DIY熱像攝影機

十二月 20, 2017
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照片提供:Max Ritter

我這臺低成本熱像攝影機的基本概念起源於2010年的物理課。老師買了一臺單點式紅外線溫度計,問有沒有人要用它參加當年的科學競賽。我和一位朋友提出用伺服馬達移動紅外線感應器來掃描大片區域,產生熱影像的概念。
第一臺原型就已經不只是概念驗證而已;我們用Lego Mindstorms機器人搭配電腦的感應器資料介面和Adobe Photoshop的滑鼠鍵盤自動化指令碼來產生低解析度的熱影像。我把那個設計改良後參加了隔年的競賽(圖A),命名為「平價熱像攝影機V1」。它由一臺Arduino微控制器、兩臺伺服馬達和Java電腦程式組成,材料總成本大約才100美元。
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攝影:Max Ritter


  • 時間:1~3小時
  • 難度:簡單
  • 成本:500~550美元
材料

  • DIY熱像攝影機套件 groupgets.com這組套件除了Lepton感應器和模組之外的必需材料都有包含。按一下「Join this buy」(加入訂單)就能把Lepton模組和Lepton 3.0或Lepton 2.5感應器新增到訂單。

—或者蒐集以下材料–

  • FLIR Lepton(具快門)長波紅外線陣列感應器 v2.0、v2.5或v3.0
  • FLIR Lepton擴充板介面
  • 點式紅外線感應器 Melexis MLX90614-BCF,用於測量絕對溫度(Lepton 2.5則不需要)。
  • Teensy 3.6微控制器板 與Arduino相容
  • MicroSD卡,Class 4,8GB
  • ArduCam Mini V2攝影機模組,2MP
  • 顯示模組, 3.2″ TFT LCD 配置:5V,排針4線SPI,電阻式觸控,無字型晶片
  • 電池,3.7V鋰離子聚合物(LiPo),具JST-PH連接器 最大尺寸60mm×55mm×6.5mm高
  • 印刷電路板 89.4mm×68.4mm,厚1.6mm,2層。按這裡取得Gerber檔案。
  • 外殼,由3mm黑色壓克力塑膠雷射切割 按連結取得設計檔案。
  • 電池充電模組 TP4057,含充電LED。
  • 升壓器,5V,U3V12F5 亦名升壓穩壓器,Pololu網站商品編號#2115。
  • 電源開關E-Switch網站商品編號#R6ABLKBLKFF。
  • 按鈕RAFI網站商品編號#1.10107.0110104。
  • USB電源開關E-Switch網站商品編號#EG1201A。
  • 電池連接器 JST網站商品編號#S2B-PH-K-S,連接LiPo與PCB。
  • SD卡插槽轉接器 Wurth網站商品編號#693063020911。
  • MicroSD轉接器。
  • 顯示器連接器,40腳位,2.54mm母排針。
  • Lepton板連接器,8腳位,2.54mm母排針。
  • 排針條,40腳位,2.54mm公排針。
  • 鈕扣型電池架 Keystone網站商品編號#3001。
  • 電池,CR1220鈕扣型,用於即時時鐘。
  • 電阻器,4.7kΩ ¼W 1% (4)。
  • 電阻器,10kΩ ¼W 1% (2)。
  • 雙面膠帶。
  • MicroUSB線,角型。
  • 三角架,迷你型。
  • 三角架插孔, ¼-20。
  • 螺絲,M2×10mm (6)。
  • 螺絲,M2×8mm (5)。
  • 螺絲,M2.5×6mm,黑色(8)。
  • 間隔器,M2×3mm (6)。
  • 間隔器,M2×3.5mm (2)。
  • 間隙器,M2.5×12mm (4)。
  • 間隙器,M2.5×11mm (4)。
  • 間隙器,M2.5×5mm (4)。
  • 螺帽,M2 (5)。
  • 螺帽,M2,塑膠(6)。
  • 墊片,M2 (3)。
工具

