VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Тепловизор на платформе Arduino и Raspberry Pi
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Ещё совсем недавно тепловизоры воспринимались как специализированный, необычный и дорогой прибор.Эти приборы были доступны только военным и специалистам, но прогресс не стоит на месте, и совершенствование технологии производства сделало этот класс устройств весьма распространённым явлением в самых различных сферах, не исключая и бытовое применение.Например, в последние годы набирает популярность обследование тепловизором помещения при покупке жилья. Обследование тепловизором может выявить нарушения теплового режима и нарушение технологии утепления жилых помещений. Впрочем, использование тепловизоров в быту не ограничивается недвижимостью. Многие автолюбители заказывают обследование тепловизором своего транспортного средства. С помощью устройства осуществляется поиск нарушения тепло- и гидроизоляции, контроль работы узлов автомобиля.Тепловизор можно назвать своеобразным сканером, который излучает инфракрасный свет и определяет тепловые аномалии какого либо объекта.Приемник инфракрасного излучения является основной деталью тепловизора. Волны инфракрасного излучения, любые тепловые (инфракрасные) изменения в процессе аналитической работы помогают прибору составить график температурных перепадов. Так, как работает тепловизор, не способен работать ни один другой тип прибора.Возможномногие из нас хоть раз, но мечтали получить в свои руки настоящий тепловизор. С огромным удовольствием, бывая в научных лабораториях, мы рассматривали действие этого прибора при проведении простейших обследований. Это уникальный шанс взглянуть на мир вокруг совершенно по новому, увидеть скрытое и возможно даже глубже познать суть некоторых явлений. И единственной преградой к этой мечте служит цена подобных устройств. Несмотря на весь прогресс, она остается очень высокой для простого человека. Однако, просматривая информацию в интернете, мы обнаружили некоторые возможные направления конструирования тепловизионных систем, и опытные разработки этих системна базе микроконтроллера Arduino. В связи с этим, возникла гипотеза о возможности создания собственной разработки тепловизионной установки на базе микропроцессора Ардуино.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является – разработка конструкции и создание модели тепловизионной установки на платформе Ардуинои Raspberry Pi. Цель работы предполагала решение следующих задач:
Изучение литературных и интернет – источников по принципам устройства и работы тепловизионных систем, принципам работы инфракрасных датчиков и обработки их сигналов;
Знакомство с устройством и принципами работы микропроцессорной платформы Ардуинои Raspberry Pi;
Знакомство с основами программирования и работы с программным кодом;
Разработка базовой платформы прибора и создание экспериментальной модели тепловизора на базе этой платформы;
Исследование возможностей изготовленного экспериментального тепловизора и определение рабочих параметров прибора.
Принцип работы профессиональных тепловизорных систем
Любой природный или искусственный объект излучает собственные или отражённые электромагнитные волны в очень широком диапазоне частот, в том числе и волны в инфракрасном спектре, так называемое «тепловое излучение». При этом интенсивность теплового излучения напрямую будет зависеть от температуры объекта, и лишь в очень малой степени зависеть от условий освещенности в видимом диапазоне. Таким образом, при помощи тепловизионного прибора о любом наблюдаемом объекте может быть собрана и визуализирована дополнительная информация, недоступная человеческому глазу и приборам, Тепловизор – устройство, позволяющее визуализировать картину теплового излучения наблюдаемого объекта. Это открывает ряд уникальных возможностей для разных сфер деятельности: точных измерений, контроля технологических процессов, и конечно – обеспечения безопасности. Принцип действия промышленных тепловизоров основан на способности определённых материалов фиксировать наличие излучения в инфракрасном диапазоне. Посредством оптического прибора, в состав которого входят специальные линзы, изготовленные с применением редких материалов, прозрачных для инфракрасного излучения (например - германий), тепловое излучение объектов проецируется на матрицу датчиков, чувствительных к инфракрасному излучению. Затем,электроника обработки сигнала считывает информацию с этих датчиков, и генерирует видеосигнал, в котором разной температуре наблюдаемого объекта соответствует разный цвет изображения. Шкала соответствия цвета точки на изображении к абсолютной температуре наблюдаемого объекта может быть выведена поверх кадра. Также возможно указание температур наиболее горячей и наиболее холодной точки на изображении. В зависимости от конструкции модели, тепловизоры различаются по величине шага измеряемой температуры. Современные технологии позволяют различать температуру объектов с точностью до 0,05-0,1 0К.