Photo Thermique à base d'arduino

De Wikidebrouillard.

Version actuelle en date du 14 juillet 2014 à 06:18

Présentation de l'expérience

Comment prendre des photographies thermiques ? Ce petit montage peu coûteux comparé au prix d'une caméra dédiée à la photographie thermique, se base sur la technique du "light painting".

Matériel

• Un appareil photo de type reflex
• Un arduino
• Une led RGB (Rouge, verte, bleue)
• Un capteur de température Infra rouge ([1])
• Une breadboard ou platine d'essais
• Du scotch
• Des fils
• Un raccord d'alimentation Arduino
• Des piles et leur support (de 9v à 12v)

L'expérience

Réalisez le montage comme décris ci-dessous.

Uploadez le programme ci-dessous dans votre arduino. Afin d'avoir des résultats visibles, c'est à dire des couleurs bleues pour les zones froides et rouges pour les zones chaudes, bien contrastées , effectuez des mesures sur votre mur ou objet afin d'avoir un ordre de grandeur des températures à détecter.

/****************************************************************************/
// Code pour photographie thermique. ATTENTION NE FONCTIONNE PAS AVEC UN ARDUINO DUEMILANOVE !
// inspiré de http://publiclaboratory.org/tool/thermal-photography
// et du tutoriel Grove sensor capteur de température IR : http://www.seeedstudio.com/wiki/Grove_-_Infrared_temperature_sensor	
// 
// Programme sous licence GNU-GPL
// Les Petits Débrouillards 2013
//******************************************************************************/



#include <math.h> // bibliothèque Math parce que l'on va faire des calculs !

#define SUR_TEMP_PIN A1 // Entrée Analogique pour connecter la broche "SUR" du capteur de température
#define OBJ_TEMP_PIN A0 // Entrée Analogique pour connecter la broche "OBJ" du capteur de température

/// Réglage de la température minimale et maximale
const float lowReading = 0;
const float highReading = 45;


//Parametres de calibrage du capteur IR ///////////////////////////
float temp_calibration=0;       //this parameter was used to calibrate the temperature
//float objt_calibration=0.000; //this parameter was used to calibrate the object temperature
float temperature_range=10;    //we make a map of temperature-voltage according to sensor datasheet. 10 is the temperature step when sensor and 
//object distance is 9CM.
float offset_vol=0.014;        //this parameter was used to set the mid level voltage,when put the sensor in normal environment after 10 min,
//the sensor output 0.For example,the surrounding temperature is 29℃，but the result is 27℃ via the sensor,
//you should set the reerence to 0.520 or more,according to your sensor to change.
//the unit is V
float tempValue = 0; 
float objtValue= 0;  
float current_temp=0;
float temp=0;
float temp1=0;
float temp2=0;
unsigned int temp3=0;
const float reference_vol=0.500;
unsigned char clear_num=0;//when use lcd to display
float R=0;
float voltage=0;
long res[100]={
  318300,302903,288329,274533,261471,249100,237381,226276,215750,205768,
  196300,187316,178788,170691,163002,155700,148766,142183,135936,130012,
  124400,119038,113928,109059,104420,100000,95788,91775,87950,84305,
  80830,77517,74357,71342,68466,65720,63098,60595,58202,55916,
  53730,51645,49652,47746,45924,44180,42511,40912,39380,37910,
  36500,35155,33866,32631,31446,30311,29222,28177,27175,26213,
  25290,24403,23554,22738,21955,21202,20479,19783,19115,18472,
  17260,16688,16138,15608,15098,14608,14135,13680,13242,12819,
  12412,12020,11642,11278,10926,10587,10260,9945,9641,9347,
  9063,8789,8525,8270,8023,7785,7555,7333,7118,6911};

