Bezdotykowy miernik temperatury - pirometr

Niniejsze urządzenie zaprojektowano do bezdotykowego mierzenia temperatury i kontrolowania ciepła wydzielanego przez różne obiekty. Pirometr został zbudowany w oparciu o czujnik MLX90614 firmy Melexis, który pozwala na pomiar temperatur od -70°C do +380°C, z dokładnością do 0,5°C i rozdzielczością 0,01°C. Czas między pomiarami może być ustalony w menu i wynosić od 1 sekundy do 1 minuty, z krokiem co 10 sekund. Jest także możliwe, by rejestrować wyniki pomiarów i przesyłać do komputera za pomocą szeregowego interfejsu (złącze X1, konieczne jest stosowanie zewnętrznego konwertera poziomów).

Schemat całości można zobaczyć poniżej:



Sercem urządzenia jest mikrokontroler MSP430RF5728 od Texas Instruments, w którym – zamiast typowo stosowanej pamięci Flash – zastosowano pamięć FRAM. Prostota i szybkość zapisu z/do pamięci, przy porównywaniu pamięci RAM i FRAM – z punktu widzenia użytkownika jest taka sama. Nie jest konieczne uprzednie wymazywanie komórek pamięci, przed zapisem danych do pamięci FRAM. Niestety, pamięć FRAM jest wolniejsza od pamięci Flash. W procesorach serii FR57xx maksymalna częstotliwość, z jaką może pracować pamięć FRAM, wynosi 8 MHz. W zaprezentowanym urządzeniu procesor jest taktowany właśnie taką częstotliwością, więc nie zaobserwowano żadnych spowolnień. Dodatkową wadą pamięci FRAM jest jej mała pojemność, w porównaniu z produkowanymi pamięciami Flash. Maksymalna wielkość pamięci w procesorach serii FR57xx wynosi 16 KB, aczkolwiek pozwala to na zapis około 5400 wyników pomiarów temperatury (jeden wynik zajmuje 2 bajty). Przez większość czasu procesor pozostaje w trybie uśpienia LPM3. Używanie magistrali SPI i I²C w połączeniu z DMA pozwala na wymianę danych praktycznie bez zaangażowania procesora. To sprawia, że całkowity pobór prądu jest bardzo niski i wynosi średnio 8 µA.

Wyniki pomiaru i inne informacje prezentowane są na wyświetlaczu LCD 102x64. Jest to element pobierający niewiele prądu – około 270 µA w trybie bezczynności. Do działania wymaga trzech kondensatorów (C11 – C13), a komunikacja z procesorem odbywa się za pomocą magistrali SPI przy taktowaniu 8 MHz.

Urządzenie ma trzy tryby pracy, wybierane przełącznikiem. Wybrana pozycja kontrolowana jest za pomocą przetwornika A/D procesora. W położeniu środkowym przełącznika urządzenie przeprowadza pomiar temperatury co określony czas. Pomiary mogą zostać zatrzymane bądź wznowione poprzez naciskanie przycisku „Mode”. Okres pomiędzy pomiarami regulowany jest naciśnięciami przycisków „<” i „>”, wybrana wartość prezentowana jest w prawym, dolnym rogu wyświetlacza.

Dodatkowo, za pomocą przełącznika mogą być wybrane tryby rejestrowania wyników i przeglądania zapisanych wartości. W trybie rejestrowania wyników działanie przycisków jest identyczne, jak opisano powyżej. Zapis danych trwa do opuszczenia trybu lub do zapełnienia pamięci – w ostatnim przypadku urządzenie samo się wyłączy. Tryb odczytu pozwala na przeglądanie na wyświetlaczu zapisanych danych. Przyciski „<” i „>” służą do przechodzenia między rekordami, a przycisk „Mode” pozwala zmienić skok przeglądania (co 1/10/100/1000 rekordów). Na dole wyświetlacza pokazywany jest numer kolejnego rekordu i ilość wszystkich danych w pamięci. Działanie trybów w opisanej kolejności zaprezentowane jest na poniższych zdjęciach:



Aby przesłać zapisane dane do komputera, przy włączaniu urządzenia należy przytrzymać wciśnięty przycisk „Mode”. Rozpoczyna to transmisję danych po porcie szeregowym, zgodnie z wybranym trybem pracy. Przesyłane dane mają wielkość 8 bitów, z 1 bitem stopu i bez parzystości, a magistrala szeregowa pracuje z szybkością 9600 bodów. Każda wartość pomiaru prezentowana jest w osobnej linii.