Тепловизоры работают как обычные цифровые камеры: Они обладают полем зрения, так называемым «FieldofView (FOV)», которое может составлять в качестве телеобъектива 6°, стандартной оптики 23°, а в качестве широкоугольного объектива 48° (Приложение лист I, рис. 1 - 2). Чем дальше находишься от объекта измерения, тем больше охватываемая область изображения,и следовательно размер кадра, который регистрирует отдельный пиксель экрана. Плюсом в этом является то, что яркость свечения при достаточно большой площади не зависит от удаления до объекта. Благодаря этому расстояние до объекта измерения, в значительной степени, не влияет на процессы измерения температуры.Тепловое излучение в среднем инфракрасном диапазоне может фокусироваться только за счёт оптики из германия, сплавов германия, цинковых солей или с помощью зеркал с поверхностным покрытием. Такая специальная оптика, по сравнению с обычными, изготавливаемыми большими партиями объективами в видимой спектральной области является основным фактором расходов, при изготовлении тепловизоров. Основным элементом любого тепловизора, как правило, является матрица в фокальной области (FPA). Она представляет собой встроенный датчик изображения размером от 20 000 до 1 миллиона пикселей. Каждый пиксель является микроболометром (Болометр - тепловой приёмник излучения, чаще всего оптического, а именно — ИК – диапазона, изобретённыйСамуэлемПирпонтом Лэнгли в 1878 году) размером от 17 x 17 до 35 x 35 мкм². Подобные тепловые приёмники, толщиной всего 150 нанометров, нагреваются посредством теплового излучения в течение 10 мс примерно на одну пятую разности между температурой объекта и собственной температурой. Подобного рода высокая чувствительность достигается за счёт очень низкой теплоёмкости в сочетании с превосходной изоляцией инфракрасной камеры относительно свободного окружения. Коэффициент поглощения частично прозрачной площади приёмника увеличивается посредством взаимодействия пропущенной и затем отражённой на поверхности кремниевого кристалла световой волны с последующей световой волной.Для использования данного эффекта самоинтерференции, поверхность болометра, состоящая из оксида ванадия или аморфного кремния, должна посредством специальных технологий травления располагаться на удалении 2 мкм от схемы считывания. Этим самым она на порядок превосходит другие тепловые датчики. За счёт собственной температуры болометра и температуры приходящего излучения, изменяется его сопротивление, которое преобразуется в электрический сигнал напряжения. Аналого-цифровые преобразователи оцифровывают предварительно усиленный видеосигнал. Система цифровой обработки сигнала рассчитывает для каждого отдельного пикселя значение температуры и генерирует в реальном времени цветные изображения или тепловые диаграммы. Для повышения точности измерения матрицы в фокальной области болометра калибруются при определённых температурах с очень высокой точностью (Приложение лист II – III, рис. 3 – 4).
Инфракрасный датчик – основа любой тепловизорной системы
Как уже описывалось выше, в профессиональных тепловизорных системах используются специальные инфракрасные матрицы, которые и являются инфракрасным датчиком. Принципиально, любая видеоматрица, может использоваться с определённым успехом в качестве ИК – датчика. В этом случае, её надо аккуратно разобрать и удалить инфракрасный фильтр. В результате переделки, матрица будет воспринимать инфракрасное излучение и скорректировав работу видеопроцессора, можно добиться изображения похожего на тепловизорную картинку. Более дешёвый и простой вариант использование инфракрасных дистанционных термометровсигналы с которых, обрабатываются определённой компьютерной программой. В качестве такого инфракрасного датчика, используют микропроцессорные инфракрасные термометры, например -MLX90614 (Приложение лист III, рис. 5). Датчик измеряет две температуры: температуру объекта и температуру окружающей среды. Измерение температуры объекта происходит бесконтактным способом, а температура среды измеряется на кристалле датчика.Температура объекта измеряется в диапазоне от -700С до 3800С градусов с 17-битным разрешением посредством считывания инфракрасного излучения, исходящего от него. Такая точность позволяет датчику различать разность температур в 0,20С. В корпусе объединены ИК детектор (MLX81101) и микросхема обработки сигнала (MLX90302). Благодаря применению малошумящего усилителя, 17-битного АЦП и мощного DSP процессора датчики имеют высокую точность и разрешение.Помимо датчика и микросхемы обработки сигнала в корпусе расположен оптический фильтр, который отрезает видимый и близкий к инфракрасному излучению поток. Такой фильтр обеспечивает нечувствительность датчика к солнечному свету и внешней засветке.