float obj [13][12]={
  /*0*/  { 
    0,-0.274,-0.58,-0.922,-1.301,-1.721,-2.183,-2.691,-3.247,-3.854,-4.516,-5.236  }
  , //
  /*1*/  { 
    0.271,0,-0.303,-0.642,-1.018,-1.434,-1.894,-2.398,-2.951,-3.556,-4.215,-4.931  }
  ,  //→surrounding temperature,from -10,0,10,...100
  /*2*/  { 
    0.567,0.3,0,-0.335,-0.708,-1.121,-1.577,-2.078,-2.628,-3.229,-3.884,-4.597  }
  ,   //↓object temperature,from -10,0,10,...110
  /*3*/  { 
    0.891,0.628,0.331,0,-0.369,-0.778,-1.23,-1.728,-2.274,-2.871,-3.523,-4.232  }
  ,
  /*4*/  { 
    1.244,0.985,0.692,0.365,0,-0.405,-0.853,-1.347,-1.889,-2.482,-3.13,-3.835  }
  ,
  /*5*/  { 
    1.628,1.372,1.084,0.761,0.401,0,-0.444,-0.933,-1.47,-2.059,-2.702,-3.403  }
  ,
  /*6*/  { 
    2.043,1.792,1.509,1.191,0.835,0.439,0,-0.484,-1.017,-1.601,-2.24,-2.936  }
  ,
  /*7*/  { 
    2.491,2.246,1.968,1.655,1.304,0.913,0.479,0,-0.528,-1.107,-1.74,-2.431  }
  ,
  /*8*/  { 
    2.975,2.735,2.462,2.155,1.809,1.424,0.996,0.522,0,-0.573,-1.201,-1.887  }
  ,
  /*9*/  { 
    3.495,3.261,2.994,2.692,2.353,1.974,1.552,1.084,0.568,0,-0.622,-1.301  }
  ,
  /*10*/  { 
    4.053,3.825,3.565,3.27,2.937,2.564,2.148,1.687,1.177,0.616,0,-0.673  }
  ,
  /*11*/  { 
    4.651,4.43,4.177,3.888,3.562,3.196,2.787,2.332,1.829,1.275,0.666,0  }
  ,
  /*12*/  { 
    5.29,5.076,4.83,4.549,4.231,3.872,3.47,3.023,2.527,1.98,1.379,0.72  }
};
const unsigned char separatorCharacter = 255;
////////////////////////////////////////////////////////////////////

void setup() 
{
  Serial.begin(9600); // Initialisation de la communication série à 9600 bauds
 //(mega only)set the refenrence voltage 1.1V,the distinguishability can up to 1mV.
pinMode(9,OUTPUT);
pinMode(10,OUTPUT);
pinMode(11,OUTPUT);
}
void loop()
{
   analogReference(INTERNAL);
  
  measureSurTemp();//measure the Surrounding temperature around the sensor
  measureObjectTemp();

  float state = normf(measureObjectTemp(), lowReading, highReading);
  int hue = map(state,0,255,(360.00*0.60),0); // transformation de la température en couleur
   analogReference(DEFAULT);
  setLedColorHSV(hue,1,1); //commande de la led

  Serial.println(temp);

}

float binSearch(long x)// this function used for measure the surrounding temperature
{
  int low,mid,high;
  low=0;
  //mid=0;
  high=100;
  while (low<=high)
  {
    mid=(low+high)/2;
    if(x<res[mid])
      low= mid+1;
    else//(x>res[mid])
    high=mid-1;
  }
  return mid;
}

float arraysearch(float x,float y)//x is the surrounding temperature,y is the object temperature
{
  int i=0;
  float tem_coefficient=100;//Magnification of 100 times	
  i=(x/10)+1;//Ambient temperature			
  voltage=(float)y/tem_coefficient;//the original voltage		
  //Serial.print("sensor voltage:\t");		
  //Serial.print(voltage,5);	
  //Serial.print("V");			
  for(temp3=0;temp3<13;temp3++)		
  {			
    if((voltage>obj[temp3][i])&&(voltage<obj[temp3+1][i]))				
    {			
      return temp3;					
    }			
  }
}
float measureSurTemp()
{  
  unsigned char i=0;
  float current_temp1=0;	  
  int signal=0;	  
  tempValue=0;

