Θερμοχρωμική οθόνη θερμοκρασίας & υγρασίας: 10 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Εργάζομαι σε αυτό το έργο για αρκετό καιρό. Η αρχική ιδέα μου ήρθε μετά την κατασκευή ενός διαδηλωτή ελεγκτή TEC στη δουλειά για μια εμπορική έκθεση. Για να δείξουμε τα TECs τις δυνατότητες θέρμανσης και ψύξης χρησιμοποιήσαμε θερμοχρωμική βαφή που αλλάζει από μαύρο σε διαφανές.

Σε αυτό το έργο προχώρησα την ιδέα και έφτιαξα μια διψήφια οθόνη 7 τμημάτων χρησιμοποιώντας πλάκες χαλκού που καλύπτονται με θερμοχρωμικά φύλλα βασισμένα σε υγρούς κρυστάλλους. Πίσω από κάθε πλάκα χαλκού βρίσκεται ένα στοιχείο TEC που ελέγχει τη θερμοκρασία και έτσι αλλάζει το χρώμα του φύλλου υγρών κρυστάλλων. Οι αριθμοί θα δείξουν τη θερμοκρασία και την υγρασία από έναν αισθητήρα DHT22.

Μπορεί να εκτιμήσετε την ειρωνεία να έχετε μια συσκευή που εμφανίζει τη θερμοκρασία περιβάλλοντος αλλάζοντας τη δική της θερμοκρασία;-)

Προμήθειες

• 3 τεμ, φύλλο υγρού κρυστάλλου 150x150 mm (29-33 ° C) (δείτε εδώ).
• 17 τεμ, πλάκες χαλκού, πάχους 1mm (διαστάσεις δείτε παρακάτω)
• Πλάκα αλουμινίου 401 x 220 x 2 mm (γκρι/μαύρο ανοδιωμένο)
• Ακρυλική πλάκα 401 x 220 x 2 mm (λευκό)
• 18 τεμ, TES1-12704 peltier στοιχείο
• 9 τεμ, οδηγός διπλού κινητήρα TB6612FNG
• 6 τεμ, Arduino Nano
• 2 τεμ, ανεμιστήρας ψύξης 40x40x10 mm
• 18 τεμ, ψύκτρα 25x25x10 mm
• Τροφοδοσία 12 V, 6 A
• Αισθητήρας θερμοκρασίας και υγρασίας DHT22 (AM2302)
• 6 τεμ, PCB μήκους 40 mm

Επιπλέον, χρησιμοποίησα αυτό το θερμικά αγώγιμο εποξικό που ήταν μάλλον φθηνό και έχει μεγάλη διάρκεια ζωής στο δοχείο. Ένα εργαλείο τρυπανιού και ντέμελ χρησιμοποιήθηκε για να κάνει τις απαραίτητες οπές στις πλάκες αλουμινίου και ακρυλικού. Οι θήκες για τα arduinos και τα PCB οδηγού κινητήρα εκτυπώθηκαν 3D και προσαρτήθηκαν με θερμή κόλλα. Επίσης, χρησιμοποίησα πολλά καλώδια dupont για να κάνω όλες τις συνδέσεις. Επιπλέον, αυτό το PCB με βιδωτούς ακροδέκτες ήταν πολύ βολικό για τη διανομή του τροφοδοτικού 12 V.

Προσοχή: Προφανώς, πολλές από τις πλακέτες TB6612FNG έχουν εγκαταστήσει λάθος πυκνωτές. Παρόλο που όλοι οι πωλητές καθορίζουν την πλακέτα για τάσεις κινητήρα έως 15 V, οι πυκνωτές συχνά βαθμολογούνται μόνο για 10 V. Αφού φύσηξα τους πυκνωτές στους δύο πρώτους πίνακες μου, τους ξεκόλλησα και τους αντικατέστησα με τους κατάλληλους.

