Termokromik Sıcaklık ve Nem Göstergesi: 10 Adım (Resimli)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Bir süredir bu proje üzerinde çalışıyorum. Orijinal fikir, bir ticaret fuarı için iş yerinde bir TEC kontrol cihazı göstericisi yaptıktan sonra aklıma geldi. GEM'lerin ısıtma ve soğutma yeteneklerini göstermek için siyahtan şeffafa değişen termokromik boya kullanıyorduk.

Bu projede fikri daha da ileri götürdüm ve sıvı kristallere dayalı termokromik levhalarla kaplanmış bakır plakalar kullanarak iki basamaklı 7 segmentli bir ekran oluşturdum. Her bakır levhanın arkasında, sıcaklığı kontrol eden ve böylece sıvı kristal levhanın rengini değiştiren bir TEC elemanı bulunur. Rakamlar, bir DHT22 sensöründen gelen sıcaklık ve nemi gösterecektir.

Kendi sıcaklığını değiştirerek ortam sıcaklığını gösteren bir cihaza sahip olmanın ironisini anlayabilirsiniz;-)

Gereçler

• 3 adet, 150x150 mm likit kristal levha (29-33°C) (buraya bakınız).
• 17 adet, bakır levha, 1 mm kalınlığında (boyutlar aşağıya bakınız)
• 401 x 220 x 2 mm alüminyum levha (gri/siyah eloksallı)
• 401 x 220 x 2 mm akrilik plaka (beyaz)
• 18 adet, TES1-12704 peltier eleman
• 9 adet, TB6612FNG çift motorlu sürücü
• 6 adet, Arduino Nano
• 2 adet, 40x40x10 mm soğutma fanı
• 18 adet, 25x25x10 mm ısı emici
• 12 V, 6 A güç kaynağı
• DHT22 (AM2302) sıcaklık ve nem sensörü
• 6 adet, 40 mm uzunluğunda PCB zıtlıkları

Ayrıca oldukça ucuz ve kap ömrü uzun olan bu termal iletken epoksiyi kullandım. Alüminyum ve akrilik plakalarda gerekli delikleri açmak için bir matkap ve dremel aleti kullanıldı. Arduino ve motor sürücü PCB'leri için tutucu 3D basılmış ve sıcak tutkalla yapıştırılmıştır. Ayrıca, tüm bağlantıları yapmak için çok sayıda dupont kablo kullandım. Ayrıca, vidalı terminalli bu PCB, 12 V güç kaynağını dağıtmak için çok kullanışlı oldu.

Dikkat: Görünüşe göre, TB6612FNG kartlarının çoğunda yanlış kapasitörler takılı. Tüm satıcılar 15 V'a kadar motor voltajları için kart belirtse de, kapasitörler genellikle sadece 10 V olarak derecelendirilir. İlk iki kartımdaki kapasitörleri patlattıktan sonra hepsini söktüm ve uygun olanlarla değiştirdim.

Adım 1: Bakır Plakaların Yapılması

Bakır plakalar için ekli dxf dosyalarını yükleyebileceğim çevrimiçi bir lazer kesim hizmeti (buraya bakın) kullandım. Bununla birlikte, şekiller çok karmaşık olmadığı için lazerle kesme şart değildir ve muhtemelen daha ucuz üretim teknikleri (örneğin delme, testere ile kesme) vardır. Toplamda 14 segment, iki daire ve bir tire ekran için gereklidir. Bakır plakaların kalınlığı 1 mm idi ancak muhtemelen daha az ısıtma/soğutma gücüne ihtiyaç duyacak şekilde 0,7 veya 0,5 mm'ye düşürülebilirdi. Bakır kullandım çünkü ısı kapasitesi ve ısıl iletkenliği alüminyumdan üstündür, ancak ikincisi de oldukça iyi çalışmalıdır.

Adım 2: Likit Kristal Levhanın Takılması

Bu projenin en önemli bileşeni, SFXC'den aldığım termokromik sıvı kristal folyodur. Folyo, farklı sıcaklık aralıklarında mevcuttur ve düşük sıcaklıklarda siyahtan yüksek sıcaklıklarda kırmızı, turuncu ve yeşilden maviye renk değiştirir. 25-30°C ve 29-33°C olmak üzere iki farklı bant genişliği denedim ve ikincisini seçtim. Peltier elemanla ısıtma, soğutmadan daha kolay olduğu için, sıcaklık aralığı oda sıcaklığının biraz üzerinde olmalıdır.

Sıvı kristal folyo, bakır plakalara çok iyi yapışan kendinden yapışkanlı bir desteğe sahiptir. Fazla folyo, bir exacto bıçağı kullanılarak plakanın etrafından kesildi.

Adım 3: TEC Elemanını Takma

Peltierler, termal olarak iletken epoksi kullanılarak her bir bakır levhanın merkezine tutturulmuştur. Plakalar, peltierlerden biraz daha büyüktür, böylece tamamen geride kalırlar. Yüzde sembolündeki tireyi oluşturan uzun levha için iki peltier kullandım.

Adım 4: Alüminyum Levhanın Hazırlanması

Biraz para biriktirmek için alüminyum levhadaki tüm delikleri kendim açtım. Ekteki pdf'yi A3 kağıda yazdırdım ve delme şablonu olarak kullandım. TEC kablolarının geçtiği her segment için bir delik ve akrilik plakayı daha sonra takmak için kenarlarda 6 delik vardır.

