Термохромный дисплей температуры и влажности - Версия для печатной платы: 6 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Некоторое время назад я разработал проект под названием Thermochromic Temperature & Humidity Display, в котором я построил 7-сегментный дисплей из медных пластин, которые нагревались / охлаждались элементами Пельтье. Медные пластины были покрыты термохромной фольгой, меняющей цвет в зависимости от температуры. Этот проект представляет собой уменьшенную версию дисплея, в которой вместо Пельтье используется печатная плата со следами нагрева, как было предложено пользователем DmitriyU2 в разделе комментариев. Использование нагревателя для печатной платы позволяет получить гораздо более простую и компактную конструкцию. Нагрев также более эффективен, что приводит к более быстрому изменению цвета.

Посмотрите видео, чтобы увидеть, как работает дисплей.

Поскольку у меня осталось несколько печатных плат, я также продаю этот дисплей в своем магазине Tindie.

Запасы

• Плата нагревателя (файлы Gerber см. В моем GitHub)
• Плата управления (см. Мой GitHub для файлов Gerber и BoM)
• Датчик DHT22 (например, ebay.de)
• Напечатанная на 3D-принтере подставка (файл stl см. В моем GitHub)
• Термохромный клейкий лист, 150x150 мм, 30-35 ° C (SFXC)
• Болт M2x6 + гайка
• 2 штекерных разъема 1x9, 2,54 мм (например, mouser.com)
• 2x разъема для платы SMD 1x9, 2,54 мм (например, mouser.com)

Шаг 1: проектирование печатной платы нагревателя

Печатная плата нагревателя была разработана в Eagle. Размеры печатной платы составляют 100x150 мм, потому что 150x150 мм - это стандартный размер термохромных листов, которые я использовал. Сначала я сделал набросок сегментов в Fusion360, который был сохранен как dxf, а затем импортирован в Eagle. Сегменты имеют между собой фрезерованные зазоры и соединяются только небольшими перемычками. Это улучшает теплоизоляцию отдельных сегментов и, следовательно, обеспечивает более быстрый нагрев и снижает «перекрестные тепловые помехи». Сегменты были заполнены дорожками печатной платы на верхнем слое (показано красным) с помощью меандра в Eagle. Я использовал ширину дорожек и расстояние между ними 6 мил, что является минимальным размером, который PCBWay может изготовить без дополнительных затрат. Каждая дорожка извилистая между двумя переходными отверстиями, которые затем соединяются с выводами через нижний слой (показано синим цветом) с использованием гораздо более толстых дорожек размером 32 мил. Все сегменты имеют общую основу.

Я не делал никаких расчетов мощности нагрева, необходимой для определенного повышения температуры, и не рассчитывал ожидаемое сопротивление сегмента. Я подумал, что любую регулировку мощности нагрева можно выполнить, используя сигнал ШИМ с изменяющимся рабочим циклом. Позже я обнаружил, что сегменты нагреваются достаточно быстро при питании через USB-порт 5 В с рабочим циклом ~ 5%. Суммарный ток при нагреве всех 17 сегментов составляет около 1,6 А.

Все файлы досок можно найти на моем GitHub.

Шаг 2: проектирование печатной платы контроллера

Для управления нагревателем печатной платы я выбрал микроконтроллер SAMD21E18, который я также использовал в своем проекте GlassCube. Этот микроконтроллер имеет достаточно контактов для управления всеми 17 сегментами нагревателя и считывания показаний датчика DHT22. Он также имеет собственный USB и может быть прошит загрузчиком Adafruit CircuitPython. Разъем micro USB использовался в качестве источника питания и для программирования микроконтроллера. Сегменты нагревателя управляются 9 двухканальными полевыми МОП-транзисторами (SP8K24FRATB). Они могут выдерживать ток до 6 А и иметь пороговое напряжение затвора <2,5 В, поэтому их можно переключать с помощью логического сигнала 3,3 В от MCU. Я нашел эту ветку очень полезной, чтобы помочь мне спроектировать схему управления нагревателем.

Я заказал печатные платы в PCBWay, а электронные компоненты отдельно от Mouser и собрал печатные платы самостоятельно, чтобы сэкономить средства. Я использовал дозатор паяльной пасты, поместил детали вручную и припаял их инфракрасным нагревателем IC. Однако из-за относительно большого количества задействованных компонентов и необходимой доработки это было довольно утомительно, и я собираюсь использовать услуги сборки в будущем.