Urządzenie zasilane jest z jednej baterii AAA, a napięcie 3V uzyskane jest za pomocą przetwornicy podwyższającej zbudowanej na układzie IC3. Napięcie wystarczające do pracy urządzenia jest osiągane nawet wtedy, gdy ogniwo rozładowane jest do 0,9V. Aby włączyć urządzenie, należy wcisnąć przycisk „On/Off”. Wtedy napięcie z baterii podawane jest na wejście EN układu IC3, co powoduje uruchomienie przetwornicy i mikroprocesora. Po ponownym wciśnięciu przycisku wyprowadzenie 15. procesora zwierane jest do masy. Po wyłączeniu układu obwód przetwornicy odizolowuje od zasilania bateryjnego pozostałe obwody pirometru.



Układ został zmontowany na jednostronnej płytce drukowanej, zaprojektowanej w Eagle’u. Warstwa miedzi na drugiej stronie płytki wykorzystywana jest jako obwód masy. Wszystkie elementy pasywne są montowane powierzchniowo i mają obudowy rozmiaru 0402, poza kondensatorami C6, C7, C11 oraz C13, które są w obudowach 0603. Dioda i tranzystor MOSFET mają obudowy odpowiednio SOD523 i SOT523. Zastosowano rezonator kwarcowy firmy Abracon w obudowie ABS09, obciążenie pojemnościowe wynosi 7 pF. Cewka L1 to LQH3NP firmy Murata. Kod dla procesora został napisany w pakiecie IAR Embedded Workbench IDE. Do programowania procesora przeznaczone jest złącze X2. Przy pierwszym uruchomieniu wymagane jest jedynie, aby za pomocą rezystora R4 ustalić poziom napięcia na wyjściu IC3 na 3V.

Na stronie źródłowej można znaleźć kod dla procesora i projekt urządzenia w formacie Eagle.

Mam pytanie dla ludzi którzy trochę bliżej znają temat. Czy można by zbudować taki czujnik na zwykłych PIRkach ? Czujniki do pomiaru bezdotykowego są jeszcze nadal koszmarnie drogie a potrzebuję coś takiego zbudować, nie musi łapać temperatury z 2 metrów, wystarczy 20 cm.

Greyangel napisał:

Mam pytanie dla ludzi którzy trochę bliżej znają temat. Czy można by zbudować taki czujnik na zwykłych PIRkach ? Czujniki do pomiaru bezdotykowego są jeszcze nadal koszmarnie drogie a potrzebuję coś takiego zbudować, nie musi łapać temperatury z 2 metrów, wystarczy 20 cm.

pirometry są tanie jak barszcz. na znanym portalu aukcyjnym znajdziesz ich bardzo wiele.

Dodano po 1 [minuty]:

Kubald napisał:

Niniejsze urządzenie zaprojektowano do bezdotykowego mierzenia temperatury i kontrolowania ciepła wydzielanego przez różne obiekty.

Czy w układzie jest możliwość kalibracji ? Bez tego jest całkowicie bezużyteczne.

Ja tylko dodam, że czujnik tutaj pokazany w Polsce można dostać za około 100 zł, w Sparkfun'ie kosztuje bodaj niecałe 20$.

@VSS - zgodnie z tym, co pisze producent: "Factory calibrated in wide temperature range: -40 to 125 °C for sensor temperature and -70 to 380 °C for object temperature."

Kubald napisał:

Ja tylko dodam, że czujnik tutaj pokazany w Polsce można dostać za około 100 zł, w Sparkfun'ie kosztuje bodaj niecałe 20$.

Na beju kosztują w granicach 15 - 17 USD do tego do 7,4 USD przesyłka.

VSS napisał:

pirometry są tanie jak barszcz. na znanym portalu aukcyjnym znajdziesz ich bardzo wiele.

Rzeczywiście są tanie choć może nie jak barszcz. Tyle że kupiłem PIRki z tym zamiarem i chcę je teraz tak trochę na siłę może, wykorzystać.

Kubald napisał:

@VSS - zgodnie z tym, co pisze producent: "Factory calibrated in wide temperature range: -40 to 125 °C for sensor temperature and -70 to 380 °C for object temperature."

używam pirometr prawie codziennie i brak kalibracji w programie jest duzym problemem. każda powierzchnia inaczej oddaje ciepło: czarna, srebrna, biała, matowa, błyszcząca. jak nie możesz tego skalibrować to możesz taki pirometr wyrzucić do śmieci. no chyba, że nie robi Ci znaczenie 5-10 stopni - o tyle potrafi się mylić pirometr.

