Tampilan Suhu & Kelembaban Termokromik: 10 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Saya telah mengerjakan proyek ini cukup lama. Ide asli datang kepada saya setelah membangun demonstran pengontrol TEC di tempat kerja untuk pameran dagang. Untuk menunjukkan kemampuan pemanasan dan pendinginan TEC, kami menggunakan cat termokromik yang berubah dari hitam menjadi transparan.

Dalam proyek ini saya telah mengambil ide lebih jauh dan membangun tampilan 7-segmen dua digit menggunakan pelat tembaga yang ditutupi dengan lembaran termokromik berdasarkan kristal cair. Di belakang setiap pelat tembaga terdapat elemen TEC yang mengontrol suhu dan dengan demikian mengubah warna lembaran kristal cair. Angka-angka akan menunjukkan suhu dan kelembaban dari sensor DHT22.

Anda mungkin menghargai ironi memiliki perangkat yang menampilkan suhu sekitar dengan mengubah suhunya sendiri;-)

Perlengkapan

• 3 pcs, lembaran kristal cair 150x150 mm (29-33°C) (lihat di sini).
• 17 pcs, pelat tembaga, tebal 1mm (dimensi lihat di bawah)
• Plat aluminium 401 x 220 x 2 mm (abu-abu/hitam anodized)
• Plat akrilik 401 x 220 x 2 mm (putih)
• 18 pcs, elemen peltier TES1-12704
• 9 pcs, driver motor ganda TB6612FNG
• 6 buah, Arduino Nano
• 2 buah, kipas pendingin 40x40x10 mm
• 18 pcs, unit pendingin 25x25x10 mm
• Catu daya 12 V, 6 A
• Sensor suhu dan kelembaban DHT22 (AM2302)
• 6 pcs, kebuntuan PCB panjang 40 mm

Selain itu, saya menggunakan epoksi konduktif termal ini yang agak murah dan memiliki masa pakai yang lama. Alat bor dan dremel digunakan untuk membuat lubang yang diperlukan pada pelat aluminium dan akrilik. Holder untuk PCB arduino dan driver motor dicetak 3D dan direkatkan dengan lem panas. Juga, saya menggunakan banyak dan banyak kabel dupont untuk membuat semua koneksi. Selanjutnya, PCB dengan terminal sekrup ini sangat berguna untuk mendistribusikan catu daya 12 V.

Perhatian: Rupanya, banyak papan TB6612FNG memasang kapasitor yang salah. Meskipun semua penjual menentukan papan untuk tegangan motor hingga 15 V, kapasitor seringkali hanya diberi nilai 10 V. Setelah saya meledakkan kapasitor pada dua papan pertama saya, saya mematri semuanya dan menggantinya dengan yang tepat.

Langkah 1: Membuat Pelat Tembaga

Untuk pelat tembaga saya menggunakan layanan pemotongan laser online (lihat di sini) di mana saya dapat mengunggah file dxf terlampir. Namun, karena bentuknya tidak terlalu rumit, pemotongan laser bukanlah suatu keharusan dan mungkin ada teknik manufaktur yang lebih murah (misalnya meninju, menggergaji). Secara total, 14 segmen, dua lingkaran, dan satu tanda hubung diperlukan untuk tampilan. Ketebalan pelat tembaga adalah 1 mm tetapi mungkin dapat dikurangi menjadi 0,7 atau 0,5 mm yang membutuhkan daya pemanasan/pendinginan yang lebih sedikit. Saya menggunakan tembaga karena kapasitas panas dan konduktivitas termal lebih unggul daripada aluminium tetapi yang terakhir juga harus bekerja dengan cukup baik.

Langkah 2: Melampirkan Lembaran Kristal Cair

Komponen kunci dari proyek ini adalah foil kristal cair termokromik yang saya peroleh dari SFXC. Foil tersedia dalam rentang suhu yang berbeda dan berubah warna dari hitam pada suhu rendah di atas merah, oranye dan hijau menjadi biru pada suhu tinggi. Saya mencoba dua bandwidth yang berbeda 25-30 ° C dan 29-33 ° C dan akhirnya memilih yang terakhir. Karena pemanasan dengan elemen peltier lebih mudah daripada pendinginan, kisaran suhu harus sedikit di atas suhu kamar.

Foil kristal cair memiliki lapisan perekat diri yang menempel sangat baik pada pelat tembaga. Foil berlebih dipotong di sekitar piring menggunakan pisau eksak.

Langkah 3: Melampirkan Elemen TEC

Peltier dilekatkan pada bagian tengah setiap pelat tembaga menggunakan epoksi konduktif termal. Pelatnya sedikit lebih besar dari peltier sehingga tetap tersembunyi di belakang. Untuk pelat yang lebih panjang yang merupakan tanda hubung dari simbol persen, saya menggunakan dua peltier.

Langkah 4: Mempersiapkan Plat Aluminium

Untuk menghemat uang, saya mengebor semua lubang di pelat aluminium sendiri. Saya baru saja mencetak pdf terlampir pada kertas A3 dan menggunakannya sebagai template pengeboran. Terdapat lubang untuk setiap segmen tempat kabel TEC dilintasi dan 6 lubang di tepinya untuk memasang plat akrilik nantinya.