Аппаратная платформа Ардуино
Arduino — это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств. Устройство программируется через USB, без использования программаторов Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а также могут управлять различными исполнительными устройствами. Микроконтроллер на плате программируется при помощи языка Arduino (основан на языке Wiring) и среды разработки Arduino (на среде Processing).В процессор Arduino можно загрузить программу, которая будет управлять определёнными устройствами по заданному алгоритму. Таким образом, можно создать бесконечное количество уникальных аппаратных платформ, сделанных своими руками и по собственной задумке (Приложение лист IV, рис. 6). Программы для Arduino пишутся на обычном языке C++, дополненным простыми и понятными функциями для управления вводом/выводом на контактах. Для удобства работы с Arduino существует бесплатная официальная среда программирования «Arduino IDE», работающая под Windows, Mac OS и Linux. С помощью неё, загрузка новой программы в Arduino, очень простая. Ещё одной отличительной особенностью Arduino является наличие плат расширения, так называемых «shields» или просто «шилдов». Это дополнительные платы, которые ставятся подобно слоям бутерброда поверх Arduino, чтобы дать ему новые возможности.
Прототипы тепловизорной системы на платформе Ардуино
1.Тепловизор на основе датчикаMLX90614 со светодиодным индикатором температурных зон
Простое устройство, по своей сути имитирующее тепловизор, поскольку оно не создаёт тепловой картины, а только указывает цветом светодиода температурный интервал какой либо точки поверхности. Тем не менее, это визуализирующий, определённый температурный интервал, прибор. В основе конструкции использован температурный датчикMLX90614 и микроконтроллер Arduino ProMini (Приложение лист IV, рис. 7). В качестве регистрирующего табло применена матрица из 16 адресных светодиодов (Приложение лист IV, рис. 8).МодульArduino ProMini может быть запрограммирован с помощью среды разработки IDE Arduino (Приложение лист IV, рис. 9). Схема подключения температурного датчика и светодиодной матрицы, приведена в приложении (лист V, рис. 10). Принцип работы очень простой. При направлении температурного датчика, на какой либо предмет, происходит регистрация его температуры. Светодиодный индикатор, согласно заданной программе и данных датчика, высветит температурную зону предмета определённым цветом. Например, горячие предметы – красным цветом, холодные – синим.
2.Сканирующий тепловизор на основе датчика MLX90614 с передачей данных на компьютер
В основе конструкции использован температурный датчик MLX90614 и микроконтроллер Arduino Uno. Принцип работы устройства основан на температурном сканировании объекта с последующей обработкой информации в компьютерной программе. Исходя из этого, необходимым условием является наличие системы управления для сканирования. Эта система организована с помощью двух рулевых машинок от авиационных моделей и осуществляет перемещение температурного датчика, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.В качестве подтягивающих резисторов R1 и R2 используются резисторы номиналом 4.7 кОм. В качестве ИК- датчика был выбран MLX90614 BCI, поскольку у него узкое поле зрения, а также из-за его легкости в эксплуатации. Лазерная указка, в связке с датчиком температуры используется как целеуказатель. Инфракрасный датчик был соединен с лазером и закреплен на сервокронштейне из рулевых машинок. Самым простым способом управлять устройством является управление с компьютера. Питание также осуществляется от компьютера. Датчик посылает данные измерений в COM-порт. Программа для подачи команд устройству и считывания данных с датчика, устанавливается на компьютере (Термоскан). Алгоритм работы тепловизора довольно прост:
ОткрываемCOM -порт Аrduino;
Осуществляем позиционирование датчика. Для задания области сканирования устанавливаются 2 точки: bot — нижняя левая точка изображения, mid — центр изображения;
Запускаем сканирование (сканирование ведётся примерно 2 минуты при использовании режима «64х48 пикселей»);
Собираем полученные от датчика данные в массив;
Формируем изображение.
