थर्मोक्रोमिक तापमान और आर्द्रता प्रदर्शन - पीसीबी संस्करण: 6 कदम (चित्रों के साथ)

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:19

कुछ समय पहले थर्मोक्रोमिक टेम्परेचर एंड ह्यूमिडिटी डिस्प्ले नामक एक प्रोजेक्ट किया था, जहां मैंने तांबे की प्लेटों से 7-सेगमेंट का डिस्प्ले बनाया था जिसे पेल्टियर तत्वों द्वारा गर्म/ठंडा किया गया था। तांबे की प्लेटों को थर्मोक्रोमिक पन्नी से ढका गया था जो तापमान के साथ रंग बदलता है। यह प्रोजेक्ट डिस्प्ले का एक छोटा संस्करण है जो पेल्टियर के बजाय एक पीसीबी का उपयोग हीटिंग निशान के साथ करता है जैसा कि टिप्पणी अनुभाग में उपयोगकर्ता DmitriyU2 द्वारा सुझाया गया है। पीसीबी हीटर का उपयोग करने से बहुत सरल और अधिक कॉम्पैक्ट डिज़ाइन की अनुमति मिलती है। हीटिंग भी अधिक कुशल है जो तेजी से रंग परिवर्तन की ओर जाता है।

डिस्प्ले कैसे काम करता है यह देखने के लिए वीडियो देखें।

चूंकि मेरे पास कुछ पीसीबी बचे थे, इसलिए मैं इस डिस्प्ले को अपने टिंडी स्टोर पर भी बेच रहा हूं।

आपूर्ति

• हीटर पीसीबी (गेरबर फाइलों के लिए मेरा गिटहब देखें)
• नियंत्रण पीसीबी (Gerber फ़ाइलों और BoM के लिए मेरा GitHub देखें)
• DHT22 सेंसर (जैसे ebay.de)
• 3D प्रिंटेड स्टैंड (stl फ़ाइल के लिए मेरा GitHub देखें)
• थर्मोक्रोमिक चिपकने वाली शीट, 150x150 मिमी, 30-35 डिग्री सेल्सियस (एसएफएक्ससी)
• M2x6 बोल्ट + अखरोट
• 2x पिन हैडर 1x9, 2.54 मिमी (उदा. mouser.com)
• 2x SMD बोर्ड कनेक्टर 1x9, 2.54 मिमी (उदा. mouser.com)

चरण 1: हीटर पीसीबी डिजाइन करना

हीटर पीसीबी को ईगल में डिजाइन किया गया था। पीसीबी आयाम 100x150 मिमी हैं क्योंकि 150x150 मिमी मेरे द्वारा उपयोग की जाने वाली थर्मोक्रोमिक शीट का मानक आकार है। सबसे पहले मैंने Fusion360 में सेगमेंट का एक स्केच बनाया जिसे dxf के रूप में सहेजा गया और फिर ईगल में आयात किया गया। खंडों के बीच में अंतराल हैं और केवल छोटे पुलों द्वारा जुड़े हुए हैं। यह अलग-अलग खंडों के थर्मल इन्सुलेशन में सुधार करता है और इसलिए तेजी से हीटिंग की अनुमति देता है और 'थर्मल क्रॉसस्टॉक' को कम करता है। ईगल में मेन्डर टूल का उपयोग करके खंड शीर्ष परत (लाल रंग में देखा गया) पर पीसीबी के निशान से भरे हुए थे। मैंने ट्रैक की चौड़ाई और ६ मील की दूरी का उपयोग किया जो कि न्यूनतम आकार है जिसे बिना अतिरिक्त लागत के PCBWay द्वारा निर्मित किया जा सकता है। प्रत्येक ट्रेस को दो वायस के बीच में घुमाया जाता है, जो तब नीचे की परत (नीले रंग में देखा गया) के माध्यम से पिन से जुड़े होते हैं, जो कि अधिक मोटे 32 मील के निशान का उपयोग करते हैं। सभी खंड एक साझा आधार साझा करते हैं।

मैंने एक निश्चित तापमान वृद्धि के लिए आवश्यक ताप शक्ति के लिए कोई गणना नहीं की और न ही मैंने एक खंड के अपेक्षित प्रतिरोध की गणना की। मुझे लगा कि अलग-अलग कर्तव्य चक्र के साथ पीडब्लूएम सिग्नल का उपयोग करके हीटिंग पावर का कोई भी समायोजन किया जा सकता है। मैंने बाद में पाया कि ~ 5% कर्तव्य चक्र का उपयोग करके 5V यूएसबी पोर्ट के माध्यम से संचालित होने पर सेगमेंट काफी तेजी से गर्म होते हैं। सभी 17 खंडों को गर्म करते समय कुल धारा लगभग 1.6 A होती है।

