TERMICZNA MATRYCA ODCZYTOWA DLA NIEWIDOMYCH

Transkrypt

1 AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. Stanisława Staszica w Krakowie WYDZIAŁ INFORMATYKI, ELEKTRONIKI I TELEKOMUNIKACJI KRZYSZTOF BOROŃ TERMICZNA MATRYCA ODCZYTOWA DLA NIEWIDOMYCH PRACA DOKTORSKA Praca została sfinansowana w ramach projektu badawczego nr R przez Komitet Badań Naukowych PROMOTOR: Prof. dr hab. inż. Andrzej Kos KRAKÓW, 2012

2 Podziękowania Pragnę podziękować prof. Andrzejowi Kosowi za okazaną pomoc, zapewnienie doskonałych warunków pracy i prowadzenia badań, cenne uwagi oraz sugestie, wreszcie za cierpliwość w oczekiwaniu na końcowy rezultat rozprawy doktorskiej. Dziękuję też za wyrozumiałość, życzliwość i zaangażowanie okazane mi podczas kilkuletniej opieki naukowej. Pani Izabeli Kaiser oraz uczniom i nauczycielom ze Specjalnego Ośrodka Szkolno- Wychowawczego dla Dzieci Niewidomych i Słabowidzących w Krakowie składam gorące podziękowania za poświęcony czas, wnioski i pomoc w przygotowaniu i przeprowadzeniu ćwiczeń z użyciem termicznej protezy dla niewidomych. Chciałbym podziękować też dr. inż. Zbigniewowi Magońskiemu oraz dr inż. Barbarze Dziurdzi za sugestie i pomoc w zakresie technologii grubowarstwowej. Pracę doktorską dedykuję mojej żonie Annie której składam serdecznie podziękowania za pomoc i motywację do pisania niniejszej rozprawy. 1

3 Spis treści Spis treści Wykaz używanych skrótów i oznaczeń... 4 Rozdział 1 Wprowadzenie... 8 Geneza pracy... 8 Cel pracy Teza pracy Układ pracy Rozdział 2 Zjawiska termiczne i termoelektryczne Zjawisko Joule a Przewodzenie ciepła Zjawisko Seebecka Zjawisko Peltiera Zjawisko Thomsona Rozdział 3 Model termiczny wybranych części dłoni oraz termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych Rezystancja termiczna mikromodułu Peltiera Pojemność cieplna mikromodułu Peltiera Rezystancja termiczna fragmentu skóry palca Pojemność cieplna fragmentu skóry palca Pomiary parametrów termicznych różnych fragmentów skóry dłoni Rozdział 4 Budowa ekranu dotykowego Pierwsze znaki cieplne

4 Spis treści Pierwszy ekran dotykowy Automatyczna regulacja temperatury Zasilanie mikromodułów Peltiera Realizacja fizyczna matrycy na podłożu alundowym Dynamiczne sterowanie Przesterowanie Budowa termicznej protezy dla niewidomych Płytki obwodów drukowanych oraz schematy Interfejs programu komputerowego Rozdział 5 Przeprowadzenie ćwiczeń z udziałem osób niewidomych Metoda przeprowadzenia ćwiczeń Metoda przeprowadzenia ćwiczeń z udziałem osób niewidomych Technika wykonywania ćwiczeń Wyniki z ćwiczeń w rozpoznawaniu grafiki termicznej Wnioski z przeprowadzonych ćwiczeń Rozdział 6 Podsumowanie Bibliografia

5 Wykaz używanych skrótów i oznaczeń Wykaz używanych skrótów i oznaczeń Definicje: Osoba prawnie niewidoma PCB MCPCB TEC MEMS LSB osoba, która nie widzi całkowicie lub której pole widzenia jest mniejsze od 10 stopni płytka obwodów drukowanych płytka obwodów drukowanych wykonanych na metalowym podłożu (ang. Metal Core Printed Circuit Boards) termoelektryczny element chłodzący moduł Peltiera system mikro elektro mechaniczny (ang. Micro Electro Mechanical System) bit o najmniejszej wadze (ang. Least Significant Bit) mikromoduł Peltiera mikropompa Peltiera mikropompa ciepła TEC Symbol: Opis: Jednostka: A pierwszy materiał z którego wykonano złącze termoelektryczne... [-] B drugi materiał z którego wykonano złącze termoelektryczne... [-] C.O.P. współczynnik wydajności chłodniczej (ang. Coefficient Of Performance)... [-] C th pojemność cieplna... [J/K] C th_f pojemność cieplna fragmentu skóry palca... [J/K] C th_p pojemność cieplna mikromodułu Peltiera... [J/K] I natężenie prądu... [A] I P natężenie prądu przepływającego przez mikromoduł Peltiera... [A] 4

6 Wykaz używanych skrótów i oznaczeń P F_J moc cieplna wynikająca z prawa Joule a wydzielana na dotkniętym mikromodule Peltiera... [W] P J moc cieplna wynikająca z prawa Joule a... [W] Q ciepło... [J] Q cold ciepło wypompowane ze strony chłodzonej TEC... [J] Q P ciepło zmagazynowane w C th_p... [J] R rezystancja... [ ] R 2 współczynnik determinacji... [-] R th rezystancja termiczna... [K/W] R th_f rezystancja termiczna fragmentu skóry palca... [K/W] R th_p rezystancja termiczna mikromodułu Peltiera... [K/W] S A współczynnik Seebecka materiału A złącza termoelektrycznego... [V/K] S B współczynnik Seebecka materiału B złącza termoelektrycznego... [V/K] t czas... [s] T A temperatura otoczenia... [K] T F temperatura skóry palca... [K] T P temperatura górnej powierzchni mikromodułu Peltiera... [K] T S temperatura symulowana na podstawie modelu termicznego... [K] U α napięcie Seebecka... [V] ΔI P zmiana natężenia prądu I P... [A] ΔQ P+F zmiana energii cieplnej zmagazynowanej w C th_p i C th_f... [J] ΔT różnica temperatur między dwoma ciałami (punktami pomiarowymi)... [K] ΔT OH przyrost temperatury podczas chwilowego przegrzania... [K] T P różnica temperatur między dwoma stronami modułu Peltiera... [K] współczynnik Seebecka dla określonego złącza... [V/K] 5

7 Wykaz używanych skrótów i oznaczeń strumień ciepła... [W] F_P strumień ciepła wywołany efektem Peltiera w dotkniętym mikromodule... [W] F_P-H strumień ciepła przepływający z radiatora do górnej, dotykanej części mikromodułu Peltiera... [W] P-H strumień ciepła przepływający z radiatora do górnej niedotykanej powierzchni mikromodułu Peltiera... [W] C_F strumień ciepła wpływającego do pojemności cieplnej palca C th_f... [W] C_P strumień ciepła wpływającego do pojemności cieplnej C th_p... [W] H-P strumień ciepła przepływający z górnej ciepłej strony przez rezystancję termiczną do dolnej zimnej strony mikromodułu Peltiera.... [W] P strumień ciepła wywołany efektem Peltiera... [W] n przewodność termiczna właściwa dla Bi 2 Te 3 typu n... [W/(m K)] p przewodność termiczna właściwa dla Bi 2 Te 3 typu p... [W/(m K)] П AB współczynnik Peltiera dla złącza zbudowanego z materiałów A i B... [V] n - rezystancja elektryczna właściwa dla Bi 2 Te 3 typu n... [ /m] p - rezystancja elektryczna właściwa dla Bi 2 Te 3 typu p... [ /m] τ P stała czasowa układu C th_p i R th_p... [s] 6

8 "Może słowa potrzebują ciepła, gdy się rodzą od nowa Wiesław Myśliwski 7

9 Rozdział 1 Rozdział 1 Wprowadzenie W pierwszym rozdziale autor rozprawy opisał sposoby rozpoznawania tekstu oraz grafiki przez osoby niewidome. O ile czytanie tekstu jest zagadnieniem dobrze opracowanym i powszechnie stosowanym przez niewidomych, to przygotowanie grafiki a zwłaszcza obrazów zmienianych dynamicznie, wciąż nie jest rozwinięte w sposób umożliwiający powszechne zastosowanie i wymaga dalszych badań. W dalszej części rozdziału zawarto tezy rozprawy, cel pracy doktorskiej z podziałem na cele szczegółowe oraz opisano układ pracy. Geneza pracy 1 Statystycznie na świecie żyje około 39 milionów osób prawnie niewidomych, stanowi to około 0,6 % populacji [1]. Polski związek niewidomych zrzesza ponad 65 tysięcy członków. Pomimo, że jest to bardzo liczna grupa, trudno spotkać te osoby w przestrzeni publicznej, ponieważ większość z nich nie opuszcza swojego miejsca zamieszkania. Osoby niewidome korzystają z wielu urządzeń wspomagających codzienne życie, w tym naukę i zdobywanie informacji. Najbardziej znanymi atrybutami osób niewidomych są biała laska oraz alfabet Braille'a. Osoby prawnie niewidome kształcące się z wykorzystaniem pisma brajlowskiego znacznie lepiej radzą sobie na rynku zawodowym niż osoby niewidome, które podczas edukacji korzystały tylko z tekstu czarnodrukowego. W stanie Waszyngton w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej odkryto, że wśród osób, które używały pisma Braille'a w czasie edukacji około 44 procent jest bezrobotnych, natomiast wśród osób niewidomych, które nie używały pisma Braille'a w czasie edukacji aż 77 procent pozostaje bezrobotnych [2]. Dowodzi to potrzebie edukacji osób niewidomych. Obecnie większość dzieci niewidomych uczy się pisma wypukłego, jednakże tylko około 10 % z nich korzysta z niego, jako sposobu pozyskiwania informacji [3]. Jest to związane z dwoma czynnikami. Po pierwsze dostęp do czasopism i książek drukowanych brajlem jest bardzo ograniczony. W Polsce wydawanych jest tylko sześć 8