Интерфейс программы очень простой - только всё самое необходимое для работы. Названия кнопок говорят сами за себя. При нажатии на определённый пиксель тепловой карты будет выведена соответствующая ему температура. Цвета для температуры выбираются относительно текущих результатов сканирования. Самая высокая температура будет обозначена красным, а самая низкая — синим, пусть даже эти значения будут отличаться на 2-3 градуса. На расстоянии более чем в 50 см результаты имеют довольно большую погрешность. Но на близком расстоянии показатели температуры определяются очень точно. Сканировать можно только небольшие статические предметы. Устройство непригодно для больших и движущихся предметов.Определённым минусом, является и продолжительное время сканирования, а также обязательная привязка к компьютеру.
Автономный тепловизор с использованием платформыArduino и Raspberry Pi
Все вышеперечисленные примеры имеют существенные недостатки и не позволяют создать мобильную версию полноценного прибора - тепловизора. Прежде всего,MLX90614 не является температурным видеодатчиком и позволяет имитировать тепловую картину только программно, что требует привязки к компьютеру. Для создания реальной тепловой картины необходимо использовать инфракрасную видеоматрицу. Подобие такой матрицы можно изготовить из простой WEB – камеры. Для этого можно удалить из неё инфракрасный фильтр. В этом случае камера будет воспринимать инфракрасное излучение. Более приемлемый вариант, приобретение специализированной инфракрасной матрицы. Они, в настоящее время, относительно недорогие и имеются на сайтах магазинов, торгующих электронными компонентами. Примеры, подобных устройств, приведены в приложении (лист VII, рис. 13). Питание матриц, осуществляется напряжением 3 -5 В, что удобно для связки с платформой.Panasonic AMG8833 является 8x8 мм инфракрасным тепловым датчиком.Точность измерения температуры плюс – минус 2,5 ° C.Расстояние определения температуры до 7 метров. Максимальная кадровая частота 10 Гц. Датчик совместим с платформами Arduino и Raspberry Pi. Для создания автономного тепловизора используем подключение к плате Ардуино TFT-дисплея.TFT дисплей цветной с диагональю 1.8 дюйма и расширением 128 на 160 точек. За обработку данных отвечает контроллер ST7735R, который может отобразить до 18-бит цвета (262144 оттенков), работает данный контроллер (дисплей) от 3.3В и для работы от плат Arduino предусмотрен стабилизатор напряжения на 3.3В. Подключение осуществляется по ISP интерфейсу (4-х проводному), все выводы выведены на боковую группу контактов.Как говорилось выше, дисплей работает по интерфейсу SPI, поэтому необходимо включить в проект библиотеку SPI, а так же библиотеку TFT, все они входят в стандартные библиотеки среды разработки IDE Arduino (Приложение лист VII, рис. 14). Инфракрасная видеоматрица подключается согласно основным принципам подключения к Ардуино видеомодуля.Как правило, модуль продается без коннекторов, так что придется запаять проводники к предусмотренным выводам:
Красный подключен к +5В;
Черный подключен к GND;
Зеленый – RX;
Белый – TX.
При подключении камеры к Arduino используется резистор на 10 кОм. Питание логики камеры 3.3 В. В обычном режиме на выходе с цифрового выхода 0 формируется сигнал HIGH, который соответствует 5 В. При нашем подключении, с учетом сопротивления резистора, подключенного к входному сигналу (белый проводник), напряжение не превысит 3.3 В (Приложениелист VIII, рис. 15). Слабый процессор Arduino, передаёт изображение на экран в качестве стационарной картинки. При перемене объекта, необходимо вновь включать прибор и проводить измерение, поскольку потоковое видео, процессор воспроизвести не может. От этих недостатков можно избавится, если использовать для обработки информации с инфракрасного датчика, более мощную платформуRaspberry Pi (Приложение лист VIII, рис. 16). Платформа представляет собой, полноценный одноплатный компьютер, работающий с несколькими операционными системами, в том числе и с Android TV (удобство работы с медиаприложениями, в том числе видеоприложениями).Микрокомпьютер можно заставить работать практически с любой периферией, в том числе выводить изображение на встроенный экран.Большинство дисплеев с маленькой диагональю (до 4 дюймов) подключаются кRaspberry Piчерез GPIO и представляют собой печатную плату, на которой зафиксирован сам TFT-модуль, распаян адаптер и GPIO-разъем для подключения. Подобные платы в среде Raspberry Pi принято называть HAT: HardwareAttachedonTop, что в переводе означает «аппаратура, подсоединенная сверху» (Приложение листVIII, рис. 17). Для работы дисплея, необходимо установить драйвер (LCD-show-161112.tar.gz). Инфракрасная матрица подключается к системе, как стандартный USB- разъём.
