябва да бъде променен за всеки arduino в заглавката. Има и някои променливи, които позволяват промяна на мощността на отопление/охлаждане и съответните времеви константи.

Стъпка 8: Окабеляване на лудостта

Окабеляването на този проект беше пълен кошмар. Приложил съм диаграма за фризиране, която показва връзките за главния arduino и единичния подчинен arduino като пример. Освен това има pdf документ, който TEC е свързан към кой драйвер на двигателя и arduino. Както можете да видите на снимките поради голямото количество връзки, окабеляването става много объркано. Използвах съединители dupont, където беше възможно. 12 V захранването се разпределя чрез печатна платка с винтови клеми. На захранването включих DC кабел с летящи проводници. За разпределение на 5 V, GND и I2C връзки оборудвах някои прототипни платки с мъжки щифтове.

Стъпка 9: Подготовка на акрилна плоча

След това пробих няколко дупки в акрилната плоча, така че да може да бъде прикрепена към алуминиевата плоча чрез стойки за печатни платки. Освен това направих някои изрези за вентилаторите и прорез за кабела на сензора DHT22 с помощта на моя инструмент dremel. След това вентилаторите бяха прикрепени към задната страна на акрилната плоча и кабелите бяха въведени през някои отвори, които пробих. Следващия път вероятно ще направя плочата чрез лазерно рязане.

Стъпка 10: Завършен проект

И накрая, акрилната плоча и алуминиевата плоча бяха прикрепени една към друга с помощта на 40 мм дълги печатни платки. След това проектът е завършен.

Когато са свързани към захранването, сегментите ще показват температурата и влажността, последователно. За температурата само горната точка ще промени цвета си, а тирето и долната точка ще бъдат подчертани, когато се показва влажността.

В кода всеки активен сегмент се нагрява за 25 секунди, като едновременно охлажда неактивните сегменти. След това пелетистите се изключват за 35 секунди, за да може температурата да се стабилизира отново. Въпреки това температурата на медните плочи ще се повиши с течение на времето и отнема известно време, докато сегментите направят пълна промяна на цвета. Текущото теглене за една цифра (7 сегмента) беше измерено на около 2 A, така че общият ток за всички сегменти вероятно е близо до максимума от 6 A, който може да осигури захранването.

Със сигурност бихте могли да намалите консумацията на енергия, като добавите термистори като обратна връзка за регулиране на мощността на отопление/охлаждане. Още една крачка напред би била да се използва специален TEC контролер с PID контур. Това вероятно би трябвало да позволи постоянна работа без голяма консумация на енергия. В момента обмислям изграждането на такава система с помощта на драйверите на Thorlabs MTD415T TEC.

Друг недостатък при сегашната конфигурация е, че може да се чуе 1 kHz PWM изход на драйверите на двигателя. Също така би било хубаво, ако човек може да се отърве от феновете, защото те също са доста силни.

Първа награда в конкурса за метал