Снова файлы доски можно найти на моем GitHub. Там вы можете найти улучшенную версию печатной платы, которая использует разъем USB-C вместо micro USB. Я также скорректировал расстояние между сквозными отверстиями для датчика DHT22 и добавил 10-контактный разъем для упрощения прошивки загрузчика через J-Link.

Шаг 3. Загрузчик CircuitPython

Сначала я прошил SAMD21 загрузчиком UF2 на основе Trinket M0 от Adafruit. Загрузчик пришлось немного изменить, потому что у Trinket есть светодиод, подключенный к одному из контактов, который я использую для нагрева. В противном случае на этом выводе на короткое время после загрузки будет высокий уровень, и подключенный сегмент будет нагреваться на полную мощность. Перепрошивка загрузчика выполняется путем подключения J-Link к MCU через порты SWD и SWC. Весь процесс подробно описан на сайте Adafruit. После установки загрузчика MCU распознается как флэш-накопитель при подключении через порт micro USB, и последующие загрузчики можно просто установить, перетащив файл UF2 на накопитель.

В качестве следующего шага я хотел установить загрузчик CircuitPython. Однако, поскольку моя плата использует много контактов, которые не подключены к Trinket M0, мне сначала пришлось немного изменить конфигурацию платы. Опять же, на сайте Adafruit есть отличный учебник. По сути, нужно просто закомментировать несколько игнорируемых контактов в mpconfigboard.h, а затем все перекомпилировать. Пользовательские файлы загрузчика также доступны на моем GitHub.

Шаг 4: Код CircuitPython

После установки загрузчика CircuitPython вы можете просто запрограммировать плату, сохранив свой код в виде файла code.py непосредственно на USB-накопитель. Написанный мной код считывает датчик DHT22, а затем поочередно отображает температуру и влажность, нагревая соответствующие сегменты. Как уже упоминалось, нагрев осуществляется путем переключения полевых МОП-транзисторов с помощью сигнала ШИМ. Вместо того, чтобы настраивать контакты как выходы ШИМ, я сгенерировал «фальшивый» ШИМ-сигнал с низкой частотой переключения 100 Гц в коде с использованием задержек. Чтобы еще больше снизить потребление тока, я включаю сегменты не одновременно, а последовательно, как показано на схеме выше. Также есть несколько хитростей, чтобы сделать нагрев сегментов более равномерным. Во-первых, рабочий цикл немного отличается для каждого сегмента. Например, тире знака «%» требует гораздо большего рабочего цикла из-за его более высокого сопротивления. Также я обнаружил, что сегменты, окруженные множеством других сегментов, нужно меньше нагревать. Кроме того, если сегмент был нагрет в предыдущем «прогоне», рабочий цикл может быть уменьшен в следующем. Наконец, время нагрева и охлаждения адаптируется к температуре окружающей среды, которую удобно измерять датчиком DHT22. Чтобы найти разумные постоянные времени, я фактически откалибровал дисплей в климатической камере, к которой у меня, к счастью, есть доступ на работе.

Вы можете найти полный код на моем GitHub.

Шаг 5: Сборка

Сборка дисплея довольно проста и может быть разделена на следующие этапы.

1. Припаяйте гнездовые штыревые разъемы к печатной плате нагревателя
2. Прикрепите самоклеящийся термохромный лист к печатной плате нагревателя.
3. Припаяйте датчик DHT22 к плате контроллера и закрепите болтом и гайкой M2.
4. Припаяйте штыревые разъемы к плате контроллера
5. Подключите обе печатные платы и поместите в подставку для 3D-печати.

Шаг 6: Готовый проект

Я вполне доволен законченным дипломом, который теперь постоянно работает в нашей гостиной. Цель создания уменьшенной и более простой версии моего оригинального термохромного дисплея была определенно достигнута, и я хотел бы еще раз поблагодарить пользователя DmitriyU2 за предложение. Этот проект также помог мне улучшить свои навыки проектирования печатных плат в Eagle, и я узнал об использовании полевых МОП-транзисторов в качестве переключателей.

Можно было бы еще больше улучшить дизайн, сделав красивый корпус для печатных плат. Я также думаю о создании цифровых часов в том же стиле.

Если вам нравится этот проект, вы можете просто переделать его или купить в моем магазине Tindie. Также подумайте о том, чтобы проголосовать за меня в конкурсе на проектирование печатной платы.

Приз жюри конкурса PCB Design Challenge