सभी बोर्ड फाइलें मेरे गिटहब पर पाई जा सकती हैं।

चरण 2: नियंत्रक पीसीबी को डिजाइन करना

पीसीबी हीटर को नियंत्रित करने के लिए मैं एक SAMD21E18 MCU चुनता हूं जिसका उपयोग मैंने अपने ग्लासक्यूब प्रोजेक्ट में भी किया था। इस माइक्रोकंट्रोलर में सभी 17 हीटर खंडों को नियंत्रित करने और DHT22 सेंसर को पढ़ने के लिए पर्याप्त पिन हैं। इसमें देशी यूएसबी भी है और इसे एडफ्रूट के सर्किटपायथन बूटलोडर के साथ फ्लैश किया जा सकता है। एक माइक्रो यूएसबी कनेक्टर का उपयोग बिजली की आपूर्ति के रूप में और एमसीयू प्रोग्रामिंग के लिए किया गया था। हीटर खंड 9 दोहरे चैनल MOSFETs (SP8K24FRATB) द्वारा नियंत्रित होते हैं। ये 6 A तक संभाल सकते हैं और इनमें गेट थ्रेशोल्ड वोल्टेज <2.5 V होता है, इसलिए इन्हें MCU से 3.3 V लॉजिक सिग्नल द्वारा स्विच किया जा सकता है। हीटर नियंत्रण सर्किट को डिजाइन करने में मेरी मदद करने के लिए मुझे यह धागा बहुत मददगार लगा।

मैंने पीसीबीवे से पीसीबी और मूसर से इलेक्ट्रॉनिक भागों को अलग से मंगवाया और लागत बचाने के लिए पीसीबी को खुद इकट्ठा किया। मैंने एक सोल्डर पेस्ट डिस्पेंसर का इस्तेमाल किया और भागों को हाथ से रखा और उन्हें एक इन्फ्रारेड आईसी हीटर के साथ मिलाप किया। हालांकि, अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा में शामिल घटकों और आवश्यक पुनर्विक्रय के कारण यह काफी कठिन था और मैं भविष्य में एक असेंबली सेवा का उपयोग करने पर विचार कर रहा हूं।

फिर से बोर्ड की फाइलें मेरे GitHub पर मिल सकती हैं। वहां आप पीसीबी का एक उन्नत संस्करण पा सकते हैं जो माइक्रो यूएसबी के बजाय यूएसबी-सी कनेक्टर का उपयोग करता है। मैंने DHT22 सेंसर के लिए थ्रू होल की रिक्ति को भी ठीक किया और J-Link के माध्यम से बूटलोडर के आसान फ्लैशिंग के लिए 10-पिन कनेक्टर जोड़ा।

चरण 3: सर्किटपायथन बूटलोडर

सबसे पहले, मैंने Adafruit के Trinket M0 पर आधारित UF2 बूटलोडर के साथ SAMD21 को फ्लैश किया। बूटलोडर को थोड़ा संशोधित करना पड़ा क्योंकि ट्रिंकेट में एक पिन से जुड़ा एक एलईडी है जिसे मैं हीटिंग के लिए उपयोग करता हूं। नहीं तो यह पिन बूट होने के बाद थोड़े समय के लिए ऊंचा हो जाएगा और कनेक्टेड सेगमेंट को पूरी शक्ति से गर्म कर देगा। बूटलोडर को फ्लैश करना SWD और SWC पोर्ट के माध्यम से J-Link को MCU से जोड़कर किया जाता है। पूरी प्रक्रिया को एडफ्रूट वेबसाइट पर विस्तार से वर्णित किया गया है। बूटलोडर को स्थापित करने के बाद माइक्रो यूएसबी पोर्ट के माध्यम से कनेक्ट होने पर एमसीयू को फ्लैश ड्राइव के रूप में पहचाना जाता है और बाद में बूटलोडर को यूएफ 2 फाइल को ड्राइव पर खींचकर स्थापित किया जा सकता है।

अगले चरण के रूप में मैं एक सर्किटपाइथन बूटलोडर स्थापित करना चाहता था। हालाँकि, चूंकि मेरा बोर्ड कई पिनों का उपयोग करता है जो ट्रिंकेट M0 से जुड़े नहीं हैं, मुझे पहले बोर्ड कॉन्फ़िगरेशन को थोड़ा संशोधित करना पड़ा। Adafruit वेबसाइट पर इसके लिए फिर से एक बढ़िया ट्यूटोरियल है। मूल रूप से, किसी को केवल mpconfigboard.h में कुछ अनदेखा किए गए पिनों पर टिप्पणी करनी होती है और फिर सब कुछ पुन: संकलित करना होता है। कस्टम बूटलोडर फ़ाइलें मेरे GitHub पर भी उपलब्ध हैं।

