【工业树莓派 CM0 NANO 单板计算机】MLX90640 热成像仪

本文介绍了工业树莓派 CM0 NANO 单板计算机结合 MLX90640 热成像传感器模块，实现环境热成像显示的热成像仪项目设计，包括模块设计、硬件连接、环境搭建、通信测试、图像显示和优化等流程。

项目介绍

MLX90640 是一款高分辨率红外热成像阵列传感器，可与 Raspberry Pi 配合使用，实现实时温度可视化。

MLX90640 通过 Python 脚本读取数据并显示热图，调整刷新率和插值优化图像。

MLX90640 可广泛应用于人体检测、安防监控、工业设备温度监控、智能楼宇温控等场景。

硬件连接：使用杜邦线将 MLX90640 模块连接至树莓派 CM0 NANO 的 IIC 接口；
环境搭建：创建虚拟环境，安装所需软件包；
通信测试：测试硬件连接、设备 IIC 地址、热成像数据打印；
图像显示：使用 python 编程和 matplotlib 库函数显示实时图像；
平滑优化：结合 matplotlib 库函数实现数据平滑处理以提升显示效果。

模块设计

为了便于设备连接，设计基于 MLX90640 传感器和 IIC 通信协议的 PCB 模块。

3D 渲染图

原理图

实物图

详见：MLX90640热成像传感器 - 立创开源硬件平台 .

硬件连接

使用 Type-C 数据线实现设备供电；
连接 WiFi 实现网络通信和数据交换；
使用杜邦线连接 MLX90640 模块和 CM0 NANO 开发板，接线方式如下

MLX90640	RaspberryPi CM0	Note
SDA	SDA (Pin3)	Serial Data
SCL	SCL (Pin5)	Serial Clock
GND	GND	Ground
VIN	3V3	Power

实物图

环境搭建

创建并激活虚拟环境

bash 复制代码

python -m venv .venv
source .venv/bin/activate

安装所需软件包

bash 复制代码

pip install numpy
pip install matplotlib
pip install RPi.GPIO adafruit-blinka
pip install adafruit-circuitpython-mlx90640

连接测试

终端执行指令

bash 复制代码

sudo i2cdetect -y 1

显示 iic 设备地址为 0x33 对应设备为 MLX90640

通信测试

终端执行 mlx90640_print_temp.py 新建文件，并添加如下代码

python 复制代码

import time
import board
import busio
import numpy as np
import adafruit_mlx90640

def main():
    # Setup I2C connection
    i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA, frequency=400000)
    mlx = adafruit_mlx90640.MLX90640(i2c)
    mlx.refresh_rate = adafruit_mlx90640.RefreshRate.REFRESH_2_HZ

    frame = np.zeros((24 * 32,))  # Initialize the array for all 768 temperature readings

    while True:
        try:
            mlx.getFrame(frame)  # Capture frame from MLX90640
            average_temp_c = np.mean(frame)
            average_temp_f = (average_temp_c * 9.0 / 5.0) + 32.0
            print(f"Average MLX90640 Temperature: {average_temp_c:.1f}C ({average_temp_f:.1f}F)")
            time.sleep(0.5)  # Adjust this value based on how frequently you want updates

        except ValueError as e:
            print(f"Failed to read temperature, retrying. Error: {str(e)}")
            time.sleep(0.5)  # Wait a bit before retrying to avoid flooding with requests
        except KeyboardInterrupt:
            print("Exiting...")
            break
        except Exception as e:
            print(f"An unexpected error occurred: {str(e)}")

if __name__ == "__main__":
    main()

保存代码。

效果

终端执行指令 python mlx90640_print.py 运行代码；

终端打印传感器采集画面的平均温度；手掌靠近传感器，温度上升至体温。

若报错则执行下列指令，以定义开发板型号

bash 复制代码

export BLINKA_FORCEBOARD=RASPBERRY_PI_ZERO_2_W
export BLINKA_FORCECHIP=BCM2XXX

图像显示

终端执行 touch mlx90640_plt.py 新建文件，添加如下代码

python 复制代码

import time
import board
import busio
import numpy as np
import adafruit_mlx90640
import matplotlib.pyplot as plt