10 Rozdział 1 czasopism w wersji brajlowskiej. Książki wprawdzie są dostępne, jednak są znacznie droższe od czarnodrukowych, a biblioteki dla niewidomych znajdują się tylko w dużych miastach. Drugim powodem dla którego niewidomi odchodzą od pisma wypukłego jest rozwój elektroniki. Wraz z rozwojem komputerów, Internetu, monitorów brajlowskich, programów udźwiękawiających oraz programów syntezy mowy osoby niewidome zyskały ogromną bazę danych, z której mogą łatwo korzystać. Większość programów komputerowych oraz stron internetowych może być odczytana przez programy syntezy mowy [4] [5] [6] oraz programy udźwiękawiające. Program udźwiękawiający (ang. screen-reader) [7] [8] [9] [10] przygotowuje informacje opisujące środowisko pracy i treść dokumentu, które następnie są przekazywane do syntezatora mowy i/lub monitora brajlowskiego. Monitor brajlowski [11] [12] umożliwia wprowadzenie tekstu do komputera za pomocą klawiatury brajlowskiej oraz odczytanie tekstu na wbudowanej piezoelektrycznej linijce brajlowskiej. Osoby niewidome często wprowadzają tekst do komputera używając zwykłej klawiatury. Do korekty tekstu używają najczęściej linijek brajlowskich generujących znaki Braille'a za pomocą ruchomych igieł. Powyższe sprawdzone rozwiązania ułatwiają osobom niewidomym komunikację, uczenie, rozwijanie pasji oraz umożliwiają wkraczanie w nowe zawody do niedawna zamknięte dla niewidomych. Odczytanie grafiki przez osoby niewidome możliwe jest za pomocą drukowanych punktów wypukłych tak samo jak w piśmie Braille'a. Innym sposobem jest użycie papieru mikrokapsułkowego, który pęcznieje pod wpływem ciepła w urządzeniu podobnym do kserokopiarki. W ośrodkach nauczania osób niewidomych dostępne są specjalne makiety przedstawiające obrazy, mapy, budowle lub inne przedmioty wykonane za pomocą wyklejanek, odlewów, rzeźb lub kartonowych modeli [13]. Wszystkie te sposoby wymagają ogromnego nakładu pracy i wcześniejszego przygotowania. Odczytywanie przez osoby niewidome informacji zmienianych dynamicznie jest zagadnieniem popularnym w literaturze światowej. Zaprezentowane zostały sposoby wyświetlania pisma Braille'a lub informacji graficznych z użyciem elementów elektromechanicznych [14] w których solenoid powoduje wysunięcie tępej igły ponad powierzchnię urządzenia. Do nowoczesnych sposobów generowania punktów wypukłych można zaliczyć wykorzystanie elektroaktywnych polimerów [15] [16] wyginających się pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego, materiałów piezoelektrycznych [17], układów pneumatycznych [18], termopneumatycznych [19], a nawet systemów MEMS [20]. Ze wszystkich wymienionych w powszechnym użytku są tylko materiały piezoelektryczne wykorzystywane w monitorach brajlowskich oraz w urządzeniu Optacon opracowanym przez 9

11 Rozdział 1 współpracujące firmy Canon Inc. oraz Telesensory [21]. Urządzenie Optacon przekazuje obraz z niewielkiej kamery na ekran dotykowy zawierający 144 drgające, tępo zakończone igły. Producent sprzedał około piętnastu tysięcy sztuk po czym w 1996 roku wycofał się z produkcji tego urządzenia skupiając się na bardziej rokujących skanerach z optycznym rozpoznawaniem tekstu. Obecnie główną rolę w świecie Internetu pełni przekaz wizualny. Grafika umożliwia szybsze i łatwiejsze przekazanie informacji osobom, które mogą ją zobaczyć. Jeżeli obraz na stronie internetowej został opisany to syntezator mowy może ten opis przeczytać i w ten sposób przekazać czytającemu. Niestety najczęściej grafika internetowa jest zupełnie nieprzygotowana dla niewidomych użytkowników. Do niedawna nie było na rynku urządzeń umożliwiających przedstawienie grafiki bezpośrednio z komputera. Dopiero w 2003 roku firma KGS Corporation wprowadziła do sprzedaży na rynek USA, a na rynek światowy w 2008 roku, produkt Dot View o rozdzielczości 24 x 36 pikseli umożliwiający przedstawienie grafiki za pomocą wypukłych tempo zakończonych igieł [22]. W dniu dzisiejszym na polskim rynku produkty te oferuje firma Altix w cenie odpowiednio PLN za urządzenie o rozdzielczości 24 x 36 pikseli i PLN za urządzenie Dot View 2 o rozdzielczości 48 x 36 pikseli [23]. Ostatnio pojawiła się informacja o urządzeniu dla osób niewidomych które przekazuje informacje z video kamery do protezy trzymanej na języku, która na matrycy elektrod generuje impulsy elektryczne [24] wyświetlając w ten sposób kontury obrazu. Pierwsza idea generowania znaków termicznych umożliwiających przekazanie informacji osobom niewidomym polegała na kontrolowanym generowaniu ciepła w matrycy rezystorów lub diod świecących w zakresie podczerwieni w celu otrzymania pojedynczych znaków termicznych [25]. Eksperymenty pokazały możliwość rozpoznawania ciepłych punktów, jednakże rozwiązania te miały wspólną wadę bardzo długi czas oczekiwania na schłodzenie panelu dotykowego po wygenerowaniu znaku cieplnego. Patent własny promotora niniejszej rozprawy z użyciem mikromodułów Peltiera w termicznym ekranie dotykowym polega na umieszczeniu mikromodułów Peltiera na wspólnym radiatorze - rys. 1. i generowaniu ciepłych lub zimnych znaków [26]. 10

12 Rozdział 1 Rys. 1. Idea generowania znaków cieplnych Moduł Peltiera potrzebuje mniej energii elektrycznej niż rezystor lub dioda pracująca w zakresie podczerwieni aby utrzymać zadaną temperaturę punktów ciepłych [27]. Cel pracy Celem pracy jest wykonanie termicznego ekranu dotykowego przeznaczonego dla niewidomych, za pomocą którego osoba niewidoma poprzez dotykanie punktów o zadanej temperaturze może poczuć ciepłe lub zimne znaki i rozpoznać prezentowaną grafikę lub tekst. Urządzenie bazuje na innowacyjnym wykorzystaniu mikromodułów Peltiera jako punktów dotykowych. Zmiana temperatury każdego punktu powinna być jak najszybsza aby umożliwić szybką zmianę treści. Zakres temperatur każdego punktu dotykowego musi mieścić się w bezpiecznych granicach. Przewidziano wykonanie kilku wersji urządzenia, testowanie ich przez autora rozprawy oraz osoby niewidome. Po wykonaniu ostatniego prototypu przygotowano ćwiczenia mające na celu naukę rozpoznawania treści generowanych termicznie. Przeprowadzenie serii ćwiczeń z udziałem osób niewidomych i ich nauczyciela pozwoliło na przeprowadzenie analizy czasu potrzebnego do poprawnego odczytu oraz sprawdzenia rozpoznawalności generowanych kształtów. Wykonanie modelu termicznego umożliwia dobranie właściwego modułu Peltiera do parametrów termicznych skóry człowieka tak, aby zapewnić dopasowanie termiczne i zmniejszyć zużycie energii. Dla osiągnięcia głównego celu postawiono następujące cele szczegółowe: 11

13 Rozdział 1 Wybór modułu Peltiera pracującego jako odwracalne źródło ciepła. Analiza możliwości sterowania miniaturowym modułem Peltiera za pomocą niewielkich gabarytowo układów w taki sposób, aby zminimalizować energię zużytą w układzie sterowania, a jednocześnie umożliwić budowę dużego ekranu dotykowego. Wykonanie kilku wersji urządzenia w celu sprawdzenia metody generowania znaków. Przeprowadzenie testów z osobami niewidomymi. Wprowadzanie ulepszeń na podstawie opinii testujących. Wykonanie urządzenia wyświetlającego obrazy graficzne. Przygotowanie oprogramowania umożliwiającego osobie niewidomej oraz jej nauczycielowi pracę z urządzeniem. Przygotowanie oraz przeprowadzenie testów przez jak największą grupę osób niewidomych. Sprawdzenie poprawności odczytu oraz pomiar czasu potrzebnego do rozpoznania znaków graficznych. Wykonanie modelu opisującego układ punkt cieplny skóra człowieka odwzorowującego zjawiska fizyczne mające wpływ na rozpoznawanie znaków. Teza pracy Zastosowanie odwracalnych źródeł ciepła w termicznej matrycy odczytowej dla niewidomych polepsza postrzeganie znaków i symboli graficznych, a także przyczynia się do oszczędności energii zasilania. Układ pracy Podczas opracowywania termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych wykorzystano wiedzę z kilku obszarów nauki, łącząc je aby skonstruować jedno nowe urządzenie - rys. 2. Z obszaru nauk fizycznych wykorzystano zjawisko Peltiera do wygenerowania punktów cieplnych o ustawionej temperaturze. Sam moduł Peltiera wraz z efektem Seebecka występującym w TEC innowacyjnie wykorzystano do pomiaru temperatury punków 12

14 Rozdział 1 dotykanych. Wykonany model termiczny umożliwia przeprowadzenie symulacji zmian temperatury mikromodułu Peltiera oraz pomiar wartości współczynników termicznych skóry człowieka. W ramach elektroniki systemowej zaprojektowano, wykonano oraz zaprogramowano kilka prototypów urządzenia. Wybrano sposób zasilania mikromodułów Peltiera tak, aby umożliwić pomiar napięcia Seebecka oraz zminimalizować straty energii. Wykorzystanie napięcia Seebecka pozwoliło na regulację temperatury w pętli sprzężenia zwrotnego oraz na znaczne przyspieszenie zmian temperatury każdego punktu cieplnego. Wykorzystanie technologii grubowarstwowej pozwoliło na wykonanie płytek obwodów drukowanych na podłożu alundowym będącym dobrym przewodnikiem ciepła. Z zakresu informatyki wykorzystano dwa języki programowania: C++ w narzędziu Microsoft Visual Studio 2005, język Basic przystosowany do mikrokontrolerów rodziny AVR firmy Atmel program Bascom oraz program AVR Studio wykorzystywany przy debugowaniu programu. Końcowe urządzenie zawiera kilkadziesiąt mikrokontrolerów zaprogramowanych tak, aby każdy punkt cieplny był utrzymywany w zadanej temperaturze. Termiczny ekran dotykowy komunikuje się z komputerem PC wymieniając dane na temat ustawionej oraz rzeczywistej temperatury każdego punktu dotykowego. Interfejs programu komputerowego wykonano w taki sposób, aby umożliwić przeprowadzenie ćwiczeń z udziałem niewidomych. Do przeprowadzenia ćwiczeń wykorzystano wiedzę dydaktyczną o orientacji przestrzennej. Wybór kształtów zadanych osobom niewidomym do rozpoznania jest zgodny ze sposobami nauczania rozpoznawania kształtów wypukłych. Wszystkie ćwiczenia wykonane przez niewidomych odbywały się z udziałem ich nauczycieli i/lub opiekunów. Testy przeprowadzane przez niewidomych na kolejnych wersjach urządzenia miały wpływ na udoskonalenia i końcowy kształt termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych. 13