  • 烙鐵與焊錫
  • 鉗子
  • 剝線鉗
  • 螺絲起子
  • 萬用電表

早期版本

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圖B1-B4

我在2011年贏得特別獎,並把軟硬體概念在網路上發表。獲得正面回應,很多人打造出自己的版本(圖B),也有人表示有興趣購買。這讓我在2013年中設計出第二個版本(圖C),在網路上賣給世界各地的人。當時我20歲,所以這是很重要的一步。「平價熱像攝影機V2」具有小型LCD顯示器,可透過旋轉編碼器來控制,並能選擇把資料儲存到SD卡。
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圖C

一年後,我完成了「平價熱像攝影機V3」(圖D),納入了大型觸控螢幕、輕薄設計和速度更快的微控制器。第一到三版都採用移動單點式紅外線感應器來掃描區域的原理。這雖然有非常便宜的優點,但會需要幾分鐘的時間才能產生完整的熱影像。對很多處理移動物體的應用而言,這個方法就不適合了,所以我繼續研究替代方法。
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圖D

新的感應器

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圖E

FLIRLepton感應器在2014年上市(圖E),成為市面上第一臺低價陣列熱感應器,而我把它納入新版本的設計,打造出「DIY熱像攝影機V1」,從掃描的原理進化到高解析度的即時熱影像,也是成為FLIRFLUKE等大廠產品替代方案的起點。

DIY熱像攝影機的第二版再度獲得多項升級,包含支援Lepton 3.0感應器(解析度提升為四倍)、更強大的微處理器、更好更快的視覺攝影機,和可卸式的儲存裝置。新的視訊輸出模組更提供串流熱像攝影機視訊輸出信號的功能。

DIY熱像攝影機的一大優勢是提供開源軟硬體,讓大家依需要來改造或做為熱成像領域開發的起點。機上的韌體可以透過方便的觸控選單操作,且提供不同色調、分析和儲存方式等多種功能。針對電腦上對熱影像和視訊的分析,DIY熱像攝影機的原始檔案和ThermoVision完全相容。這個強大的應用程式由一位柏林的程式設計師開發。另外也有讓電腦串流熱影像資料並具有一些分析功能的Python應用程式。

做中學

研究過程中我遇到很多挑戰,大部份我都能解決,解決不了的時候就得找一些不尋常的方法。例如在設計外殼時,我起初想要用3D印表機來製造,但後來發現即使用比較高階的印表機,還是要在列印後做很多手工修飾,效率太低。射出成型也不能列入考慮,因為要生產的件數少,開模的成本太高。最後的決定是用雷射切割,這是不需後續處理又相對便宜的技術。我在德國找了一家公司來幫我把黑色壓克力切割成外殼。

我學到的一件事是不要把出貨時程訂太緊,因為不可能避免無法預料的問題。我給自己的原則是訂出時程後把它加倍。如果提前完成,不會有問題,因為永遠有可以改進的地方。

這個專題用到的知識我全部都是從網路和書籍學到的,幾乎沒有人幫我。這是挑戰很高的做法,但我學到很多!專題經過了很多階段,例如製做原型、挑選元件和材料、做容易組裝的設計、品質檢驗、全球出貨、行銷和客戶連繫等等。中間很多事情都是在嘗試中學習,而且那幾年真的犯過很多錯誤。然而這些錯誤都成為我現在擁有的經驗,所以是值得的。我甚至敢說在這個專題上學到的比在學校待五年還多。對我而言,實際去經歷挑戰是讓自己人生和技術上成長最快的方法。
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攝影:Max Ritter

做中學!

如果買了套件,組裝的過程就相當單純,視焊接的速度而定,只要2到4小時就能完成。在GitHub頁面上可以找到所有步驟和圖片。記得和我們分享成果!
Max Ritter是徹底擁抱科技的工程師,熱愛用創新的方法來開創新領域。
(譯:屠建明)
[原文]
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