Βήμα 1: Κατασκευή των χάλκινων πλακών

Για τις χάλκινες πλάκες χρησιμοποίησα μια διαδικτυακή υπηρεσία κοπής λέιζερ (δείτε εδώ) όπου θα μπορούσα να ανεβάσω τα συνημμένα αρχεία dxf. Ωστόσο, δεδομένου ότι τα σχήματα δεν είναι πολύ περίπλοκα, η κοπή με λέιζερ δεν είναι απαραίτητη και πιθανότατα υπάρχουν φθηνότερες τεχνικές κατασκευής (π.χ. διάτρηση, πριόνισμα). Συνολικά, 14 από τα τμήματα, δύο κύκλοι και μία παύλα χρειάζονται για την οθόνη. Το πάχος των χαλκοπλάκων ήταν 1 mm αλλά πιθανότατα θα μπορούσε να μειωθεί σε 0,7 ή 0,5 mm που θα χρειάζονταν λιγότερη ισχύ θέρμανσης/ψύξης. Χρησιμοποίησα χαλκό επειδή η θερμική ικανότητα και η θερμική αγωγιμότητα είναι ανώτερη από το αλουμίνιο, αλλά το τελευταίο θα πρέπει επίσης να λειτουργεί αρκετά καλά.

Βήμα 2: Προσάρτηση φύλλου υγρού κρυστάλλου

Το βασικό συστατικό αυτού του έργου είναι το θερμοχρωμικό φύλλο υγρού κρυστάλλου που έλαβα από το SFXC. Το αλουμινόχαρτο διατίθεται σε διαφορετικά εύρη θερμοκρασιών και αλλάζει χρώμα από μαύρο σε χαμηλές θερμοκρασίες σε σχέση με κόκκινο, πορτοκαλί και πράσινο σε μπλε σε υψηλές θερμοκρασίες. Δοκίμασα δύο διαφορετικά εύρη ζώνης 25-30 ° C και 29-33 ° C και κατέληξα να επιλέξω το τελευταίο. Επειδή η θέρμανση με ένα στοιχείο peltier είναι ευκολότερη από την ψύξη, το εύρος θερμοκρασίας θα πρέπει να είναι ελαφρώς πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου.

Το φύλλο υγρού κρυστάλλου έχει αυτοκόλλητη βάση που κολλάει πολύ καλά στις πλάκες χαλκού. Η περίσσεια φύλλου κόπηκε γύρω από την πλάκα χρησιμοποιώντας ένα μαχαίρι ακριβείας.

Βήμα 3: Επισύναψη στοιχείου TEC

Οι κάλτσες συνδέθηκαν στο κέντρο κάθε πλάκας χαλκού χρησιμοποιώντας θερμικά αγώγιμο εποξικό. Τα πιάτα είναι λίγο μεγαλύτερα από τα peltiers έτσι ώστε να μένουν εντελώς κρυμμένα πίσω. Για τη μακρύτερη πλάκα που αποτελεί την παύλα του συμβόλου του ποσοστού, χρησιμοποίησα δύο πελτέ.

Βήμα 4: Προετοιμασία πλάκας αλουμινίου

Για να εξοικονομήσω χρήματα, άνοιξα μόνος μου όλες τις τρύπες στην πλάκα αλουμινίου. Μόλις εκτύπωσα το συνημμένο pdf σε χαρτί Α3 και το χρησιμοποίησα ως πρότυπο γεώτρησης. Υπάρχει μια τρύπα για κάθε τμήμα όπου περνούν τα καλώδια TEC και 6 οπές στις άκρες για να στερεωθεί η ακρυλική πλάκα αργότερα.

Βήμα 5: Επισύναψη τμημάτων

Ένα από τα πιο δύσκολα μέρη σε αυτό το έργο ήταν η σωστή σύνδεση των τμημάτων στην πλάτη. Έκανα τρισδιάστατη εκτύπωση πολλών jigs που θα με βοηθούσαν στην ευθυγράμμιση των τμημάτων, αλλά αυτό λειτούργησε μόνο εν μέρει επειδή τα τμήματα γλιστρούσαν συνεχώς. Επιπλέον, τα καλώδια πιέζουν το peltier έτσι ώστε να χαλαρώνει από την πλάκα. Κατάφερα με κάποιο τρόπο να κολλήσω όλα τα τμήματα στη σωστή θέση, αλλά ένα από τα κελύφη στο τμήμα παύλας έχει πολύ κακή θερμική σύζευξη. Mightσως είναι καλύτερα να χρησιμοποιείτε αυτοκόλλητα θερμικά μαξιλάρια αντί για εποξικά, αν και υποψιάζομαι ότι μπορεί να χαλαρώσει με την πάροδο του χρόνου.