15 Rozdział 1 Rys. 2. Schemat działania termicznego ekranu dotykowego z uwzględnieniem różnych dziedzin nauki zastosowanych w urządzeniu. Praca zawiera sześć rozdziałów. Niniejszy rozdział pierwszy jest wprowadzeniem do rozprawy. W rozdziale drugim przedstawiono opis zjawisk termicznych i termoelektrycznych mających wpływ na pracę termicznej protezy dla niewidomych. W rozdziale trzecim znajduje się model termicznej protezy dla niewidomych. Z uwagi na charakter pracy urządzenia skupiono się na modelowaniu termicznym. W rozdziale czwartym opisano projekt, budowę oraz działanie termicznej protezy dla niewidomych. W rozdziale piątym zawarto wyniki z przeprowadzonych ćwiczeń z udziałem osób niewidomych, analizę statystyczną oraz sugestie osób testujących urządzenie. W rozdziale szóstym dokonano podsumowania rozprawy oraz przedstawiono wypływające z niej wnioski. W bibliografii zawarto cytowane artykuły oraz patent dotyczący urządzenia. 14

16 Rozdział 2 Rozdział 2 Zjawiska termiczne i termoelektryczne 2 W rozdziale opisano zjawiska termiczne i termoelektryczne mające wpływ na pracę układu. Podstawowymi zjawiskami termicznymi występującymi w każdym układzie jest zjawisko Joule a oraz przewodzenie ciepła między ciałami charakteryzującymi się rezystancją termiczną i pojemnością cieplną. Ze względu na opisywany układ: radiator moduł Peltiera skóra człowieka, zakres temperatur oraz małe rozmiary mikromodułów Peltiera, konwekcja i radiacja zostały pominięte. Zastosowanie układu Peltiera wymaga przytoczenia zjawisk termoelektrycznych, które opisują wzajemną konwersję napięcia elektrycznego między dwoma punktami metali lub półprzewodników na różnicę temperatur między tymi punktami. Zjawiska termoelektryczne zachodzą pod warunkiem, że przewodniki lub półprzewodniki różnią się gęstością nośników prądu, która zależy od materiału i temperatury [28] [29] [30]. Jeżeli materiały A i B złącza termoelektrycznego charakteryzują się różną koncentracją nośników prądu to na złączu występuje napięcie zwane napięciem termoelektrycznym. Gdy złącza dwóch przewodników lub półprzewodników znajdują się w tej samej temperaturze to napięcia termoelektryczne na obu złączach równoważą się i nie występuje przepływ prądu. Przepływ prądu w obwodzie zachodzi na skutek różnicy napięć termoelektrycznych pomiędzy złączami pod dwoma warunkami. Pierwszym warunkiem jest, że dwa złącza muszą znajdować się w różnych temperaturach. Drugi warunek polega na tym, że współczynniki Seebecka S A oraz S B dla materiałów z których wykonano złącze muszą być od siebie różne i różne od zera. Efekty termoelektryczne są wykorzystywane do generowania energii elektrycznej, pomiaru temperatury a także w układach chłodzących lub stabilizujących temperaturę. Zjawisko Thomsona występujące na ścieżkach obwodów drukowanych czy wewnątrz modułów Peltiera zostało opisane, jednak ze względu na jego małe znaczenie w przypadku płytek PCB oraz uwzględnienie zjawiska Thomsona w algorytmie programu symulującego moduły Peltiera [31] za pomocą którego wykonano model termiczny nie jest ono uwzględniane w dalszych obliczeniach. 15

17 Rozdział 2 Zjawisko Joule a Zjawisko Joule a polega na wydzielaniu ciepła przy przepływie prądu elektrycznego przez materiał o niezerowej rezystancji. Zgodnie z prawem Joule a ilość ciepła wytworzonego przez prąd elektryczny o natężeniu I przepływający przez ciało o rezystancji R w czasie τ wytworzy ciepło Q zgodnie ze wzorem: (2.1) lub ogólnie: ( ) (2.2) Przewodzenie ciepła Przewodzenie ciepła pomiędzy ciałami fizycznymi będącymi w różnych temperaturach oraz przez ciało fizyczne na którym występuje gradient temperatury polega na przekazywaniu energii kinetycznej między cząsteczkami będącymi w nieuporządkowanym ruchu w wyniku zderzeń tych cząstek. Efektem przewodnictwa cieplnego jest przekazanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Przewodzenie ciepła można opisać w warunkach laboratoryjnych równaniem różniczkowym Fouriera zgodnie z prawem Fouriera [32] [33]. Ze względu na skomplikowanie oraz geometryczną budowę układu składającego się z wielu materiałów: radiator mikromoduł Peltiera skóra człowieka dość trudnym jest obliczenie poprawnych wartości strumieni ciepła. Autor rozprawy nie dotarł do źródeł opisujących wartości współczynników przewodzenia ciepła dla małej powierzchni skóry palca, mikromodułu Peltiera oraz ich kontaktu. W celu empirycznego przybliżenia ilości energii potrzebnej do utrzymania temperatury punktu cieplnego, zmiany temperatury tego punktu a następnie opracowania wystarczająco wiernego modelu termicznego można wykorzystać rezystancję termiczną i pojemność cieplną. (2.3) 16

18 Rozdział 2 Gdzie to strumień ciepła przepływający przez rezystancję termiczną R th ciała fizycznego z miejsca o temperaturze T 1 do miejsca o temperaturze T 2. Pojemność cieplna C th charakteryzuje ciało fizyczne i określa ilość ciepła ΔQ potrzebną do zmiany temperatury tego ciała o ΔT. (2.4) Zjawisko Seebecka Zjawisko Seebecka [34] jest bezpośrednią przemianą gradientu temperatury w energię elektryczną. Zostało wstępnie opisane przez Thomasa Johanna Seebecka w 1821 roku, który zauważył odchylanie igły kompasu umieszczonego przy zamkniętej pętli obwodu elektrycznego wykonanego z przewodów dwóch metali, gdzie miejsca styku metali umieszczono w różnych temperaturach. Igła kompasu odchyliła się, ponieważ metale zareagowały inaczej na różnicę temperatur wywołując przepływ prądu w pętli. Efektem przepływu prądu było wytworzone pole magnetyczne. Ponieważ Thomas Johann Seebeck zajmował się głównie magnetyzmem a nie elektrycznością, zjawisko zostało nazwane przez Seebecka efektem termomagnetycznym. Zjawisko zostało ponownie opisane przez duńskiego fizyka Hansa Christiana Ørsteda, który utworzył termin termoelektryczność. Wytworzone napięcie, zwane napięciem Seebecka U α, można opisać jako różnicę współczynników Seebecka S B i S A odpowiednich dla zastosowanych metali lub półprzewodników pomnożonych przez różnicę temperatur w których znajdują się złącza. ( ) ( ) (2.5) Wyrażenie (2.5) jest prawdziwe przy uproszczeniu, że współczynniki Seebecka S A oraz S B są stabilne w zastosowanym zakresie temperatur. W rzeczywistości współczynniki Seebecka są zależne od temperatury i do przeprowadzania obliczeń wykorzystuje się dane empiryczne z tablicami współczynników. Zjawisko Seebecka znajduje powszechne zastosowanie w termoparach do pomiaru temperatury. Napięcie wywołane przez pojedynczą termoparę zwykle jest rzędu dziesiątek µv/k dla metali oraz setek µv/k dla półprzewodników. W celu zwiększenia napięcia wyjściowego stosuje się stosy termoelektryczne czyli termopary połączone elektrycznie szeregowo a termicznie równolegle. Moduł Peltiera ma budowę tożsamą ze stosem 17

19 Rozdział 2 termoelektrycznym i może być wykorzystywany do pomiaru różnicy temperatur. Dla określonego złącza lub stosu termoelektrycznego stosuje się wyrażenie: (2.6) Gdzie jest współczynnikiem Seebecka dla stosu termoelektrycznego zbudowanego z określonych złącz. 18

20 Rozdział 2 Zjawisko Peltiera Efekt Peltiera jest zjawiskiem odwrotnym do zjawiska Seebecka i opisuje transport ciepła na złączach dwóch metali lub półprzewodników przez które przepływa prąd elektryczny. Prąd przepływający przez złącze złożone z materiałów A i B z rys. 3., powoduje generowanie ciepła w jednym złączu a pochłaniane w drugim [35] [36]. Rys. 3. Schemat działania modułu Peltiera wykonanego z kostek wykonanych z domieszkowanego tellurku bizmutu typu N oraz P przylutowanych do płytki miedzianej Teoretycznie w górnej ogrzewanej części układu z rys. 3. znajdują się cztery złącza: tellurek bizmutu typu P spoiwo lutownicze, spoiwo lutownicze miedź, miedź spoiwo lutownicze, spoiwo lutownicze tellurek bizmutu typu N. Ponieważ wszystkie te złącza mają podobną temperaturę to przyjmuje się, że zjawisko Peltiera zachodzi między półprzewodnikami pomijając obecność metali. 19

21 Rozdział 2 Strumień ciepła P przepływający z zimnej strony na ciepłą jest proporcjonalny do przepływającego prądu i wynosi: (2.7) Gdzie П AB jest współczynnikiem Peltiera dla określonej temperatury układu z rys. 3. Współczynnik Π AB jest charakterystyczny dla złącza wykonanego z materiałów A i B oraz jest zależny od temperatury. Zjawisko Peltiera polega na zmianie temperatury elektronów przepływających przez złącze. Dla modułów Peltiera określa się współczynnik wydajności chłodniczej C.O.P (ang. Coefficient Of Performance) [37] jako stosunek energii wypompowanej Q cold ze strony chłodzonej do energii elektrycznej W wykorzystywanej przez pompę ciepła. (2.8) Na rys. 4. znajdują się wykresy współczynnika C.O.P w zależności od różnicy temperatur między stronami mikromodułu Peltiera dla różnych prądów zasilania. Rys. 4. Zależności C.O.P od różnicy temperatur dla kilku prądów sterowania dla zastosowanego w urządzeniu mikromodułu Peltiera 1MT [37] 20

