树莓派制造低成本交互式显微镜


MAKER: RiksEddy/译:趣无尽 Cherry(转载请注明出处)
我知道这里有很多对生物感兴趣的 Maker 朋友们,本期要向大家推荐一个实用的装备类项目,由树莓派、摄像头、CCTV 镜头和一组 3D 打印支架装配成的交互式显微镜。造价低廉,功能强大,是时候用它来替代传统的小学生实验显微镜了!

来两段测试视频,感受一下实际效果:

材料清单


树莓派 Zero W ×1
树莓派摄像头×1
载玻片×1
盖玻片×1
CCTV 镜头×1
CCTV 镜头锁紧环×1
GPIO 排针×1
SD 卡 8G×1
跳线×若干
剪刀×1
钳子×1
100 欧姆电阻器×若干
LED×1
Micro USB 线×1
焊接套件×1
3D 组件×1
透明胶带×1

3D 打印


在项目文件库中下载 STL_FIles.zip 文件并解压。
https://make.quwj.com/project/146
自行 3D 打印或在某宝找商家打印组件,材料建议使用 ABS、PLA 均可。
3D 打印的部件为:
底部×1
底部和顶部的固定螺丝×8
侧面大托盘×2
相机固定螺丝×2
相机和镜头插座×1
镜头转动组件×1
侧面小托盘×2
结构主体×2

安装树莓派 Zero W

下面提供两种设置树莓派 Zero W 的方法。可根据自己手头的资源自由选择。
1、初学者设置指南。
http://shumeipai.nxez.com/2013/09/07/how-to-install-and-activate-raspberry-pi.html
它将提供全方位的上手步骤,包括硬件和操作系统设置的介绍。
2、无屏幕和键盘配置树莓派 WiFi 和 SSH 的设置指南。
http://shumeipai.nxez.com/2017/09/13/raspberry-pi-network-configuration-before-boot.html
它将提供如何在没有电脑显示器的情况下设置系统。
温馨提示:
设置后,请记下树莓派的主机名,登录用户名和密码,用于远程登录。如果你不修改信息,主机名和登录密码会默认为 raspberrypi,登录用户名会默认为 pi。

安装所需软件

1、使用 Micro-USB 线为树莓派 Zero W 供电。

2、通过 SSH 用电脑远程登录树莓派:
对于 Windows Putty:
第一步:输入 [HOSTNAME].local 作为主机名,点击连接类型——SSH按钮,然后单击打开。
第二步:出现提示后输入你的登录用户名和密码。
对于 Mac 终端:
第一步:在终端 SSH 中输入此命令 [USERNAME]@[HOSTNAME].local。
第二步:出现提示后输入密码。
注意:接下来的步骤大约需要10个小时才能完成,请耐心完成。

3、在 SSH 上的 CLI(命令行界面)中输入以下命令设置 OpenCV:
注意,如果 CLI 跳出提示“是否继续?”,请输入 y。

sudo apt-get install build-essential
sudo apt-get install cmake git libgtk2.0-dev vim pkg-config libavcodec-dev libavformat-dev libswscale-dev
sudo apt-get install python-dev python-numpy python-pip libtbb2 libtbb-dev libjpeg-dev libpng-dev libtiff-dev libjasper-dev libdc1394-22-dev






如图所示,我创建了一个上级目录包括克隆的 opencv 目录,但最终我没有采用,这样可以更简单一些。

git clone https://github.com/opencv/opencv.git
cd opencv/
mkdir build
cd build/
cmake -D CMAKE_BUILD_TYPE=RELEASE -D CMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local -D INSTALL_PYTHON_EXAMPLES=ON ..
make
sudo make install
cd

4、在电脑上下载并解压缩 picroscope.zip 文件夹。
源码文件请在项目文件库中下载。
https://make.quwj.com/project/146
然后,将文件夹上传到树莓派 Zero W:
对于 Windows WinSCP。
第一步:输入 [HOSTNAME].local 作为主机名,在提示后输入登录用户名和密码,选择 SFTP 为文件的协议方式,然后点击登陆。
第二步:在电脑驱动中找程序文件并将文件从左拖到右侧,这就是树莓派 Zero W 的主目录。

对于 Mac 终端。

第一步:单击终端的加号,创建新选项卡或会话。
第二步:输入命令 sftp [USERNAME]@[HOSTNAME].local。
第三步:出现提示后输入密码。
第四步:在电脑上找到文件夹的位置路径,并在终端的 SSH 选项卡中输入命令 pwd ,找出树莓派 Zero W 的主目录路径。复制路径以备使用。
第五步:输入命令 put -r [PATH2FOLDER-Laptop] [PATH2HOME-PiZeroW]

