Инфракрасные термометры своими руками

ИК-термометр своими руками

Существует недорогой прибор MLX90614 (Даташит PDF), который представляет из себя цифровой инфракрасный термометр и предназначен для измерения температуры в диапазоне от -20ºС до +120ºС. Точность измерения составляет

0.5ºС. Шина связи: SMBus. Существуют различные версии сенсора отличающиеся напряжением питания (3 и 5 Вольт), углом охвата и др. Цена сенсора на eBay и в др. зарубежных интернет-магазинах составляет 15-20$.

Схема подключения к Arduino очень простая:

Умные ребята из bildr написали библиотеку для подключения к Arduino, тем самым облегчив задачу, за что им большое спасибо.

Мной же было просто собрано небольшое устройство в корпусе с выводом информации на LCD-дисплей от Nokia 5110.

Выводы MLX90614 сенсора и подтягивающие резисторы 4.7 кОм были аккуратно уложены в термоусадочную трубку.

Плата Arduino была запитана от двух Li-Ion аккумуляторов 3.7В. И датчик и LCD питаются напряжением 3.3В, которое берется с платы Arduino.

Nokia 5110 подключается так:
— pin 7 — Serial clock out (SCLK)
— pin 6 — Serial data out (DIN)
— pin 5 — Data/Command select (D/C)
— pin 4 — LCD chip select (CS)
— pin 3 — LCD reset (RST)

При подключении дисплея к другим пинам, необходимо изменить номера выводов в функции инициализации LCD.

Был добавлен тумблер питания и все было укомплектовано в корпус, который у меня остался от предыдущего проекта.

Источник

Компактный бесконтактный ИК-термометр своими руками

Atmel ATmega328P

ThermoPen – так автор назвал результат своей выпускной работы по физике в начале 2021 года. Целью данного проекта было создание компактного и точного бесконтактного термометра (Рисунок 1). Прибор был разработан, в частности, для проверки перегрева электронных компонентов на печатной плате и для устранения общих неисправностей. Благодаря компактным размерам (термометр выполнен в форме ручки), он пользовался широким спросом среди преподавателей и студентов, имеющих дело с электроникой.

Термометр оснащен инфракрасным (ИК) датчиком, преобразующим ИК излучение от объекта в электрический сигнал, который в дальнейшем преобразуется в температуру с помощью микроконтроллера. Что отличает ThermoPen от базовой концепции и других подобных приборов, так это дополнительные функции, полезные для пользователя, и миниатюрные размеры.

Таким образом, была разработана миниатюрная печатная плата, содержащая микроконтроллер (МК) ATmega328P (тот же МК, что установлен на платах Arduino Nano/Uno), схему питания (повышающий преобразователь напряжения) и схему зарядки Li-Ion аккумулятора. Все проектные файлы (САПР KiCad) доступны для скачивания в разделе загрузок и в репозитории на сайте github.com [1].

Рисунок 1.	ThermoPen – компактный ИК-термометр в форме ручки.

Отличительные особенности ИК-термометра:

• OLED дисплей, на котором отображается температура объекта, температура окружающей среды, максимальная и минимальная температура объекта;
• Звуковая индикация;
• Активация нажатием одной кнопки;
• Работа от Li-Ion аккумулятора, встроенная схема зарядки;
• Лазерный светодиод, действующий как указатель.

Принцип работы

Перед сборкой ИК-термометра важно понять, как он устроен, и как работает. Блок-схема ИК-термометра изображена на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Блок-схема ИК-термометра ThermoPen.

При нажатии кнопки на схему подается питание и запускается инициализация периферии МК, раздается звук включения. Через 1 секунду включается лазерный диод, и на OLED дисплее в реальном времени отображаются данные, считанные с датчика термометра. В коде программы также вычисляются минимальная и максимальная температура, напряжение и емкость аккумулятора. После отпускания кнопки питания прибор работает еще 4-5 секунд, что возможно благодаря конденсаторам.