22 Rozdział 2 Zjawisko Thomsona Zjawisko Thomsona opisuje ogrzewanie lub schładzanie przewodnika elektrycznego przez który przepływa prąd, a którego końce umieszczono w różnych temperaturach [38]. Zjawisko zostało opisane przez Williama Thomsona w 1851 roku. Każdy przewodnik prądu, z wyjątkiem nadprzewodników, umieszczony w gradiencie temperatur emituje lub absorbuje ciepło w zależności od kierunku przepływu prądu oraz materiału. Efekt Thomsona może być dodatni lub ujemny zależnie od materiału. Dodatni efekt Thomsona występuje w metalach takich jak np.: miedź lub cynk gdy przepływ prądu z ciepłego do zimnego końca przewodnika powoduje powstawanie ciepła wzdłuż przewodnika. Natomiast w metalach takich jak kobalt, nikiel, żelazo przepływ prądu z ciepłego do zimnego końca powoduje pochłanianie ciepła z otoczenia czyli jest to negatywny efekt Thomsona. Współczynnik Thomsona dla ołowiu jest bliski zeru natomiast dla nadprzewodników jest równy zero. 21

23 Rozdział 3 Rozdział 3 Model termiczny wybranych części dłoni oraz termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych. 3 W tym rozdziale autor rozprawy zaproponował model termiczny oraz metodę wyznaczania parametrów termicznych pojedynczego punktu cieplnego w termicznym ekranie dotykowym dla niewidomych oraz parametry termiczne wybranych części ludzkiej ręki. Przeprowadzone symulacje umożliwiły sprawdzenie dopasowania zastosowanego mikromodułu Peltiera do parametrów termicznych skóry. Wykonany model termiczny oraz zaproponowany sposób przeprowadzania pomiarów mogą być wykorzystywane przy modelowaniu termicznym ciała ludzkiego. Rozpoznawanie znaków cieplnych generowanych przez urządzenie powinno być jak najłatwiejsze. Znajomość parametrów termicznych skóry pozwala właściwie sterować temperaturą punktu dotykowego. Istnieje wiele publikacji na temat właściwości termicznych ludzkiej skóry [39] [40] [41]. Jednakże, znając przewodność termiczną właściwą oraz pojemność cieplną właściwą skóry nie można wyznaczyć wartości tych parametrów dla ściśle określonego, małego obszaru skóry, ponieważ grubość i objętość skóry dotykającej punkt cieplny jest nieznana. Dodatkowo warunki brzegowe są mało precyzyjnie określone. Podczas dotykania ogrzewana jest część skóry, która dotyka mikromodułu Peltiera oraz pośrednio jej otoczenie. Zatem wyznaczone parametry termiczne dotyczą dla tego konkretnego pomiaru i nie powinny być używane przy skalowaniu. Istnieje wiele modeli modułów Peltiera [42] [43] opisujących ilość transportowanego ciepła w funkcji prądu zasilania i różnicy temperatur. Doskonale oddają one ideę działania pomp ciepła i przybliżają ilość transportowanej energii w stanie ustalonym przyjmując niezależność parametrów materiałów od temperatury [44]. W rzeczywistości parametry materiałowe, tak istotne jak np. koncentracja swobodnych nośników prądu, współczynnik Seebecka - rys. 5., przewodność termiczna i przewodność elektryczna - rys. 6., są bardzo zależne od temperatury i muszą być brane pod uwagę przy założeniu wiarygodnego modelowania [31] [45]. 22

24 Rozdział 3 Rys. 5. Zależność temperaturowa współczynników Seebecka dla Bi 2 Te 3 typu n oraz typu p [31]. Rys. 6. Temperaturowa zależność rezystancji elektrycznej właściwej dla Bi 2 Te 3 typu n oraz typu p [31]. 23

25 Rozdział 3 Większość producentów modułów Peltiera podaje tylko podstawowe parametry, czyli maksymalne wartości mocy chłodzenia, prądu zasilania i temperatury strony ciepłej. Producent zastosowanych mikromodułów Peltiera udostępnia program komputerowy TEC CAD 2.1h [46], za pomocą którego można symulować działanie TEC w różnych warunkach pracy. Algorytm działania programu symulacyjnego uwzględnia wszystkie opisane efekty fizyczne oraz empiryczne tabele zależności parametrów od temperatury dla konkretnego zastosowanego mikromodułu Peltiera [31]. Korzystając z programu uproszczono wyznaczanie tablic współczynników potrzebnych do budowy modelu termicznego protezy dla niewidomych. Opracowany model termiczny [47] urządzenia przewiduje odpowiedź termiczną powierzchni skóry, pojedynczego punktu cieplnego oraz strumień cieplny wpływający do skóry zarówno podczas dotykania jak i włączania/wyłączania punktu cieplnego. W modelu określono rezystancję i pojemność cieplną powierzchni skóry oraz pojedynczego punktu cieplnego. Statyczne pomiary temperatur zostały przeprowadzone za pomocą pirometru. Dla zmierzenia zmian temperatury górnej części mikromodułu Peltiera wykorzystano napięcie Seebecka [48]. 24

26 Rozdział 3 Rezystancja termiczna mikromodułu Peltiera Podczas wyznaczania rezystancji termicznej pomiędzy górną częścią mikromodułu Peltiera a radiatorem ogrzewaną powierzchnię pokryto styropianem dla zapewnienia dobrej izolacji termicznej. Pomiarów dokonano w dwudziestu punktach zmieniając prąd zasilania od 10 ma do 100 ma. Znając wartości strumienia ciepła Φ P pompowanego z zimnej-dolnej do górnej-ciepłej części mikromodułu Peltiera, wartości mocy P J wynikającej z prawa Joule a oraz różnicę temperatur T P między ciepłą a zimną częścią mikromodułu Peltiera można wyznaczyć rezystancję termiczną mikromodułu Peltiera R th_p jako: (3.1) (3.2) Temperaturę T P ciepłej górnej części mikromodułu Peltiera mierzono za pomocą pirometru, temperaturę zimnej dolnej części, która jest równa temperaturze otoczenia T A, za pomocą termistora umieszczonego na radiatorze. Moc elektryczna P J została odczytana z zasilacza. Wartości strumienia ciepła Φ P pompowanego ze strony zimnej ustalono za pomocą programu TEC CAD 2.1h udostępnianego przez producenta mikromodułów Peltiera firmę RMTLtd. Wartości te odczytano z wykresów Standard Plot przy znanych parametrach: temperatury otoczenia, zmierzonym prądzie i znanej różnicy temperatur między ciepłą a zimną stroną mikromodułu Peltiera. Jeżeli mikromoduł Peltiera jest zasilany prądem o natężeniu mniejszym od prądu optymalnego [37] wówczas moc P J generowana wewnątrz TEC jest w całości transportowana do strony ciepłej. Przy takim ograniczeniu strumień ciepła Φ P-H przepływający z radiatora do górnej powierzchni mikromodułu Peltiera jest określony wzorem (3.3): (3.3) Rys. 7. przedstawia zmierzoną moc cieplną Joule a, strumień ciepła wypompowanego oraz ich sumę w funkcji różnicy temperatur. 25

27 Rozdział 3 Rys. 7. Zmierzone wartości mocy cieplnej P J, strumienia ciepła Φ P oraz ich suma Φ P-H w funkcji różnicy temperatur ΔT między górną a dolną częścią mikromodułu Peltiera. Na podstawie wzoru (3.1) oraz przeprowadzonych pomiarów wyznaczono wartość rezystancji termicznej mikromodułu Peltiera R th_p w funkcji T P. Rys. 8. Rezystancja termiczna mikromodułu Peltiera w funkcji różnicy temperatur pomiędzy ciepłą, a zimną stroną mikromodułu Peltiera. Wzór empiryczny, linię trendu oraz wartość współczynnika determinacji R 2 podano na wykresie. Zgodnie z rys. 8. wartość rezystancji termicznej mikromodułu Peltiera jest nieznacznie zależna od różnicy temperatur i wynosi około 360 K/W dla różnicy temperatur 8 K, czyli dla 26

28 Rozdział 3 temperatury punktu dotykowego wynoszącej 305 K (32 C) co odpowiada przeciętnej temperaturze skóry palca. Empirycznie wyznaczona liniowa zależność zmierzonej rezystancji R th_p od temperatury jest lokalnym przybliżeniem tej zależności dla szerszego zakresu temperatur [31]. Pojemność cieplna mikromodułu Peltiera W celu wyznaczenia pojemności cieplnej mikromodułu Peltiera C th_p umieszczonego na radiatorze dokonano pomiaru oscylogramu temperatury po włączeniu punktu cieplnego - rys. 9. W trakcie przeprowadzania pomiarów pojemności cieplnej mikromoduł Peltiera był zasilany stałym napięciem 0,5 V. Górna ciepła strona była izolowana termicznie, dolna strona została przylutowana do bardzo dużego radiatora, którego wymiary zapewniły stabilność temperatury dolnej powierzchni mikromodułu Peltiera. Temperaturę powierzchni górnej wyznaczono mierząc napięcie Seebecka na okresowo wyłączanym mikromodule. Pomiaru dokonywano co 10 ms. Rys. 9. Wykres temperatury górnej części mikromodułu Peltiera po włączeniu zasilania. T P temperatura obliczona na podstawie zmierzonego napięcia Seebecka, T S wykres temperatury będący wynikiem symulacji modelu termicznego. Bazując tylko na wykresie z rys. 9. nie można bezpośrednio wyznaczyć stałej czasowej układu, (3.4) 27

29 Rozdział 3 a następnie pojemności cieplnej ponieważ sygnał wymuszający, czyli strumień ciepła P-H transportowany do strony ciepłej mikromodułu Peltiera, jest zmienny w czasie oraz zależy od temperatury T P. Zmierzone wartości temperatury są kombinacją odpowiedzi termicznego układu RC oraz sygnału wymuszającego. Wyliczenie wartości C th_p oparto na zależności (2.4), czyli na wyznaczeniu ilości ciepła zgromadzonego w C th_p przy zmianie temperatury górnej powierzchni mikromodułu Peltiera. Na podstawie oscylogramów temperatury górnej powierzchni mikromodułu Peltiera, korzystając z oprogramowania TEC CAD 2.1h wyznaczono prąd I P przepływający przez mikromoduł Peltiera. Następnie dla stałego napięcia zasilania równego 0,5 V odczytano wartości prądu I P, strumienia ciepła P-H, oraz wartości mocy P J dla zmierzonych wartości T P. Wyliczenia dokonano tylko dla ośmiu punktów na które pozwalał program. Wzór linii trendu dla przeprowadzonych pomiarów oraz współczynnik determinacji R 2 znajdują się na rys. 10. Rys. 10. Wartości prądu I P, mocy cieplnej P J oraz strumienia ciepła P-H wypompowanego przez mikromoduł Peltiera w funkcji różnicy temperatur T P między stroną ciepłą a zimną mikromodułu Peltiera. Napięcie zasilania wynosiło 0,5 V. 28