Βήμα 6: Επισύναψη ψύκτρων και κατόχων

Η αρχική μου ιδέα ήταν να χρησιμοποιήσω την πλάκα αλουμινίου ως ψύκτρα για τα peltiers ακόμη και χωρίς ανεμιστήρα. Πίστευα ότι η συνολική θερμοκρασία της πλάκας θα αυξηθεί μόνο ελαφρώς αφού ορισμένα τμήματα ψύχονται ενώ άλλα θερμαίνονται. Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι χωρίς πρόσθετες ψύκτρες και χωρίς ανεμιστήρα ψύξης η θερμοκρασία θα συνεχίσει να ανεβαίνει σε ένα σημείο όπου οι πλάκες χαλκού δεν μπορούν να κρυώσουν άλλο. Αυτό είναι ιδιαίτερα προβληματικό αφού δεν χρησιμοποιώ θερμίστορ για τον έλεγχο της ισχύος θέρμανσης/ψύξης αλλά πάντα χρησιμοποιώ σταθερή τιμή. Ως εκ τούτου, αγόρασα μικρές ψύκτρες με αυτοκόλλητο μαξιλάρι που ήταν προσαρτημένες στο πίσω μέρος της πλάκας αλουμινίου πίσω από κάθε peltier.

Μετά από αυτό, οι υποδοχές τρισδιάστατης εκτύπωσης για τους οδηγούς και τα arduinos ήταν επίσης προσαρτημένες στο πίσω μέρος της πλάκας χρησιμοποιώντας hotglue.

Βήμα 7: Μεταφόρτωση κώδικα

Κάθε arduino μπορεί να ελέγξει μόνο έως δύο οδηγούς κινητήρα, αφού χρειάζονται δύο PWM και 5 ψηφιακές ακίδες IO. Υπάρχουν επίσης οδηγοί κινητήρων που μπορούν να ελεγχθούν μέσω I2C (δείτε εδώ) αλλά δεν είναι συμβατοί με τη λογική 5 V του arduinos. Στο κύκλωμά μου υπάρχει ένα "master" arduino που επικοινωνεί με 5 "slave" arduino μέσω I2C που με τη σειρά τους ελέγχουν τους οδηγούς κινητήρα. Ο κωδικός για το arduinos βρίσκεται εδώ στον λογαριασμό μου στο GitHub. Στον κωδικό για το "slave" arduinos, η διεύθυνση I2C πρέπει να αλλάξει για κάθε arduino στην κεφαλίδα. Υπάρχουν επίσης ορισμένες μεταβλητές που επιτρέπουν την αλλαγή της ισχύος θέρμανσης/ψύξης και των αντίστοιχων σταθερών χρόνου.

Βήμα 8: Τρέλα καλωδίωσης

Η καλωδίωση αυτού του έργου ήταν ένας απόλυτος εφιάλτης. Έχω επισυνάψει ένα διάγραμμα που δείχνει τις συνδέσεις για το κύριο arduino και ένα μόνο sladu arduino ως παράδειγμα. Επιπλέον, υπάρχει ένα pdf που τεκμηριώνει ποιο TEC είναι συνδεδεμένο σε ποιο πρόγραμμα οδήγησης κινητήρα και arduino. Όπως μπορείτε να δείτε στις εικόνες λόγω των μεγάλων ποσοτήτων συνδέσεων, η καλωδίωση γίνεται πολύ ακατάστατη. Χρησιμοποίησα συνδετήρες dupont όπου ήταν δυνατόν. Το τροφοδοτικό 12 V διανεμήθηκε χρησιμοποιώντας ένα PCB με βιδωτούς ακροδέκτες. Στην είσοδο τροφοδοσίας στερέωσα ένα καλώδιο DC με καλώδια πτήσης. Για τη διανομή των συνδέσεων 5 V, GND και I2C εξόπλισα μερικά πρωτότυπα PCB με αρσενικές κεφαλίδες καρφιτσών.