  for(i=0;i<10;i++)       //	  
  {		  
    tempValue+= analogRead(SUR_TEMP_PIN); 		  
    delay(10); 	  
  }	  
  tempValue=tempValue/10;	  
  temp = tempValue*1.1/1023;	  
  R=2000000*temp/(2.50-temp);	  
  signal=binSearch(R);	  
  current_temp=signal-1+temp_calibration+(res[signal-1]-R)/(res[signal-1]-res[signal]);
  //Serial.print("Surrounding temperature:");
  //Serial.print(current_temp);
  return current_temp;
}

float measureObjectTemp()
{
  unsigned char i=0;  
  unsigned char j=0;  
  float sur_temp=0;  
  unsigned int array_temp=0;  
  float temp1,temp2; 
  float final_temp=0;
  objtValue=0;	
  for(i=0;i<10;i++)
  {
    objtValue+= analogRead(OBJ_TEMP_PIN); 
    delay(10); 
  }       
  objtValue=objtValue/10;//Averaging processing     
  temp1=objtValue*1.1/1023;//+objt_calibration; 
  sur_temp=temp1-(reference_vol+offset_vol);             
  //Serial.print("\t Sensor voltage:");		
  //Serial.print(sur_temp,3);	
  //Serial.print("V");	
  array_temp=arraysearch(current_temp,sur_temp*1000);        
  temp2=current_temp;        
  temp1=(temperature_range*voltage)/(obj[array_temp+1][(int)(temp2/10)+1]-obj[array_temp][(int)(temp2/10)+1]);        
  final_temp=temp2+temp1;        
  if((final_temp>100)||(final_temp<=-10))
  {
    Serial.println ("\t out of range!");
  }
  else
  {
    Serial.print("\t object temperature:");		
    Serial.println(final_temp,2); 
    return final_temp;
  }
}


float normf(float x, float low, float high) {
  float y = (x - low) * 255.f / (high - low);
  if(y > 255) {
    y = 255;
  }
  if(y < 0) {
    y = 0;
  }
  return y;
}


void setLedColorHSV(int h, double s, double v) {
  //this is the algorithm to convert from RGB to HSV
  double r=0; 
  double g=0; 
  double b=0;

  double hf=h/60.0;

  int i=(int)floor(h/60.0);
  double f = h/60.0 - i;
  double pv = v * (1 - s);
  double qv = v * (1 - s*f);
  double tv = v * (1 - s * (1 - f));

  switch (i)
  {
  case 0: //rojo dominante
    r = v;
    g = tv;
    b = pv;
    break;
  case 1: //verde
    r = qv;
    g = v;
    b = pv;
    break;
  case 2: 
    r = pv;
    g = v;
    b = tv;
    break;
  case 3: //azul
    r = pv;
    g = qv;
    b = v;
    break;
  case 4:
    r = tv;
    g = pv;
    b = v;
    break;
  case 5: //rojo
    r = v;
    g = pv;
    b = qv;
    break;
  }

  //set each component to a integer value between 0 and 255
  int red=constrain((int)255*r,0,255);
  int green=constrain((int)255*g,0,255);
  int blue=constrain((int)255*b,0,255);

  setLedColor(red,green,blue);
}

//Sets the current color for the RGB LED
void setLedColor(int red, int green, int blue) {
  //Note that we are reducing 1/4 the intensity for the green and blue components because 
  //  the red one is too dim on my LED. You may want to adjust that.
  analogWrite(11,red); //broche du rouge en 9
  analogWrite(10,green); //broche du vert en 10
  analogWrite(9,blue); //broche du bleu en 11
}

et ensuite modifiez les deux premières variables :

const float lowReading = 0; // température basse en degrés (bleu)
const float highReading = 35; // température haute en degrés (rouge)

Une fois le montage réalisé, scotchez le capteur de température infrarouge bien parallèle à la led RGB. insérer la photo du montage scotché !