30 Rozdział 3 Wartości na rys. 10. są zależne liniowo od T P w zakresie temperatur pracy urządzenia. Następnie korzystając z wzorów empirycznych wyliczono wartości I P oraz P J dla pozostałych punktów wykresu temperatury po włączeniu punktu cieplnego - rys. 11. Znając wartości temperatury T P w funkcji czasu po włączeniu punktu cieplnego oraz wartość rezystancji termicznej R th_p wyznaczono strumień ciepła H-P przepływający z powrotem z górnej części mikromodułu Peltiera do radiatora (3.5). (3.5) Strumienie ciepła P-H i H-P nie są sobie równe rys. 11. Różnica między tymi dwoma strumieniami ciepła C_P wpływa do pojemności cieplnej C th_p mikromodułu Peltiera. (3.6) Rys. 11. Strumień ciepła P-H wpływający do górnej części mikromodułu Peltiera. Strumień ciepła H-P przepływający przez rezystancję termiczną mikromodułu Peltiera do radiatora. Strumień ciepła C_P który wpływa do pojemności cieplnej C th_p. Ciepło ΔQ P zmagazynowane w C th_p jest całką strumienia ciepła C_P wpływającego do pojemności cieplnej od momentu t1 kiedy punkt cieplny został włączony do momentu t2 w którym T P uzyskała wartość maksymalną. 29

31 Rozdział 3 (3.7) Pojemność termiczna C th_p została wyliczona z zależności: (3.8) Dla tego pomiaru, ΔQ P = 185 mj, C th_p = 46 mj/k. Przedstawiony model termiczny mikromodułu Peltiera został pokazany na rys. 12. i jest on analogiem obwodu elektrycznego. Elementy termiczne przedstawiono jako odpowiadające elementy elektryczne. Strumień ciepła P-H oraz P J zastąpiono źródłami prądowymi dla stałych wartości strumienia ciepła i mocy oraz regulowanymi źródłami prądowymi dla wartości zależnych od temperatury zgodnie z wzorem empirycznym z rys. 10. Wykres symulowanej temperatury T S po włączeniu punktu cieplnego został zamieszczony na rys. 9. Rys. 12. Model termiczny mikromodułu Peltiera. 30

32 Rozdział 3 Rezystancja termiczna fragmentu skóry palca Obliczona rezystancja termiczna palca R th_f jest to rezystancja termiczna pomiędzy górną dotykową powierzchnią mikromodułu Peltiera a wnętrzem palca. Podczas przeprowadzania pomiarów osoba testująca dotykała mikromodułu Peltiera za pomocą bocznej części opuszki palca serdecznego. Dla zmierzenia R th_f wykonano pomiary temperatury skóry T F, prądu I P przepływającego przez mikromoduł Peltiera oraz napięcie na mikromodule Peltiera. Na podstawie zmierzonych wartości z użyciem programu TEC CAD 2.1h wyliczono strumień ciepła Φ F_P transportowany z radiatora zgodnie ze zjawiskiem Peltiera oraz moc cieplną P F_J generowaną zgodnie z prawem Joule a. Strumień ciepła Φ F_P-H dostarczony do powierzchni dotykanej jest sumą mocy P F_J oraz strumienia ciepła Φ F_P - rys. 13. (3.9) Podczas przeprowadzania pomiarów napięcie zasilania kontrolowano w taki sposób, aby temperatura T P górnej powierzchni mikromodułu Peltiera odpowiadała pomiarom wykonanym bez dotykania. Dla każdego pomiaru z dotykaniem wykonano pomiar bez dotykania przy identycznej temperaturze T P zmierzonej za pomocą napięcia Seebecka. Rys. 13. Strumienie ciepła przy dotykanym micromodule Peltiera w funkcji różnicy temperatur T P T F. 31

33 Rozdział 3 Dla każdego pomiaru T P strumień ciepła F _ F-P, przepływający z górnej części mikromodułu Peltiera do skóry palca, jest równy strumieniowi ciepła F _ P-H dostarczonego do górnej powierzchni mikromodułu Peltiera pomniejszony o strumień ciepła P-H który byłby dostarczony do górnej powierzchni niedotykanego mikromodułu Peltiera. (3.10) Znając temperaturę mikromodułu Peltiera T P, temperaturę palca T F wynoszącą 305 K (32 C) dla całego okresu pomiarowego, oraz F _ F-P, można wyznaczyć rezystancję termiczną fragmentu skóry palca R th_f, która dla przeprowadzonych pomiarów wynosi 220 K/W przy temperaturze górnej części mikromodułu Peltiera T P = 323 K (50 C) rys. 14. (3.11) Rys. 14. Wartości rezystancji termicznej części skóry palca w funkcji różnicy temperatur między mikromodułem Peltiera a palcem. 32

34 Rozdział 3 Pojemność cieplna fragmentu skóry palca Pojemność cieplna części skóry palca C th_f została wyznaczona podobnie do pojemności termicznej mikromodułu Peltiera C th_p, czyli poprzez wyliczenie ilości ciepła dostarczonego do palca po włączeniu znaku cieplnego. W tym celu zmierzono przebieg temperatury T F_P górnej dotykanej powierzchni mikromodułu Peltiera po włączeniu zasilania - rys. 15. Rys. 15. Temperatura górnej powierzchni dotykanego mikromodułu Peltiera zmierzona po włączeniu punktu cieplnego oraz symulacja tej temperatury na podstawie opracowanego modelu. Następnie bazując na tym pomiarze oraz programie TEC CAD 2.1h, autor rozprawy wyznaczył wartości prądu, mocy P F_J oraz strumienia ciepła F_P-H. Temperatura palca wynosiła 305 K (32 C) i była stała podczas pomiarów. Temperatura palca T F została zmierzona po stronie przeciwnej do tej, która dotykała mikromodułu Peltiera. Suma strumieni cieplnych C_P + C_F wpływających zarówno do pojemności cieplnej palca i do pojemności cieplnej mikromodułu Peltiera jest równa F _ P-H pomniejszonemu o strumienie ciepła przepływające przez rezystancje termiczne R th_p i R th_f - rys. 16. (3.12) 33

35 Rozdział 3 Rys. 16. Strumień ciepła F_P-H wpływający do górnej części dotykanego mikromodułu Peltiera. Strumień ciepła F_H-P przepływający przez rezystancję termiczną mikromodułu Peltiera do radiatora zsumowany ze strumieniem ciepła F-P wpływającym do palca. Strumienie ciepła C_P + C_F wpływające do pojemności cieplnych C th_p + C th_f. Zmiana energii ΔQ P+F zgromadzona w obu pojemnościach cieplnych w trakcie zmiany temperatury po włączeniu punktu cieplnego jest całką sumy strumieni ciepła C_P + C_F. Ta całka zastała policzona od czasu t1, kiedy temperatura T F_P była równa T F do czasu t2, kiedy T F_P osiągnęło temperaturę maksymalną. ( ) (3.13) Pojemność cieplna fragmentu skóry palca C th_f : (3.14) Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i obliczeń, pojemność cieplna fragmentu skóry palca dotykającej mikromoduł Peltiera wynosi 13,9 mj/k. Model wykorzystany do przeprowadzenia symulacji znajduje się na rys. 17. Symulowana temperatura górnej powierzchni mikromodułu Peltiera T F_S znajduje się na rys

36 Rozdział 3 Rys. 17. Model termiczny pojedynczego punktu termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych. Pomiary parametrów termicznych różnych fragmentów skóry dłoni Pomiary różnych fragmentów skóry dłoni zostały przeprowadzone, podczas ogrzewania oraz chłodzenia górnej powierzchni mikromodułu Peltiera, z udziałem trzech osób, które testowały urządzenie. 1 osoba z nieco grubszymi palcami 2 osoba z delikatnymi palcami 3 osoba w wieku 6 lat Podczas wyświetlania punktów ciepłych do urządzenia zostało podłączone napięcie zasilania równe 0,5 V, podczas wyświetlania punktów zimnych napięcie wynosiło 1 V. Różnica w napięciach zasilania wynika z faktu, że ciepło Joule a sumuje się ze ciepłem transportowanym zgodnie z efektem Peltiera tylko podczas generowania punktów ciepłych. Podczas chłodzenia napięcie zasilania 0,5 V nie jest wystarczające do obniżenia i stabilizacji temperatury dotykanych punktów w wybranym zakresie temperatur. Testy zostały przeprowadzone dla wybranych obszarów skóry dłoni: a. boczna część opuszki palca serdecznego b. środkowa część opuszki palca wskazującego c. skóra po wewnętrznej stronie nadgarstka Właśnie te części dłoni były często wykorzystywane podczas testowania urządzenia w Specjalnym Ośrodku Szkolno Wychowawczym dla Dzieci Niewidomych i Niedowidzących w Krakowie. Obliczone wartości rezystancji termicznej skóry oraz pojemności cieplnej zostały zawarte w tabeli 1. Temperatura bezwzględna powierzchni dotykanej mikromodułów Peltiera T F_P wynosiła odpowiednio 323 K (50 C) i 281 K (8 C). 35

37 Rozdział 3 Tabela 1. Termiczna rezystancja i pojemność cieplna wybranych fragmentów skóry dłoni Zmierzone parametry wybranych fragmentów skóry dłoni świadczą o tym, że właściwości termiczne skóry człowieka mogą różnić się w zależności od cech personalnych i od miejsca przeprowadzania pomiaru. Środkowa część opuszki palca wskazującego w każdym przypadku charakteryzowała się największą wartością rezystancji termicznej ze wszystkich zmierzonych. Czynnikiem mogącym wpływać na wartości pomiarów są cechy fizjologiczne skóry takie jak pocenie się i termoregulacja, oraz siła z jaką użytkownik dociska palec do urządzenia. Średnia arytmetyczna wartość R th_f oraz C th_p z przeprowadzonych pomiarów wynosi odpowiednio 220 K/W oraz 12,5 mj/k. 36