Langkah 5: Melampirkan Segmen

Salah satu bagian tersulit dalam proyek ini adalah memasang segmen dengan benar ke pelat belakang. Saya 3D mencetak beberapa jig yang akan membantu saya dengan penyelarasan segmen tetapi ini hanya bekerja sebagian karena segmen terus-menerus meluncur. Selain itu, kabel mendorong peltier sehingga terlepas dari pelat. Saya entah bagaimana berhasil merekatkan semua segmen di tempat yang tepat tetapi salah satu peltier di segmen dasbor memiliki kopling termal yang sangat buruk. Mungkin lebih baik menggunakan bantalan termal berperekat daripada epoksi meskipun saya menduga itu akan kendur seiring waktu.

Langkah 6: Memasang Heatsink dan Holder

Ide awal saya adalah menggunakan pelat aluminium sebagai heatsink untuk peltier bahkan tanpa kipas. Saya pikir suhu total pelat hanya akan naik sedikit karena beberapa bagian didinginkan sementara yang lain dipanaskan. Namun, ternyata tanpa heatsink tambahan dan tanpa kipas pendingin, suhu akan terus naik ke titik di mana pelat tembaga tidak dapat didinginkan lagi. Ini sangat bermasalah karena saya tidak menggunakan termistor untuk mengontrol daya pemanasan/pendinginan tetapi selalu menggunakan nilai tetap. Oleh karena itu, saya membeli heatsink kecil dengan bantalan berperekat yang dipasang di bagian belakang pelat aluminium di belakang setiap peltier.

Setelah itu, dudukan cetakan 3D untuk driver motor dan arduino juga direkatkan ke bagian belakang pelat menggunakan lem panas.

Langkah 7: Mengunggah Kode

Setiap arduino hanya dapat mengontrol maksimal dua driver motor karena membutuhkan dua pin PWM dan 5 pin IO digital. Ada juga driver motor yang dapat dikontrol melalui I2C (lihat di sini) tetapi tidak kompatibel dengan logika 5 V arduino. Di sirkuit saya ada satu arduino "master" yang berkomunikasi dengan 5 arduino "budak" melalui I2C yang pada gilirannya mengontrol driver motor. Kode untuk arduino dapat ditemukan di sini di akun GitHub saya. Dalam kode untuk arduino "budak" alamat I2C harus diubah untuk setiap arduino di header. Ada juga beberapa variabel yang memungkinkan perubahan daya pemanasan/pendinginan dan konstanta waktu yang sesuai.

Langkah 8: Kegilaan Kabel

Pengkabelan proyek ini benar-benar mimpi buruk. Saya telah melampirkan diagram fritzing yang menunjukkan koneksi untuk master arduino dan arduino slave tunggal sebagai contoh. Selain itu, ada dokumen pdf yang TEC terhubung ke driver motor dan arduino mana. Seperti yang Anda lihat pada gambar karena banyaknya koneksi, kabel menjadi sangat berantakan. Saya menggunakan konektor dupont jika memungkinkan. Catu daya 12 V didistribusikan menggunakan PCB dengan terminal sekrup. Pada input daya saya memasang kabel DC dengan kabel terbang. Untuk mendistribusikan koneksi 5 V, GND dan I2C saya melengkapi beberapa PCB prototipe dengan header pin male.

Langkah 9: Mempersiapkan Plat Akrilik

Selanjutnya, saya mengebor beberapa lubang di pelat akrilik sehingga dapat dipasang ke pelat aluminium melalui standoff PCB. Selain itu, dibuat beberapa guntingan untuk kipas dan celah untuk kabel sensor DHT22 menggunakan alat dremel saya. Setelah itu kipas dipasang di bagian belakang pelat akrilik dan kabel dimasukkan melalui beberapa lubang yang saya bor. Lain kali saya mungkin akan membuat pelat dengan pemotongan laser.

Langkah 10: Proyek Selesai

Terakhir, plat akrilik dan plat aluminium direkatkan satu sama lain menggunakan standoff PCB sepanjang 40 mm. Setelah itu proyek selesai.

Saat terhubung ke catu daya, segmen akan menunjukkan suhu dan kelembaban secara bergantian. Untuk suhu, hanya titik atas yang akan berubah warna sementara tanda hubung dan titik bawah juga disorot saat menunjukkan kelembapan.

Dalam kode setiap segmen aktif dipanaskan selama 25 detik sekaligus mendinginkan segmen non-aktif. Setelah itu peltier dimatikan selama 35 detik agar suhu kembali stabil. Namun demikian, suhu pelat tembaga akan naik dari waktu ke waktu dan butuh beberapa waktu sampai segmen melakukan perubahan warna penuh. Penarikan arus untuk satu digit (7 segmen) diukur sekitar 2 A sehingga penarikan arus total untuk semua segmen mungkin mendekati maksimum 6 A yang dapat disediakan oleh catu daya.

Seseorang tentu saja dapat mengurangi konsumsi daya dengan menambahkan termistor sebagai umpan balik untuk menyesuaikan daya pemanasan/pendinginan. Selangkah lebih maju adalah menggunakan pengontrol TEC khusus dengan loop PID. Ini mungkin harus memungkinkan operasi konstan tanpa banyak konsumsi daya. Saat ini saya sedang berpikir untuk membangun sistem seperti itu menggunakan driver Thorlabs MTD415T TEC.

Kerugian lain dengan konfigurasi saat ini adalah bahwa seseorang dapat mendengar output PWM 1 kHz dari driver motor. Akan lebih baik juga jika seseorang bisa menyingkirkan kipas karena mereka juga cukup keras.

Juara Pertama dalam Lomba Metal