i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)
mlx = adafruit_mlx90640.MLX90640(i2c)
mlx.refresh_rate = adafruit_mlx90640.RefreshRate.REFRESH_4_HZ  # Set to a feasible refresh rate

plt.ion()
fig, ax = plt.subplots(figsize=(12, 7))
therm1 = ax.imshow(np.zeros((24, 32)), vmin=0, vmax=60)
cbar = fig.colorbar(therm1)
cbar.set_label(r'Temperature [$^{\circ}$C]', fontsize=14)

frame = np.zeros((24*32,))
t_array = []
max_retries = 5

while True:
    t1 = time.monotonic()
    retry_count = 0
    while retry_count < max_retries:
        try:
            mlx.getFrame(frame)
            data_array = np.reshape(frame, (24, 32))
            therm1.set_data(np.fliplr(data_array))
            therm1.set_clim(vmin=np.min(data_array), vmax=np.max(data_array))
            fig.canvas.draw()  # Redraw the figure to update the plot and colorbar
            fig.canvas.flush_events()
            plt.pause(0.001)
            t_array.append(time.monotonic() - t1)
            print('Sample Rate: {0:2.1f}fps'.format(len(t_array)/np.sum(t_array)))
            break
        except ValueError:
            retry_count += 1
        except RuntimeError as e:
            retry_count += 1
            if retry_count >= max_retries:
                print(f"Failed after {max_retries} retries with error: {e}")
                break

保存代码。

效果

终端执行指令 python mlx90640_plt.py 运行代码；
弹窗显示 matplotlib 伪彩图，调整摄像头位置，采集热成像动态画面；

图像优化

为了优化画面显示效果，使用 Matplotlib 内置函数对数据进行平滑处理。

终端执行 touch mlx90640_plt_smooth.py 新建文件，添加如下代码

python 复制代码

import time
import board
import busio
import numpy as np
import adafruit_mlx90640
import matplotlib.pyplot as plt

def initialize_sensor():
    i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)
    mlx = adafruit_mlx90640.MLX90640(i2c)
    mlx.refresh_rate = adafruit_mlx90640.RefreshRate.REFRESH_4_HZ
    return mlx

def setup_plot():
    plt.ion()
    fig, ax = plt.subplots(figsize=(12, 7))
    therm1 = ax.imshow(np.zeros((24, 32)), vmin=0, vmax=60, cmap='inferno', interpolation='bilinear')
    cbar = fig.colorbar(therm1)
    cbar.set_label(r'Temperature [°C]', fontsize=14)
    plt.title('Thermal Image')
    return fig, ax, therm1

def update_display(fig, ax, therm1, data_array):
    therm1.set_data(np.fliplr(data_array))
    therm1.set_clim(vmin=np.min(data_array), vmax=np.max(data_array))
    ax.draw_artist(ax.patch)
    ax.draw_artist(therm1)
    fig.canvas.draw()
    fig.canvas.flush_events()

def main():
    mlx = initialize_sensor()
    fig, ax, therm1 = setup_plot()
    
    frame = np.zeros((24*32,))
    t_array = []
    max_retries = 5

    while True:
        t1 = time.monotonic()
        retry_count = 0
        while retry_count < max_retries:
            try:
                mlx.getFrame(frame)
                data_array = np.reshape(frame, (24, 32))
                update_display(fig, ax, therm1, data_array)
                plt.pause(0.001)
                t_array.append(time.monotonic() - t1)
                print('Sample Rate: {0:2.1f}fps'.format(len(t_array) / np.sum(t_array)))
                break
            except ValueError:
                retry_count += 1
            except RuntimeError as e:
                retry_count += 1
                if retry_count >= max_retries:
                    print(f"Failed after {max_retries} retries with error: {e}")
                    break

if __name__ == '__main__':
    main()

保存代码。

效果

终端执行指令 python mlx90640_plt_smooth.py 运行代码

画面清晰度相较于平滑处理前有较大提升。

总结

本文介绍了工业树莓派 CM0 NANO 单板计算机结合 MLX90640 热成像模块，实现环境红外热成像显示的热成像仪项目设计，包括模块设计、硬件连接、环境搭建、通信测试、图像显示和优化等流程，为相关产品的快速开发和应用设计提供了参考。