38 Rozdział 4 Rozdział 4 Budowa ekranu dotykowego 4 Podczas projektowania termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych zostały przyjęte założenia o rozmiarach pojedynczego punktu cieplnego. Biorąc pod uwagę możliwość prezentowania na ekranie dotykowym tekstu za pomocą generowanych termicznie znaków Braille'a uznano, że sześciopunkt Braille'a na ekranie termicznym powinien mieścić się pod jedną opuszką palca. Na podstawie konsultacji z niewidomymi założono, że rozmiar ekranu termicznego powinien być podobny do kartki pocztowej, tj. 10 cm x 15 cm. Na takiej powierzchni użytkownik może dotykać całego ekranu termicznego za pomocą obu dłoni. Poszczególne punkty termiczne prezentowanej grafiki muszą zostać rozpoznane, a następnie wyobrażone przez użytkownika. Wybrana powierzchnia jest kompromisem pomiędzy możliwością prezentowania skomplikowanej grafiki, a łatwością wyobrażenia dotykanego obrazu. Pierwsze znaki cieplne Najbardziej popularną czcionką brajlowską jest medium Marburger [49] lub ECMA Euro Braille [50], dla której średnica pojedynczego wypukłego punktu wynosi 1,6 mm. Spośród produktów dostępnych na rynku najbliższe gabarytowo wypukłym znakom Braille'a są miniaturowe pompy Peltiera 1MT oraz 1MT Mikromoduł Peltiera 1MT charakteryzuje się powierzchnią górną 1 mm x 2 mm oraz maksymalnym strumieniu transportowanego ciepła równym 0,1 W. Mikromoduły Peltiera 1MT są dwukrotnie większe, ich górna powierzchnia to 2 mm x 2 mm, a maksymalny strumień cieplny wynosi 0,19 W. Do przeprowadzenia pierwszych testów zbudowano dwa urządzenia wykorzystujące oba mikromoduły Peltiera. Pierwszy układ [51] (widoczny na rys. 18. składał się z szesnastu mikromodułów Peltiera 1MT Urządzenie umożliwia włączenie punktów zimnych lub ciepłych. 37

39 Rozdział 4 Rys. 18. Pierwszy układ wyświetlający znaki cieplne W tym urządzeniu temperatura wyświetlanych znaków Braille'a jest zależna od napięcia zasilającego mikromoduły Peltiera. Przesyłanie znaków do wyświetlenia odbywa się przez port szeregowy np. za pomocą programu HyperTerminal. Za pomocą kamery termograficznej MK525 wykonano zdjęcia znaków cieplnych - rys. 19. Rys. 19. Zdjęcia termograficzne znaków cieplnych wygenerowanych przez pierwszy układ Wykonany układ udowodnił możliwość generowania znaków cieplnych. Jak widać na pierwszym od prawej zdjęciu z rys. 19. temperatura pewnych punktów zimnych jest inna niż temperatura pozostałych. Temperatura punktów dotykowych nie była stabilizowana. Mikropompy Peltiera termicznie oddziaływały wzajemnie na siebie. Do budowy drugiego 38

40 Rozdział 4 układu [52] z rys. 20. wykorzystano mikromoduły Peltiera 1MT oraz zapewniono automatyczną regulację temperatury punktu cieplnego [53]. Rys. 20. Drugi układ wyświetlający znaki cieplne Na wykonanych zdjęciach termograficznych punkty ciepłe i zimne mają taki sam kolor dla każdego ciepłego lub zimnego punktu dotykowego w zakresie jednego zdjęcia. Rys. 21. Zdjęcia termograficzne punktów cieplnych wygenerowanych przez drugi układ. Na podstawie zdjęć można by stwierdzić, że mikromoduły Peltiera 1MT o mniejszej mocy są wystarczające. Wykonano program komputerowy umożliwiający łatwe sterowanie urządzeniem oraz wyświetlający na ekranie temperaturę każdego punktu dotykowego. W dolnej części rys. 22. widoczne są zmiany temperatury punktów zimnych wywołane dotykiem palca. Zastosowany mikromoduł ma zbyt małą moc aby zrekompensować zwiększony strumień ciepła 39

41 Rozdział 4 przepływający do palca podczas wyświetlania punktów zimnych. W przypadku punktów ciepłych temperatura punktu dotykowego jest stabilna podczas dotykania. Rys. 22. Zmierzone zmiany temperatury punktów cieplnych. Temperatura każdego mikromodułu Peltiera została narysowana innym kolorem. Widoczna zmiana temperatury punktów zimnych po dotknięciu palcem. Na podstawie wykonanych obserwacji zdecydowano o wykorzystaniu większego mikromodułu Peltiera 1MT do budowy następnych układów. Doświadczenia przeprowadzone na pierwszym układzie z rys. 18. przez osoby niewidome pokazały, że możliwe jest rozpoznanie punktów ciepłych lub zimnych. Jednak odczytanie pojedynczej litery znaku Braille'a na początku ćwiczeń kończyło się błędem w około 90 % przypadków i zajmowało bardzo dużo czasu nawet jedną minutę. Po około dwóch godzinach ćwiczeń osoba niewidoma rozpoznawała około 50 % wyświetlanych znaków. W tym rozwiązaniu mikropompy Peltiera wystawały ponad powierzchnię panelu dotykowego. Osoba niewidoma miała poważny problem z rozpoznaniem znaków Braille'a między innymi dlatego, że podświadomie zwracała uwagę na nierówności zwykle wykorzystywane przez nią jako punkty wypukłe znaków pisma brajlowskiego. W pierwszym układzie temperatura znaków cieplnych nie jest stabilizowana i zmienia się pod wpływem dotyku. W drugim prototypie z rys. 20. zapewniono gładki panel dotykowy oraz stabilizację temperatury punktów cieplnych. Podczas testów osoba niewidoma rozpoznała około 90 % termicznych znaków Braille'a. Czas 40

42 Rozdział 4 potrzebny na rozpoznanie wynosił zaledwie kilka sekund. Na podstawie zadowalających rezultatów w rozpoznawaniu prostych znaków cieplnych przystąpiono do budowy trzeciego urządzenia mającego za zadanie wyświetlanie grafiki. Pierwszy ekran dotykowy W celu określenia optymalnych rozmiarów ekranu termicznego wydrukowano na papierze pęczniejącym figury geometryczne w trzech rozmiarach. Odległości pomiędzy środkami poszczególnych punktów wynoszą 5 mm, 7 mm oraz 10 mm. Osoby niewidome zdecydowały, że najłatwiejsze w odczycie są figury dla których odległość między środkami punktów wynosi 7 mm - rys. 23. Rys. 23. Figury geometryczne wydrukowane na papierze pęczniejącym. Miejsca zaczernione są wypukłe. Pierwszy termiczny ekran dotykowy dla niewidomych [48] wykorzystujący zjawisko Peltiera został wykonany na podstawie działającego układu z rys. 20. Ekran zawiera 192 mikromoduły ułożone w 12 wierszy i 16 kolumn - rys

43 Rozdział 4 Rys. 24. Pierwszy model termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych Ekran pozwala na wytworzenie grafiki o zadanej przez użytkownika temperaturze. Do komunikacji z komputerem wykonano program, w którym nauczyciel osoby niewidomej może narysować obrazek za pomocą myszki lewa strona rys. 25. Pole po prawej stronie prezentuje zmierzone temperatury wszystkich punktów dotykowych. 42

44 Rozdział 4 Rys. 25. Interfejs programu komputerowego sterującego pierwszym ekranem dotykowym. Za pomocą kamery termograficznej MK525 zostały wykonane zdjęcia wygenerowanych obrazków termicznych - rys. 26. Rys. 26. Zdjęcia termograficzne pierwszego termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych Podczas używania pierwszego ekranu dotykowego zauważono dwa problemy techniczne, które należało rozwiązać. Na środkowym zdjęciu termograficznym z rys. 26. który prezentuje kolejne znaki alfabetu Braille'a, można zauważyć, że kolor/temperatura punktów leżących na obrzeżach ekranu jest niższa od tych znajdujących się w centrum. Jednocześnie wskazania pomiarów napięcia Seebecka dawały podobne wartości dla wszystkich włączonych punktów cieplnych. Oznacza to, że w centralnej części ekranu pomiędzy mikromodułami Peltiera 43

45 Rozdział 4 a radiatorem rezystancja termiczna jest większa niż na obrzeżach panelu dotykowego. Drugi problem, widoczny na prawym zdjęciu termograficznym z rys. 26. polega na tym, że kilka mikromodułów Peltiera jest odłączonych od zasilania. Uszkodzenie powstało w czasie testowania ekranu. Połączenie modułów Peltiera do płytki drukowanej poprzez lutowanie jak na rys. 27. okazało się niewystarczające dla występujących tam naprężeń mechanicznych powstających podczas dotykania. Rys. 27. Schemat połączeń mikromodułów Peltiera z płytką PCB oraz z radiatorem Ze względu na nierówności w lutowaniu do PCB, powierzchnie modułów termoelektrycznych nie znajdowały się w tej samej płaszczyźnie. Powodowało to mikroszczeliny w kontakcie: dolna ceramika w TEC radiator. Aby wyeliminować tą wadę zastosowano elastyczną podkładkę termoprzewodzącą o grubości 1 mm, której przewodność cieplna wynosi około 3 W/m K. Jest to bardzo dobry przewodnik cieplny wśród elastycznych przewodników termicznych, jednak w porównaniu z alundem czy metalami jest bardzo słaby. Radiator został dociśnięty do płytki PCB za pomocą ceownika aluminiowego na dłuższych krawędziach płytki rys. 24. Przy zastosowaniu elastycznej podkładki termoprzewodzącej, która została słabiej dociśnięta w środkowej części ekranu, temperatura dolnej powierzchni modułów Peltiera mogła się różnić od zmierzonej temperatury radiatora. Spowodowało to błąd w obliczeniu temperatury powierzchni dotykanej. Ten błąd konstrukcyjny był także zauważalny w czasie dotykania: łatwiejsze do rozpoznania były punkty znajdujące się blisko krawędzi ekranu. Mikromoduł Peltiera musi ogrzać lub schłodzić palec użytkownika, im lepsza przewodność cieplna układu palec mikromoduł Peltiera radiator tym szybciej może nastąpić zmiana temperatury skóry palca. Przy niedokładnym pomiarze układ sterowania uznawał, że temperatura powierzchni dotykanej jest właściwa, podczas gdy w rzeczywistości nie osiągnęła zadanej wartości. 44