चरण 4: सर्किटपायथन कोड

सर्किटपायथन बूटलोडर स्थापित होने के बाद आप सीधे यूएसबी फ्लैश ड्राइव पर कोड कोड फ़ाइल के रूप में अपना कोड सहेज कर बोर्ड को प्रोग्राम कर सकते हैं। मैंने जो कोड लिखा है वह DHT22 सेंसर को पढ़ता है और फिर संबंधित खंडों को गर्म करके वैकल्पिक रूप से तापमान और आर्द्रता प्रदर्शित करता है। जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है कि MOSFETs को PWM सिग्नल के साथ स्विच करके हीटिंग किया जाता है। पिन को पीडब्लूएम आउटपुट के रूप में कॉन्फ़िगर करने के बजाय, मैंने देरी का उपयोग करके कोड में 100 हर्ट्ज की कम स्विचिंग आवृत्ति के साथ "नकली" पीडब्लूएम सिग्नल उत्पन्न किया। वर्तमान खपत को और कम करने के लिए मैं एक साथ खंडों पर नहीं बल्कि क्रमिक रूप से स्विच करता हूं जैसा कि ऊपर की योजना में दिखाया गया है। खंडों के ताप को और भी अधिक बनाने के लिए कुछ तरकीबें भी हैं। सबसे पहले ड्यूटी साइकल हर सेगमेंट के लिए थोड़ा अलग है। उदाहरण के लिए "%" चिन्ह के डैश को इसके उच्च प्रतिरोध के कारण बहुत बड़े कर्तव्य चक्र की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, मैंने पाया कि जो खंड कई अन्य खंडों से घिरे हैं, उन्हें कम गर्म करने की आवश्यकता है। इसके अलावा, यदि पिछले "रन" में एक खंड को गर्म किया गया था, तो अगले में कर्तव्य चक्र को कम किया जा सकता है। अंत में, हीटिंग और कूलिंग समय परिवेश के तापमान के अनुकूल होता है जिसे आसानी से DHT22 सेंसर द्वारा मापा जाता है। उचित समय स्थिरांक खोजने के लिए मैंने वास्तव में एक जलवायु कक्ष में प्रदर्शन को कैलिब्रेट किया, जिसे सौभाग्य से मेरे पास काम पर पहुंच है।

आप मेरे GitHub पर पूरा कोड पा सकते हैं।

चरण 5: विधानसभा

डिस्प्ले की असेंबली काफी आसान है और इसे निम्न चरणों में विभाजित किया जा सकता है

1. पीसीबी को हीटर करने के लिए मिलाप महिला पिन हेडर
2. हीटर पीसीबी में स्वयं चिपकने वाला थर्मोक्रोमिक शीट संलग्न करें
3. नियंत्रक पीसीबी को मिलाप DHT22 सेंसर और M2 बोल्ट और नट के साथ जकड़ें
4. नियंत्रक पीसीबी को मिलाप पुरुष पिन हेडर
5. दोनों PCB को कनेक्ट करें और 3D प्रिंटेड स्टैंड में रखें

चरण 6: समाप्त परियोजना

मैं समाप्त प्रदर्शन से काफी खुश हूं जो अब हमारे लिविंग रूम में लगातार चल रहा है। मेरे मूल थर्मोक्रोमिक डिस्प्ले का एक छोटा, सरल संस्करण बनाने का लक्ष्य निश्चित रूप से हासिल किया गया था और मैं सुझाव के लिए उपयोगकर्ता DmitriyU2 को एक बार फिर धन्यवाद देना चाहता हूं। परियोजना ने मुझे ईगल में अपने पीसीबी डिजाइन कौशल में सुधार करने में भी मदद की और मैंने स्विच के रूप में एमओएसएफईटी के उपयोग के बारे में सीखा।

पीसीबी के लिए एक अच्छा एनक्लोजर बनाकर डिजाइन में और सुधार किया जा सकता है। मैं भी इसी अंदाज में डिजिटल घड़ी बनाने के बारे में सोच रहा हूं।

अगर आपको यह प्रोजेक्ट पसंद है तो आप इसे सिर्फ रीमेक कर सकते हैं या इसे मेरे टिंडी स्टोर पर खरीद सकते हैं। पीसीबी डिजाइन चुनौती में मेरे लिए मतदान करने पर भी विचार करें।

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