Единственное назначение лазерного светодиода – дать пользователю представление о том, где измеряется температура. «Настоящее волшебство» стало возможным благодаря датчику температуры MLX90614 производства Melexis, использующему физический принцип, согласно которому любой объект испускает определенное количество ИК излучения, зависящее от его температуры. Датчик преобразует принятые ИК волны в электрический сигнал, пропорциональный температуре, который далее персчитывается МК в температуру в градусах Цельсия.

Дополнительно предусмотрены несколько светодиодов, сообщающих о состоянии аккумулятора (заряжается, заряжен, низкий заряд) и о включении питания. Для зарядки аккумулятора установлен разъем microUSB на отельной плате.

Принципиальная схема

Принципиальная схема ИК-термометра изображена на Рисунк 3. МК ATmega328P кварцевым резонатором с частотой 8 МГц (у Arduino Nano 16 МГц), что связано с повышением эффективности работы от аккумулятора. ИК-датчик и OLED-дисплей подключаются к МК по интерфейсу I 2 C, управление лазерным диодом и зуммером осуществляется цифровыми портами МК. Напряжение аккумулятора измеряется внутренним АЦП МК (канал A0).

Рисунок 3.	Принципиальная схема ИК-термометра ThermoPen.

Схема питания прибора представляет собой повышающий преобразователь, выполненный на микросхеме TPS61090. Выходное напряжение преобразователя стабилизировано на уровне 5 В. Схема включения TPS61090 взята от платы расширения Arduino Adafruit Power Boost 500 для питания устройств от Li-Ion аккумулятора [2].

Схема зарядки Li-Ion аккумулятора выполнена на микросхеме MCP73831. В начале зарядки загорается желтый светодиод (D1); об окончании зарядки свидетельствует зеленый светодиод (D2).

Схема и печатная плата разрабатывались в бесплатной САПР KiCad. Для минимизации размеров печатной платы ИК-термометра большинство резисторов и конденсаторов выбраны в корпусах для поверхностного монтажа типоразмера 0805.

Корпус прибора

Автор также разработал корпус ИК-термометра для печати на 3D принтере (Рисунок 4). 3D модель разрабатывалась в САПР Solidworks. Для укладки проводов внутри корпуса, надежного крепления аккумулятора типоразмера 18650 и печатной платы, был выбран квадратный профиль. Для максимальной точности лазерный светодиод расположен непосредственно рядом с ИК-датчиком. При таком расположении лазерный диод не заметен. В корпусе предусмотрены два отверстия для светодиодов состояния зарядки. Корпус спроектирован со сдвижной нижней крышкой с пластиковой защелкой. Пластиковые защелки надежно удерживают печатную плату в корпусе.

Рисунок 4.	Проект корпуса ИК-термометра и 3D вид.

Проектные файлы окончательного варианта корпуса (не прототипа) также доступны для скачивания. Расположение компонентов в корпусе показано на Рисунке 5.

Рисунок 5.	Компоновка компонентов ИК-термометра в корпусе.

Монтаж компонентов

Одна из самых сложных задач проекта заключалась в монтаже элементов на печатную плате, поскольку достаточно большое их количество требовало различных методов пайки и соответствующего оборудования (Рисунок 6).

Рисунок 6.

Внешний вид печатной платы ИК-термометра.

Для пайки элементов потребуются микроскоп или лупа, печь оплавления для пайки МК и микросхемы повышающего преобразователя, паяльник с тонким жалом. Ввиду наличия подложки следует обратить внимание на качество пайки микросхемы повышающего преобразователя.

На плате вы заметите несколько сквозных отверстий под разъемы. Эти отверстия предназначены для подключения компонентов за пределами печатной платы: лазерного светодиода, OLED дисплея, разъема microUSB для зарядки, контактов отсека аккумулятора, а также сигналов интерфейса внутрисхемного программирования МК.

Программный код и программирование МК

В скетче Arduino используются библиотеки для работы с OLED экраном, отображения графических элементов и библиотека для ИК-датчика.