Βήμα 9: Προετοιμασία ακρυλικής πλάκας

Στη συνέχεια, άνοιξα μερικές τρύπες στην ακρυλική πλάκα, έτσι ώστε να μπορεί να στερεωθεί στην πλάκα αλουμινίου μέσω στασιμιών PCB. Επιπλέον, έκανα κάποιες διακοπές για τους ανεμιστήρες και μια σχισμή για το καλώδιο αισθητήρα DHT22 χρησιμοποιώντας το εργαλείο dremel μου. Μετά από αυτό, οι ανεμιστήρες ήταν προσαρτημένοι στο πίσω μέρος της ακρυλικής πλάκας και τα καλώδια τροφοδοτήθηκαν από μερικές τρύπες που άνοιξα. Την επόμενη φορά μάλλον θα φτιάξω την πλάκα με κοπή με λέιζερ.

Βήμα 10: Ολοκληρωμένο έργο

Τέλος, η ακρυλική πλάκα και η πλάκα αλουμινίου συνδέθηκαν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας προεξοχές μήκους 40 mm PCB. Μετά από αυτό το έργο τελειώνει.

Όταν συνδέονται με το τροφοδοτικό, τα τμήματα θα εμφανίζουν τη θερμοκρασία και την υγρασία, εναλλάξ. Για τη θερμοκρασία, μόνο η πάνω κουκκίδα θα αλλάξει χρώμα ενώ επίσης η παύλα και η κάτω κουκκίδα επισημαίνονται όταν εμφανίζεται η υγρασία.

Στον κώδικα κάθε ενεργό τμήμα θερμαίνεται για 25 δευτερόλεπτα ενώ ταυτόχρονα ψύχεται τα μη ενεργά τμήματα. Μετά από αυτό, τα peltiers απενεργοποιούνται για 35 δευτερόλεπτα, έτσι ώστε η θερμοκρασία να σταθεροποιηθεί ξανά. Παρ 'όλα αυτά, η θερμοκρασία των χάλκινων πλακών θα αυξηθεί με την πάροδο του χρόνου και θα χρειαστεί λίγος χρόνος μέχρι τα τμήματα να αλλάξουν πλήρως το χρώμα τους. Η τρέχουσα κλήρωση για ένα μονοψήφιο (7 τμήματα) μετρήθηκε ότι ήταν περίπου 2 Α, οπότε η συνολική τροφοδοσία ρεύματος για όλα τα τμήματα είναι πιθανώς κοντά στο μέγιστο των 6 Α που μπορεί να παρέχει η τροφοδοσία.

Κάποιος θα μπορούσε σίγουρα να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας προσθέτοντας θερμίστορ ως ανατροφοδότηση για να ρυθμίσει την ισχύ θέρμανσης/ψύξης. Προχωρώντας ένα βήμα παραπέρα θα ήταν η χρήση ενός ειδικού ελεγκτή TEC με βρόχο PID. Αυτό θα πρέπει πιθανώς να επιτρέπει τη συνεχή λειτουργία χωρίς μεγάλη κατανάλωση ενέργειας. Αυτή τη στιγμή σκέφτομαι να δημιουργήσω ένα τέτοιο σύστημα χρησιμοποιώντας προγράμματα οδήγησης Thorlabs MTD415T TEC.

Ένα άλλο μειονέκτημα με την τρέχουσα διαμόρφωση είναι ότι μπορεί κανείς να ακούσει την έξοδο PWM 1 kHz των οδηγών κινητήρα. Θα ήταν επίσης ωραίο αν κάποιος μπορούσε να απαλλαγεί από τους θαυμαστές γιατί είναι επίσης αρκετά δυνατοί.

Πρώτο Βραβείο στο Διαγωνισμό μετάλλων