46 Rozdział 4 Automatyczna regulacja temperatury Testy przeprowadzone na urządzeniu z rys. 18. wykazały, że temperatura każdej powierzchni dotykowej musi być stabilizowana. Podłączenie mikromodułu Peltiera do wybranego napięcia zasilania nie jest wystarczające. Palec, który jest odbiornikiem energii cieplnej zmniejsza lub zwiększa temperaturę powierzchni mikromodułu Peltiera. Dla przykładu, jeżeli ustawimy zasilanie w taki sposób, aby temperatura powierzchni niedotykanego mikromodułu Peltiera wynosiła 328 K (55 C), to po długotrwałym dotknięciu temperatura powierzchni mikromodułu Peltiera obniży się tak bardzo, że rozpoznanie czy punkt jest ciepły czy zimny będzie niemal niemożliwe. Opracowano metodę pomiaru temperatury polegającą na pomiarze napięcia Seebecka [37]. Przy standardowym wykorzystaniu TEC zachowuje się zgodnie ze swoim przeznaczeniem: transportuje ciepło jednocześnie generując ciepło Joule a. Kiedy TEC nie jest podłączony do zasilania może być opisany jako wiele termopar połączonych elektrycznie szeregowo, a termicznie - równolegle. W takim przypadku łatwe do zmierzenia napięcie Seebecka pojawia się na jego przewodach połączeniowych. Różnica temperatur ΔT pomiędzy dwoma stronami modułu Peltiera oraz napięcie Seebecka U α, gdzie α jest współczynnikiem Seebecka [54], są związane wyrażeniem (2.6). Dodatkową zaletą użycia mikromodułów Peltiera do pomiaru temperatury jest to, że element wykonawczy jest także czujnikiem. Opóźnienie w pomiarze temperatury nie jest powiększane o stałą czasową czujnika związaną z jego pojemnością cieplną. Temperatura powierzchni dotykanej może być łatwo obliczona jako suma temperatury podłoża do którego przymocowany jest moduł Peltiera oraz różnicy temperatur ΔT na mikromodule Peltiera wyznaczonej z wykorzystaniem napięcia Seebecka. W celu skalibrowania urządzenia wyznaczono wartości współczynnika α przez pomiary napięcia Seebecka U α oraz pomiary temperatury górnej powierzchni mikromodułu Peltiera. Do przeprowadzenia pomiarów temperatury użyto pirometru. Różnica temperatur została wytworzona za pomocą mikromodułu Peltiera 1MT przylutowanego do dużego radiatora. Pomiar polega na włączeniu mikromodułu Peltiera do odpowiedniego napięcia dla każdej różnicy temperatur ΔT. Mikrokontroler okresowo odłącza mikromoduł Peltiera od zasilania, mierzy wartość napięcia Seebecka i podłącza go na nowo. Rys. 28. ukazuje relację pomiędzy zmierzoną temperaturą za pomocą pirometru a zmierzonym 45

47 Rozdział 4 napięciem Seebecka. Na podstawie pomiarów wyznaczono współczynnik α, który wynosi 8,1 mv/k dla temperatur większych od temperatury radiatora. Rys. 28. Pomiar temperatury powierzchni dotykanej oraz napięcia Seebecka Temperatura punktów cieplnych jest kontrolowana w taki sposób, aby utrzymywała zadaną wartość także podczas dotykania. Algorytm polega na pomiarze napięcia Seebecka i porównaniu go z wartością zadaną odpowiadającą ustawionej temperaturze. W celu określenia temperatury punktu dotykowego układ sterujący odłącza pompę Peltiera od zasilania. Następnie mierzy napięcie Seebecka, oblicza temperaturę i podejmuje decyzję: podłączyć dany punkt cieplny do zasilania lub pozostawić niepodłączony do następnego pomiaru. Do sterowania został użyty popularny mikrokontroler, który pracując przy częstotliwości 8 MHz wykonuje pomiar co około 1,5 ms, zależnie od wystąpienia innych przerwań. Czas potrzebny do zapamiętania mierzonego napięcia przez mikrokontroler wynosi około 180 µs. Rys. 29. i rys. 30. przedstawiają oscylogramy, na których zmierzono czas pomiaru i czas pomiędzy pomiarami. 46

48 Rozdział 4 Rys. 29. Oscylogram ze zmierzonym czasem, na jaki wyłączany jest mikromoduł Peltiera w celu zmierzenia napięcia Seebecka. Rys. 30. Oscylogram ze zmierzonym czasem pomiędzy pomiarami napięcia Seebecka. 47

49 Rozdział 4 Przedstawiony sposób pomiaru pociąga za sobą metodę sterowania mikromodułami Peltiera: są włączone lub wyłączone. Gdyby pompy Peltiera miały pracować tylko jako układy chłodzące wówczas ten sposób sterowania byłby niedopuszczalny ze względu na ilość transportowanego ciepła względem dostarczonej energii elektrycznej. Współczynnik wydajności chłodniczej jest największy dla jak najmniejszych prądów sterowania - rys. 4. [37]. Biorąc pod uwagę, że docelowe wyświetlacze termiczne będą się składać z bardzo wielu punktów zastosowanie sterowania binarnego ma pewne zalety: ułatwia budowę układu pomniejszając go o przetworniki C/A umożliwia lepsze wykorzystanie energii elektrycznej poprzez jej mniejsze straty w kluczach tranzystorowych o bardzo małej RDS(ON) w przypadku wyświetlania punktów ciepłych, dodatkowe ciepło generowane wewnątrz mikromodułu Peltiera na skutek zmniejszonego C.O.P. - rys. 4. jest w całości transportowane do strony dotykanej pod warunkiem, że prąd i napięcie zasilania nie przekraczają wartości optymalnej. Zasilanie mikromodułów Peltiera Urządzenie wymaga trzech stałonapięciowych źródeł zasilania. Pierwszy o napięciu +7,5 V i wydajności prądowej 800 ma służy do zasilania układów cyfrowych. Drugie źródło zasilania o napięciu +1 V oraz trzecie o napięciu 1 V dostarczają energię do miniaturowych pomp ciepła. Źródła zasilania muszą być od siebie odizolowane galwanicznie. Pobór energii ze źródeł +/- 1 V jest zależny od zadanych temperatur oraz od ilości włączonych punktów dotykowych. Jeżeli temperatura zadana wszystkich punktów cieplnych jest taka sama jak temperatura radiatora to wówczas nie jest pobierana energia z tych źródeł. Rezystancja zastosowanych mikromodułów Peltiera 1MT wynosi 2,63 Ω [37]. Optymalne napięcie zasilania, czyli takie, przy którym układ Peltiera transportuje najwięcej ciepła, równe jest 0,9 V. W celu zmniejszenia strat energii w układzie sterującym rezystancja włączonego elementu sterującego powinna być znacznie mniejsza od wartości rezystancji mikromodułów Peltiera. Po przeprowadzeniu serii testów oraz symulacji wybrano układ składający się z dwóch tranzystorów Power MOSFET w obudowie SO-8 o bardzo niskiej wartości RDS(ON): odpowiednio 23 mω dla tranzystora z kanałem typu N oraz 42 mω dla 48

50 Rozdział 4 tranzystora z kanałem typu P. Sposób zasilania mikromodułów Peltiera oraz pomiaru napięcia Seebecka przedstawiono na rys. 31. Rys. 31. Układ sterowania mikromodułem Peltiera Układ sterujący posiada osobne wyprowadzenia bramek tranzystorów, co pozwala na takie sterowanie tranzystorami, aby całkowicie wyeliminować straty energii wywołane przez prąd quasi zwarciowy. Dodatkowo ustawienie obu tranzystorów w stan zatkania powoduje, że jeden z przewodów mikromodułu Peltiera nie jest podłączony, co umożliwia pomiar napięcia Seebecka [51] względem napięcia 2,5 V. Dla niewielkich wartości prądu przepływającego przez moduł Peltiera C.O.P może być znacznie większy od jedności. Jednakże zbyt mała wartość prądu zasilania może być powodem zbyt małej wydajności skutkującej niestabilnością temperatury punktu cieplnego. W tabeli 2. znajdują się wyniki pomiarów poboru prądu oraz czasu, jaki potrzebuje mikromoduł Peltiera na zmianę temperatury z 283 K (10 C) na 321 K (48 C) oraz z 321 K na 283 K. Pojedynczy mikromoduł Peltiera w momencie przełączania z 283 K na 321 K przy napięciu zasilania równym 1 V pobiera nawet 300 ma prądu. Teoretycznie gdyby użytkownik przełączył na raz wszystkie 294 punkty cieplne to zapotrzebowanie prądowe wynosiłoby nawet 88 A. W praktyce jednak typowe wygenerowane znaki zajmują nie więcej niż 10 % powierzchni. Pomiar prądu 49

51 Rozdział 4 w czasie testów z udziałem niewidomych nie przekraczał 5 A. Jeżeli pojedynczy mikromoduł Peltiera nie jest dotykany i ustawiona jest temperatura 321 K to pobór prądu wynosi 55 ma, przy temperaturze 283 K 85 ma. Tabela 2. Zmierzone czasy ogrzewania i chłodzenia podczas zmian temperatury od 283 K (10 C) do 321 K (48 C) oraz prąd zasilania modułu Peltiera dla różnych warunków pracy Napięcie zasilania 0,5 V 1 V 1,3 V Dotykany Niedotykany Dotykany Niedotykany Dotykany Niedotykany Czas grzania od 283 K do 321 K Czas chłodzenia od 321 K do 321 K Prąd zasilania przy T P = 321 K Prąd zasilania przy T P = 283 K Maksymalny prąd zasilania przy zmianie T P z 283 K na 321 K Maksymalny prąd zasilania przy zmianie T P z 321 K do 283 K 2 s 1,5 s 0,5 s 0,4 s 0,4 s 0,3 s 4 s 2 s 1,5 s 1 s 1,2 s 0,8 s 95 ma 60 ma 80 ma 55 ma 85 ma 50 ma 120 ma 60 ma 170 ma 85 ma 200 ma 120 ma 210 ma 180 ma 300 ma 300 ma 360 ma 360 ma 210 ma 175 ma 290 ma 290 ma 350 ma 350 ma 50

52 Rozdział 4 Różnice w poborze energii widać także na oscylogramach otrzymanych z pomiaru napięcia zasilającego mikromoduł Peltiera. Rys. 32. przedstawia oscylogram zasilania mikromodułu Peltiera, którego temperaturę powierzchni dotykanej ustawiono na 273 K; do mikromodułu nie został przyłożony palec. Zasilanie jest przełączane pomiędzy 2,5 V, które odpowiada dolnej części oscylogramu, a około 3,2 V. W pewnych okresach czasu mikromoduł Peltiera jest podłączony do zasilania, a w innych pozostaje rozłączony. Oznacza to, że została osiągnięta zadana temperatura. Rys. 32. Oscylogram napięcia zasilania mikromodułu Peltiera, który nie jest dotykany. 51