Для программирования микроконтроллера на плате предусмотрены контакты подключения внутрисхемного программатора, но можно в качестве программатора использовать другую плату Arduino Uno/Nano (Arduino as ISP; соответствующий скетч поставляется с Arduino IDE) [3].

Изначально автор пытался использовать режим пониженного энергопотребления (sleep) МК в случае продолжительной работы, однако реализовать стабильную работу прибора с использованием режимов пониженного энергопотребления не удалось.

Точность измерения температуры зависит только от ИК-датчика и его состояния, поскольку калибруется он в заводских условиях. Зуммер срабатывает при превышении установленного порога температуры, значение которой задается в программе МК (установлено значение 120 °С).

Источник

Бесконтактный термометр: как сделать инфракрасный градусник своими руками?

Главная страница » Бесконтактный термометр: как сделать инфракрасный градусник своими руками?

Не только для медицинского измерения температуры нужен градусник без контакта. На практике отладки схем электроники, тестирования новых конструкций аппаратного обеспечения и т.п. может успешно применяться бесконтактный термометр. Сильно нагревающиеся электронные компоненты, в таком случае, проверяются без риска получения ожога.

Основа инфракрасного бесконтактного градусника

Аппарат такого типа, конечно же нужен каждому электронщику. И было бы правильным говорить, что настоящий электронщик всегда испытывает желание сделать электронику своими руками, в том числе технический градусник. Поэтому рассмотрим тему – как сделать бесконтактный термометр своими руками на основе инфракрасного сенсора.

Своего рода «тепловую пушку» доступно построить своими руками на базе популярного набора «Arduino». Схема построения требует применения бесконтактного измерительного модуля температуры типа MLX90614.

Благодаря этому устройству, прибор успешно подходит не только для измерения температуры компонентов электронных схем, но также для контроля температуры тела живых организмов.

Один из вариантов исполнения измерительного и преобразующего модуля MLX90614, который необходим для изготовления своими руками электронного инфракрасного градусника

Кроме того, созданный своими руками бесконтактный термометр достаточно точно измеряет температуру:

• различных поверхностей,
• воздушных потоков вентиляции,
• режимов и деталей систем кондиционирования,
• частей автомобильных и других двигателей.

Собственно, бесконтактные термометры широким ассортиментом доступны на коммерческом рынке. Однако цена таких устройств, но главное – творческий интерес, заставляют любителя электронщика применить собственные руки для изготовления градусника.

Что нужно для создания бесконтактного термометра?

Рассмотрим в подробностях, какие электронные компоненты и прочие комплектующие потребуются для самостоятельного производства бесконтактного инфракрасного градусника. Список нужных составляющих следующий:

1. Набор конструктора электронщика «Arduino Pro».
2. Модуль измерительный инфракрасный MLX90614.
3. Контроллер SSD1306 информационного дисплея.
4. Лазерный диод.
5. Батарея питания (крона) на 9 вольт.
6. Кнопка без фиксации
7. Клемма контактор для кроны.
8. Соединительные проводники.

Модуль измерительный MLX90614 — продукт «Melexis Microelectronics», представляет композицию двух устройств. Одним устройством выступает инфракрасный термический сенсор, другим — устройство обработки сигналов DSP (вычислительный элемент).

Модуль измерительный бесконтактного термометра работает на принципах закона Стефана-Больцмана. Согласно этому закону, все объекты излучают инфракрасную энергию. Причём интенсивность энергии прямо пропорциональна температуре объекта.

Чувствительный элемент модуля измеряет количество ИК-энергии, излучаемой целевым объектом. В свою очередь, вычислительный модуль преобразует полученное значение 17-разрядным АЦП и выводит уже данные температуры через протокол связи I2C.

Модулем измеряется как температуру объекта, так и температура окружающей среды для калибровки бесконтактного термометра. Характеристики измерительного модуля типа MLX90614 приведены в техническом описании (datasheet MLX90614).

Эффективное расстояние между сенсором и объектом

Одной из важнейших технических характеристик бесконтактного термометра является оптимальная величина расстояния между датчиком и объектом, в границах которой получается точный результат измерений.