Возможности изготовленного прибора
Прибор является автономным, с батарейным питанием, поэтому обладает широким спектром возможного использования.
В приборе предусмотрена возможность воспроизведения потоковой информации, возможность фиксирования динамичной теплограммы.
Точность измерения температуры плюс – минус 2,5 ° C.
Расстояние до исследуемых объектов не более семи метров.
Несмотря на небольшое разрешение экрана, картинка получается чёткой и информативной (Приложение лист IX, рис. 18).
Выводы
В результате проделанной работы, можно сделать следующие выводы:
Изучены доступные литературных и интернет – источники по устройству и принципам работы тепловизионных систем, принципам работы инфракрасных датчиков и обработки их сигналов;
Освоены первоначальные приёмы работы с микропроцессорной платформой Ардуино иRaspberry Pi, а так же основы программирования и работы с программным кодом;
Разработана и изготовлена экспериментальная модель тепловизора, позволяющая осуществлять динамичные измерения температурного режима любых объектов, на расстоянии не более 6 -7 метров;
Возможности изготовленного прибора, соответствуют недорогим образцам промышленных тепловизоров.
Список использованной литературы и интернет - источников
1.https://www.optris.ru/zhurnalnaja-statja-infrakrasnaja-kamera - Как работает тепловизор.
2.http://www.platan.ru/news/MLX90614.shtml - MLX90614 – инфракрасный термометр.
3.http://robotclass.ru/projects/thermal-flashlight/ - Светодиодный тепловизор.
4.https://habr.com/post/394083/ - Термоскан.
5.http://blog.rchip.ru/podklyuchenie-tft-displeya-1-8-k-arduino/ - Подключение TFT-дисплея 1.8 к Arduino.
6.http://arduino-diy.com/arduino-modul-videokamery - Модуль видеокамеры и Arduino.
7.https://lifehacker.ru/obzor-raspberry-pi-3/ - Обзор Raspberry Pi 3.
8.http://dmitrysnotes.ru/raspberry-pi-3-podklyuchenie-tft-displeya - RaspberryPi 3. Подключение TFT-дисплея.
П риложение
Рис. 1. Фокусировка теплового излучения тепловизионной камерой.
Рис. 2. Специальнаятепловизионная камера.
Рис. 3. Формирование тепловизионного изображения.
Рис. 4. Основные компоненты профессиональной тепловизионной системы.
Рис. 5. MLX90614 – инфракрасный термометр в корпусе TO-39 для бесконтактного измерения температуры.
Рис. 6. Многофункциональность аппаратной платформы Arduino.
Рис. 7.Arduino Pro Mini.
Рис. 8.Матрица из 16 адресных светодиодов.
Рис. 9. Программный код для Ардуино.
Рис. 10. Схема имитации тепловизора, на основе датчика MLX90614 со светодиодным индикатором температурных зон.
Рис. 11. Принципиальная схема тепловизора «Термоскан».
Рис. 12. Интерфейс программы.
Рис. 13. Инфракрасные видеоматрицы.
Рис. 14.Подключение TFT-дисплея 1.8 к Arduino.
Рис. 15. Подключение инфракрасной видеоматрицы к Arduino.
Р ис. 16. ПлатформаRaspberry Pi и TFT-дисплей для неё.
Рис. 17. Подключение дисплея к Raspberry Pi.
Рис. 18. Тепловые изображения предметов.