Adım 5: Segmentleri Ekleme

Bu projedeki en zor kısımlardan biri, segmentleri arka plakaya doğru şekilde tutturmaktı. Segmentlerin hizalanmasında bana yardımcı olacak birkaç aparatı 3D yazdırdım, ancak bu sadece kısmen çalıştı çünkü segmentler sürekli olarak uzaklaşıyordu. Ayrıca kablolar peltierin üzerine baskı yaparak plakadan gevşemesini sağlar. Bir şekilde tüm bölümleri doğru yere yapıştırmayı başardım ama ön paneldeki peltierlerden birinin termal bağlantısı çok kötü. Epoksi yerine kendinden yapışkanlı termal pedler kullanmak daha iyi olabilir, ancak zamanla gevşeyebileceğinden şüpheleniyorum.

Adım 6: Soğutucuları ve Tutucuları Takma

Benim asıl fikrim, alüminyum plakayı fansız bile peltierler için soğutucu olarak kullanmaktı. Bazı bölümler soğutulurken diğerleri ısıtıldığı için plakanın toplam sıcaklığının sadece biraz artacağını düşündüm. Bununla birlikte, ek soğutucular ve soğutma fanı olmadan sıcaklığın, bakır plakaların daha fazla soğutulamayacağı bir noktaya yükselmeye devam edeceği ortaya çıktı. Isıtma/soğutma gücünü kontrol etmek için herhangi bir termistör kullanmadığım ve her zaman sabit bir değer kullandığım için bu özellikle sorunlu. Bu nedenle, her peltierin arkasındaki alüminyum plakanın arkasına yapıştırılan kendinden yapışkanlı pedli küçük soğutucular aldım.

Bundan sonra, motor sürücüleri ve arduinolar için 3D baskılı tutucular da hotglue kullanılarak plakanın arkasına yapıştırıldı.

7. Adım: Kodu Yükleme

Her bir arduino, iki PWM ve 5 dijital IO pinine ihtiyaç duyduğu için yalnızca iki motor sürücüsünü kontrol edebilir. Ayrıca I2C üzerinden kontrol edilebilen motor sürücüleri de var (buraya bakın) ancak arduinoların 5 V mantığı ile uyumlu değiller. Devremde, 5 "bağımlı" arduino ile I2C üzerinden iletişim kuran ve sırayla motor sürücülerini kontrol eden bir "ana" arduino var. Arduino'ların kodu burada GitHub hesabımda bulunabilir. "Slave" arduinos kodunda, başlıktaki her arduino için I2C adresi değiştirilmelidir. Isıtma/soğutma gücünün ve buna karşılık gelen zaman sabitlerinin değiştirilmesine izin veren bazı değişkenler de vardır.

Adım 8: Kablolama Çılgınlığı

Bu projenin kablolaması tam bir kabustu. Örnek olarak ana arduino ve tek bir bağımlı arduino için bağlantıları gösteren bir fritzing şeması ekledim. Ayrıca hangi TEC'nin hangi motor sürücüsüne ve arduinoya bağlı olduğunu belgeleyen bir pdf var. Resimlerde de görebileceğiniz gibi, çok sayıda bağlantı nedeniyle kablolama çok dağınık hale geliyor. Mümkün olan her yerde dupont konektörleri kullandım. 12 V güç kaynağı, vidalı terminalli bir PCB kullanılarak dağıtıldı. Güç girişine uçan kabloları olan bir DC kablosu bağladım. 5 V, GND ve I2C bağlantılarını dağıtmak için bazı prototip PCB'leri erkek pin başlıklarıyla donattım.

Adım 9: Akrilik Plakanın Hazırlanması

Daha sonra, akrilik plakaya, PCB ayırıcıları aracılığıyla alüminyum plakaya takılabilmesi için bazı delikler açtım. Ayrıca, dremel aletimi kullanarak fanlar için bazı kesikler ve DHT22 sensör kablosu için bir yarık yaptım. Daha sonra akrilik levhanın arkasına fanlar takıldı ve kablolar benim açtığım deliklerden beslendi. Bir dahaki sefere muhtemelen plakayı lazer kesim ile yapacağım.

Adım 10: Biten Proje

Son olarak, akrilik plaka ve alüminyum plaka, 40 mm uzunluğunda PCB ayırıcıları kullanılarak birbirine bağlanmıştır. Bundan sonra proje tamamlanır.

Güç kaynağına bağlandığında, segmentler dönüşümlü olarak sıcaklık ve nemi gösterecektir. Sıcaklık için, sadece üst nokta renk değiştirirken, nemi gösterirken kısa çizgi ve alt nokta vurgulanır.

Kodda, her aktif segment 25 saniye boyunca ısıtılırken, aynı anda aktif olmayan segmentler soğutulur. Bundan sonra, sıcaklığın tekrar sabitlenebilmesi için peltierler 35 saniyeliğine kapatılır. Bununla birlikte, bakır plakaların sıcaklığı zamanla yükselecek ve segmentlerin tam bir renk değişimi yapması biraz zaman alacaktır. Tek bir hane (7 bölüm) için akım çekimi yaklaşık 2 A olarak ölçülmüştür, bu nedenle tüm bölümler için toplam akım çekimi muhtemelen güç kaynağının sağlayabileceği maksimum 6 A'ya yakındır.

Isıtma/soğutma gücünü ayarlamak için geri besleme olarak termistörler eklenerek güç tüketimi kesinlikle azaltılabilir. Bir adım daha ileri gitmek, PID döngülü özel bir TEC kontrolörü kullanmak olacaktır. Bu muhtemelen fazla güç tüketimi olmadan sürekli çalışmaya izin vermelidir. Şu anda Thorlabs MTD415T TEC sürücülerini kullanarak böyle bir sistem kurmayı düşünüyorum.

Mevcut konfigürasyonun bir diğer dezavantajı, motor sürücülerinin 1 kHz PWM çıkışının duyulabilmesidir. Ayrıca fanlardan kurtulmak güzel olurdu çünkü onlar da oldukça gürültülü.

Metal Yarışmasında Birincilik Ödülü