5、输入以下命令,检查 OpenCV 是否有效以及是否可以在 Python 中使用。

cd
python
import cv2

如果显示错误,请使用网络进行问题排查。如果其他方法都行不通,请发帖提问。

如果没有问题,OpenCV 可以正常使用。你可以输入以下命令来关闭 Python CLI。

exit()

输入以下命令关闭树莓派。

sudo shutdown now

断开 USB 线。

组装 3D 组件

3D 打印的组件完成后,在这一步进行组装。
1、CCTV 镜头部分

摄像头和 CCTV 镜头支架(摄像头+镜头支架),镜头和锁紧环。

调整镜头的方向,使较小的镜头朝上。

小心地将镜头穿过镜头支架中的圆孔中。

将锁紧环放置到镜头顶部。

将锁紧环固定到镜头中并小心地将镜头向下拉,直到锁紧环固定到镜头支架的顶部。

2、结构主体部分

底座,两个结构主体和四个固定件。

从底座开始组装。

固定结构主体,将支脚较厚的那一边安装在底座上并固定到位。

镜头、另外四个固定件、摄像头+镜头支架。

将摄像头+镜头支架固定到结构主体的顶部,使镜头朝向底座并固定到位。

安装摄像头

1、摄像头的光学调整。


使用 3D 打印的镜头移除器将镜头从摄像头上移除。

小心地移除摄像头中的热镜玻璃滤光镜,将镜头和玻璃滤光镜收拾好并保持干燥。
2、将摄像头连接到树莓派 Zero W。

摄像头,树莓派 Zero W 和 CSI 线。

打开摄像头的 CSI 端口和树莓派的 CSI 端口。

根据 CSI 端口的大小将 CSI 电缆的两端连接到 CSI 端口。
最后关闭 CSI 端口。

在树莓派上配置摄像头


1、用 Micro-USB 线为树莓派供电,通过 SSH 进入树莓派(参考前面的步骤)。
2、用以下命令启用树莓派上的摄像头接口:
在 CLI 中输入 sudo raspi-config
选择“Interfacing Options”
选择“Camera”
当系统询问是否启用相机时,选择“是”
当要求重启树莓派时,选择“是”
3、再次通过 SSH 进入树莓派。
4、运行命令,下载摄像头和简易服务器的 python 的界面。

sudo pip install picamera
sudo pip install Flask

5、运行以下命令,测试摄像头是否正常工作。

cd picroscope
python LiveStream.py

第一步:打开浏览器并在 URL 栏中输入:[HOSTNAME].local:5000
第二步:你应该可以看到摄像头在直播。由于没有镜头,画面会比较模糊,不用担心。

6、关闭树莓派并断开 Micro-USB 和 CSI 线。

安装硬件

1、焊接排针针脚到树莓派。需要树莓派,焊接套件和 GPIO 排针。
将较短的排针端穿过树莓派的正面。

小心焊接四十个引脚。

2、LED 照明的安装。需要两根母对母跳线,树莓派,一个 100 欧姆电阻和一个 LED。

取下跳线连接器,剥离跳线一端的电线。

将 LED 的短端焊接到跳线上。
将电阻器焊接到 LED 的长端并将电阻器的另一端焊连接到剥离的线上。

如图所示,将连接 LED 短端的跳线连接到树莓派的引脚 6。

使用 Micro-USB 线为树莓派供电。
将另一个跳线连接到树莓派的引脚 2,此时,LED 应该会亮起。
断开连接树莓派和 Micro-USB 线的跳线。

3、最后的安装。需要组装好的 3D 打印组件、摄像头、CSI 电线、摄像头固定件固件等。
将摄像头放在支架顶部并固定到位。

将树莓派安装到位。

将 CSI 电线连接到摄像头和树莓派。

将小或大的滑动托盘嵌入到侧面的缝隙中。

最后,将跳线和 LED 连接到树莓派。将 LED 放在底座的排座上。

测试

1、用 Micro-USB 线为树莓派供电。通过 SSH 进入树莓派。


2、在显微镜载玻片上放置一个非常小的物体,例如一根头发等。
3、将一块胶带放在物体上并使其固定在载玻片上(这有助于聚焦)。
4、将显微镜载玻片滑过托盘。
5、运行以下命令测试简易显微镜是否正常工作。

cd picroscope
python LiveStream.py

顺时针或逆时针小心地转动镜头来调整焦距。
现在你可以看到发丝的图像了。

是不是一台很有意思的装备呢?你可以使用这台显微镜来研究其他的东西。

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