Значение этого расстояния, как правило, напрямую связано с техническим термином «Поле зрения» (FOV). Так вот для постройки бесконтактного термометра своими руками используется датчик, значение FOV которого около 80°.

Так называемое «поле зрения» инфракрасного сенсора, которым определяется степень чувствительности объекта с точки зрения точного определения температуры

Если применить графику, диапазон чувствительности устройства логично отобразить конической формой, конус которой расширяется по мере удаления от точки восприятия датчика. Соответственно, по мере удаления от измерительного объекта зона чувствительности прибора увеличивается вдвое.

Таким образом, каждый 1 см удаления бесконтактного термометра от контрольного объекта приводит к увеличению зоны чувствительности на 2 см и как результат — к снижению точности измерения.

Практика применения самодельного бесконтактного термометра показала оптимальное расстояние от объекта не более 2 см.

Конструкция бесконтактного термометра своими руками предполагает размещение лазерного диода недалеко от сенсора, чтобы контролировать направленность и чувствительную область датчика.

Принципиальная схема самодельного инфракрасного термометра

Электронная схема прибора относительно проста, не представляет особых сложностей для сборки своими руками.

Электронная схема включения набора Arduino как функционального элемента бесконтактного термометра: 1 – модуль Arduino Uno; 2 – измерительный модуль MLX90614

Фактически представленной схемой задействованы всего четыре функциональных линии, две из которых линии питания и другие две линии связи SDA и SQL. В составе схемы бесконтактного термометра под сборку своими руками используется минимум компонентов обвязки:

• два постоянных резистора номиналом 4,7 кОм,
• один постоянный конденсатор сглаживания номиналом 0,1 мкФ.
• два готовых электронных модуля.

Соответственно, к модулю Arduino Uno подключается информационный дисплей – модуль SSD1306 OLED или аналогичный. Схему подключения этого модуля легко отыскать среди публикаций, рассматривающих работу с Arduino.

Какой необходим корпус под градусник своими руками?

Здесь фантазии электронщиков-любителей ограничиваются только лишь существующими возможностями и расходной ценой. Как правило, корпус бесконтактного термометра выглядит удобным и практичным, если сделан в образе пистолета.

Такую конструкцию комфортно удерживать в руках и направлять детектор на контрольный объект. Самодельный «пистолет» бесконтактного термометра допустимо изготовить из разных материалов. Удачно подходит:

• пластик,
• лёгкие металлы,
• даже картон может стать подходящим материалом.

Пример корпуса бесконтактного термометра, сделанного своими руками, показан на картинке ниже:

Таким, примерно, достаточно эксклюзивным и оригинальным может выглядеть корпус самодельного бесконтактного термометра, внутри которого вмещаются все рабочие модули

Корпус прибора изготавливается не только с учётом размещения всех электронных модулей, но также с учётом размещения элемента питания, как правило, батареи типа «Крона».

Как запрограммировать Arduino на бесконтактный термометр?

Программирование модуля Arduino преследует цель получения значения температуры от измерительного модуля MLX90614 с последующим отображением на OLED-дисплее Arduino. Содержимое имеющегося программного кода упрощённое, благодаря разработанной библиотеке чтения данных MLX90614. Библиотека доступна для загрузки здесь.

Загруженная библиотека добавляется к Arduino IDE командой «Sketch -> Include Library -> Add .ZIP Library» с указанием месторасположения загруженного ZIP-файла.

Также потребуется выполнить инструкции по взаимодействию OLED дисплея с модулем Arduino, установить необходимые библиотеки для модуля дисплея OLED.

Код бесконтактного термометра под Arduino загружается внешним программатором TTL или аналогичным. Затем останется подать питание, нажать кнопку активации бесконтактного термометра. Если всё сделано правильно, лазерный луч отобразится на контрольном объекте, а температура объекта отобразится на OLED-экране.

При помощи информации: TheoryCircuit

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .

Источник