Vérifiez avec votre main en face du capteur que la led change de couleur, si ce n'est pas le cas, controlez votre montage et/ou modifiez les parametres de température haute et basse.

La manipulation

Réglez votre appareil photo en mode Manuel, puis l'ouverture à F7.1 et le temps d'exposition de 30 secondes sensibilité 200 ISO

Dans une pièce noir, positionnez votre appareil photo en face de la partie du mur à "scanner". Déclenchez votre appareil photo, et balayez à environ 10 cm toute la surface du mur.

Que voit-on ?

Après 30 secondes de pose, vous devriez obtenir un resultat ressemblant à ceci :

Explications

De manière simple

Le programme chargé dans votre arduino capte la température infrarouge d'un objet puis le transforme en couleur. En plaçant un appareil photo avec un temps de pose relativement long et en balayant le mur à l'aide de votre montage eclairant, vous effectuez du light painting ! Mais pas n’importe quel light painting, vous peignez des températures !

La photo prise à l'aide de votre reflex est tintée de couleurs correspondantes à la température de votre objet, le rouge pour les températures chaudes et le bleu pour les températures froides.

Vous venez ainsi de réaliser une photo thermique !

Questions sans réponses

Allons plus loin dans l'explication

Développons les concepts scientifiques associés.
Ne pas hésiter à faire des liens avec Wikipédia.

Liens avec d'autres expériences

Expériences sur Wikidébrouillard

Indiquer ici les expériences de Wikidébrouillard.

Autres expériences

Autres expériences avec le même concept, recherche sur internet (indiquer les liens). 

Applications : liens avec le quotidien

Selon Wikipédia (http://fr.wikipedia.org/wiki/Cam%C3%A9ra_thermique)

Une caméra thermique peut être utilisée dans différentes situations. Cette liste n'est donc pas exhaustive :

• Pour les sapeurs-pompiers :
  • recherche de victimes lors de feux d’appartements et surtout dans de grands volumes tels que parkings souterrains, usines, halls de stockage, feu de forêt…
  • recherche de foyer : la caméra thermique permet de détecter très rapidement un foyer ou même un feu couvant
  • feu ou foyer résiduel dans un joint de dilatation suite à un feu de cave dans un immeuble collectif type barre d’habitation,
  • point chaud après extinction d’un feu de cheminée ou de comble,
  • feu électrique : court-circuit, faux-contact entrainant une surchauffe ponctuelle
  • lors du dépotage de wagons ou de citerne, le niveau dans la cuve de certains produits chimiques peut être observé à l'aide de la caméra thermique
  • lors d'une intervention pour un accident de la circulation de nuit en campagne, pour détecter un éventuel corps éjecté hors de la route
  • en sauvetage déblaiement, pour localiser une victime dans un local accessible par une petite ouverture

Les modèles ne sont en général pas antidéflagrants et ne peuvent donc pas être engagées dans les ambiances explosives.

• Pour l'armée et les services de police : pour les opérations de nuit ;
• récemment, des exploitants de salles de cinéma aux États-Unis ont équipé leurs personnels de caméras thermiques afin de détecter les personnes filmant les projections depuis la salle (screening).
• Pour le bâtiment:
  • Détection des points faibles de l'isolation d'un bâtiment.
  • Vérification des températures des canalisations et installations de chauffage, notamment pour le contrôle des planchers chauffants.
  • Vérification des armoires électriques par visualisation des surchauffes des connexions, ou de certains composants.
• Pour les aéroports :
  • Pour vérifier les personnes ayant une fièvre suspecte.
• Dans le domaine médical (ex: Thermographie)

Lieux propices à sa réalisation

un fablab / hackerspace ?

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