VSS napisał:

używam pirometr prawie codziennie i brak kalibracji w programie jest duzym problemem. każda powierzchnia inaczej oddaje ciepło: czarna, srebrna, biała, matowa, błyszcząca. jak nie możesz tego skalibrować to możesz taki pirometr wyrzucić do śmieci.

To nie jest kalibracja tylko ustawianie współczynnika emisyjności. Tanie pirometry nie mają tej możliwości i emisyjność jest na stałe ustalona na wartość rzędu 0,7.

Proste małe pirometry-breloczki można kupić za $10-15 ale mają one mały zakres temperatury (jak na pirometr). Trochę lepsze, takie które mają już celownik laserowy i większy zakres pomiaru (rzędu -30 do 300 stopni) kosztują $20-25 - mam taki. Pirometr z prawdziwego zdarzenia natomiast ma dużo szerszy zakres pomiaru, ma ustawianie emisyjności, jest dokładnie określony kąt pomiaru itp, plus często ma dużo dodatkowych funkcji.

http://www.harborfreight.com/infrared-thermometer-with-laser-targeting-non-contact-69465.html
http://www.harborfreight.com/infrared-thermometer-93984.html
http://www.harborfreight.com/non-contact-pocket-thermometer-93983.html

Projekt może i ciekawy bo nie często widzi się pirometr DIY, ale również uważam że praktycznie nieprzydatny przy tych cenach co podałem wyżej.

Motronic napisał:

Projekt może i ok, ale te cyfry to jak z cyferblatu XVIII wiecznego zegara kominkowego. Sentymentalista jakiś?

Właśnie fajne. To przepiękny człowiek łączy sentyment z nowoczesnością. Moltronic czy nie uważasz że sentymentalizmem są nasze imiona i nazwiska ? Przecież precyzyjniej było by zostawić tylko pesel.

Czy ograniczając przedział temperatury do 35 - 40 st. C. można zwiększyć jego dokładność i rozdzielczość?

Wówczas można by go użyć do budowy skanera rozkładu temperatury ciała.
Dostęp do tanich skanerów zrewolucjonizował by prewencyjną diagnostykę medyczną nowotworów a takie sprzęty inwazyjne jak mammograf trafiły by do kosza.


Łase na zyski firmy kamer termowizyjnych aktualnie blokują tego typu rewolucje.


Przydał by się również taki z zakresem do ponad 1000 st. C. można by dzięki temu sterować procesem hartowania i innymi ciekawymi projektami.

Motronic napisał:

No to jaki masz problem, Unit UT-305C i masz co chcesz.

Nie zawsze i nie wszędzie pirometr się nadaje. Przy hartowaniu solnym w 1210°C (potrzebna dokładność +/- 2°C) pirometry "głupiały" i tylko powrót do termopar załatwił problem.

Hartowanie.
Studzenie zresztą też, ale tam przy 666°C wystarczy zwykła termopara K i temp. może się zmieniać w zakresie 20°C.

Cytat:

Tanie pirometry nie mają tej możliwości i emisyjność jest na stałe ustalona na wartość rzędu 0,7.

Gwoli ścisłości, 0,95.

Cytat:

używam pirometr prawie codziennie i brak kalibracji w programie jest duzym problemem. każda powierzchnia inaczej oddaje ciepło: czarna, srebrna, biała, matowa, błyszcząca. jak nie możesz tego skalibrować to możesz taki pirometr wyrzucić do śmieci. no chyba, że nie robi Ci znaczenie 5-10 stopni - o tyle potrafi się mylić pirometr.

Z tym błędem to nie tak, z tym wyrzuceniem zresztą też nie.

Arrakis

Można też użyć zwykłej kamery do wykonania obrazu rozkładu temperatury.
Tak to jest możliwe każda prosa kamera internetowa może zobaczyć IR po dodaniu filtru, z tym że wynika będzie inny dla różnych kamer. Prezentacja w nagraniu
http://www.youtube.com/watch?&v=YIMSDLPWJyk
A na stronie http://www.quantumheat.org/index.php/en/follow/follow-2/221-lenrcam
piszą że potrzebują pomocy osób z umiejętnościami obróbki AV.

Cytat:

Można też użyć zwykłej kamery do wykonania obrazu rozkładu temperatury.

Żadna sensacja, Planck wpadł na to sto lat temu.
Jest tylko jedno ale, obserwowany przedmiot musi mieć dostatecznie wysoką temperaturę. Przy dobrych układach promieniowanie termiczne będzie widoczne gołym okiem, czego przykładem jest zwykła żarówka.

Arrakis