53 Rozdział 4 Rys. 33. przedstawia oscylogram napięcia zasilania dotykanego mikromodułu Peltiera ustawionego na 273 K widać, iż po każdym pomiarze TEC jest chłodzony. Mikromoduł Peltiera nie jest w stanie obniżyć swojej temperatury do zadanej wartości pomimo, że w każdym okresie pomiarowym mikromoduł został podłączony do zasilania. Rys. 33. Oscylogram napięcia zasilania chłodzonego mikromodułu Peltiera, który jest dotykany. 52

54 Rozdział 4 Rys. 34. przedstawia oscylogram zasilania mikromodułu Peltiera ustawionego na 326 K (53 C), który nie jest dotykany. Napięcie 2,5 V znajduje się w górnej części oscylogramu. TEC zostaje podłączony do zasilania 1,5 V tylko wówczas, gdy temperatura spadnie poniżej zadanej wartości. Zmierzona amplituda jest mniejsza niż 1 V ponieważ część zasilania odkłada się na tranzystorach sterujących oraz na ścieżkach elektrycznych. Rys. 34. Oscylogram napięcia zasilania mikromodułu Peltiera, który nie jest dotykany. 53

55 Rozdział 4 Rys. 35. jest oscylogramem napięcia zasilania mikromodułu Peltiera, który jest dotykany, a jego temperatura powierzchni dotykanej ustawiona została na 326 K. Na oscylogramie widać, że współczynnik wypełnienia zmierzonego napięcia zasilania jest większy niż w przypadku kiedy TEC nie jest dotykany. Ponieważ w pewnych okresach pomiarowych mikromoduł Peltiera nie został podłączony do zasilania to można stwierdzić, że temperatura zadana została osiągnięta i jest utrzymywana. Rys. 35. Oscylogram napięcia zasilania ciepłego mikromodułu Peltiera, który jest dotykany. 54

56 Rozdział 4 Realizacja fizyczna matrycy na podłożu alundowym Dla jak najlepszej przewodności cieplnej między dolną powierzchnią mikromodułów Peltiera a radiatorem, mikropompy Peltiera powinny zostać przytwierdzone do podłoża będącym bardzo dobrym przewodnikiem ciepła, na którym można wykonać ścieżki elektryczne. Takie podłoże i płytkę obwodów drukowanych można wykonać na kilka sposobów, m.in.: płytka MCPCB na podłożu aluminiowym lub miedzianym, połączenia elektryczne wykonane na elastycznej folii z otworami na mikromoduły Peltiera oraz nadrukowanymi ścieżkami. Taką folię można przylutować do układów Peltiera, które zostałyby przylutowane lub przyklejone bezpośrednio do radiatora, płytka ceramiczna ze ścieżkami wykonanymi techniką sitodruku. Ze względu na znajomość technologii oraz możliwość wykonania układów w ramach zespołu naukowego wybrano ostatnie rozwiązanie. Wykonano dwa urządzenia w których mikromoduły Peltiera zostały przylutowane do płytek alundowych. Pierwszy z nich miał na celu sprawdzenie możliwości wykonania matrycy termicznej na podłożu alundowym [54], przeprowadzenie testów elektrycznych i termicznych oraz wykonanie modelu termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych. Drugi egzemplarz to termiczna matryca odczytowa dla osób niewidomych zbudowana z 294 mikromodułów Peltiera. Celem budowy tego urządzenia było przeprowadzenie serii testów z udziałem osób niewidomych. Na rys. 36. znajduje się zdjęcie płytki ceramicznej z nadrukowanymi srebrnymi ścieżkami. Rys. 36. Płytka alundowa z nadrukowanymi srebrnymi ścieżkami 55

57 Rozdział 4 Ze względu na lepsze przewodnictwo cieplne metali niż klei zastosowano wersję TEC 1MT , które na dolnej powierzchni ceramicznej mają naniesioną cienką warstwę niskotemperaturowego spoiwa 42Sn58Bi o temperaturze topnienia 411 K umożliwiającą ich przylutowanie. Mikromoduły Peltiera są zbudowane z kostek Bi 2 Te 3 przylutowanych do pasków miedzi za pomocą zwykłego bezołowiowego spoiwa lutowniczego. Proces lutowania mikromodułów Peltiera do płytki ceramicznej został przeprowadzony z zachowaniem warunku nieprzekroczenia temperatury maksymalnej mikromodułów Peltiera. Do przylutowania miniaturowych TEC do płytki ceramicznej użyto modułu Peltiera o rozmiarach 40 mm x 40 mm, mocy maksymalnej 60 W i temperaturze maksymalnej 462 K. Ten dodatkowy moduł Peltiera został wykorzystany do podgrzania płytki ceramicznej do temperatury 443 K. Rys. 37. przedstawia schemat procesu lutowania mikromodułów Peltiera do podłoża alundowego. Rys. 37. Lutowanie mikromodułów Peltiera do płytki alundowej Do pomiaru temperatury płytki alundowej zastosowano sześć czujników typu PT1000 w obudowach 0805 oraz mikrotermistor o rozmiarach 0,5 mm x 0,5 mm x 0,5 mm o bardzo małej bezwładności cieplnej. Elektroniczne sterowanie oraz oprogramowanie zostało wykonane na podstawie pierwszego ekranu termicznego dla niewidomych. Na rys. 38. można zobaczyć mikromoduły Peltiera przylutowane do płytki alundowej. Pomiędzy mikromodułami Peltiera znajdują się czujniki typu PT1000 w obudowie

58 Rozdział 4 Rys. 38. Przylutowane mikromoduły Peltiera na płytce alundowej Dla sprawdzenia jakości połączeń termicznych między mikromodułem Peltiera a radiatorem wykonano zdjęcia termograficzne. Zdjęcia z rys. 39. zostały wykonane po zdjęciu górnej płytki maskującej. Na dolnym prawym zdjęciu można zobaczyć zmierzone temperatury w różnych częściach mikromodułu Peltiera: T 1 temperatura zimnej powierzchni mikromodułu Peltiera = 274 K T 2 temperatura płytki alundowej przymocowanej do radiatora = 304 K T 3 temperatura dolnej części słupka Bi 2 Te 3 w pobliżu płytki alundowej = 306 K 57

59 Rozdział 4 Rys. 39. Zdjęcia termograficzne ciepłych i zimnych modułów Peltiera na podłożu alundowym Temperatura dolnej części TEC jest bardzo zbliżona do temperatury płytki alundowej. Główną zaletą zastosowania alundu jest fakt, że dolna część mikromodułów Peltiera ma taką samą temperaturę co radiator. Poprawny pomiar temperatury radiatora pozwala na właściwe ustawienie temperatury punktów cieplnych tak, aby były przyjemnie gorące lub zimne oraz łatwe w odczycie. Zdjęcia z rys. 40. przedstawiają panel dotykowy pierwszego urządzenia na płytce alundowej. 58

60 Rozdział 4 Rys. 40. Zdjęcia urządzenia wykonanego z użyciem płytki alundowej Zastosowane rozwiązania znalazły zastosowanie w budowie dużego termicznego ekranu dotykowego do przedstawiania grafiki. 59

61 Rozdział 4 Dynamiczne sterowanie W celu zmniejszenia zapotrzebowania urządzenia na energię wprowadzono algorytm, który wyłącza punkty cieplne kiedy nie są one dotykane. Pojedynczy, niedotykany mikromoduł Peltiera, ustawiony na 321 K (48 C) pobiera nawet 80 ma prądu tabela 2. Ciepło wygenerowane w niedotykanym mikromodule Peltiera jest niepotrzebnie i bezpowrotnie tracone. Przy opracowywaniu algorytmu ograniczenia mocy [55] wykorzystano urządzenie zbudowane na pojedynczej płytce alundowej - rys. 40. Celem algorytmu jest zmniejszenie zużycia energii przez zasilanie tylko tych punktów, które są dotykane. Pierwsza idea algorytmu polegała na pomiarze temperatury wyłączonego modułu Peltiera, który po dotknięciu palcem powinien zwiększyć temperaturę powierzchni dotykanej. Niestety podczas testów zauważono, że palec, który dotyka powierzchni mikromodułu Peltiera, nie jest w stanie podgrzać go na tyle aby możliwa była pewna detekcja. Temperatura górnej powierzchni mikromodułu Peltiera przed dotknięciem wynosiła od 295 K (22 C) do 198 K (25 C), temperatura skóry palca 305 K (32 C). Po dotknięciu temperatura górnej powierzchni wzrastała o jeden do dwóch stopni Celsjusza. Jeden z przewodów każdego mikromodułu Peltiera dołączony jest do wspólnego potencjału 2,5 V. Względem tego samego potencjału mierzone jest napięcie Seebecka. Przełączanie sąsiednich mikropomp ciepła generuje zmienne prądy, które przepływając przez rezystancję ścieżek obwodów drukowanych powodują szum wpływający na pomiar napięcia Seebecka. Widoczne jest to na wykresie temperatury - rys. 41. punkt G. Szumy są znacznie mniejsze w mierzonym procentowym współczynniku włączenia - rys. 41. dolny wykres. Ponieważ palec człowieka zwykle ma temperaturę około 305 K (32 C), a temperatura otoczenia około 296 K (23 C), łatwiej jest dokonać detekcji podczas chłodzenia niż podczas grzania. Podczas oczekiwania na dotknięcie, mikromoduł Peltiera jest delikatnie chłodzony. Ustawiona temperatura jest niższa od temperatury wspólnego radiatora o 1 LSB dla przetwornika A/C mierzącego napięcie Seebecka. Wartość ta odpowiada różnicy temperatur pomiędzy powierzchniami Peltiera wynoszącej 0,4 K. Kiedy punkt cieplny nie jest dotykany to procentowy współczynnik włączenia wynosi od 1 % do 4 %. Pobór prądu dla pojedynczego punktu wynosi wtedy 4 ma - rys. 41. przed punktem A. Kiedy ciepły palec dotknie mikromodułu Peltiera, system stabilizacji temperatury zwiększy chłodzenie punktu - rys. 41. punkt B - aby zachować zadaną różnicę temperatur. 60

62 Rozdział 4 Rys. 41. Zmiany temperatury oraz procentowy współczynnik włączenia pojedynczego mikromodułu Peltiera. Jeżeli procentowy współczynnik włączenia mikromodułu Peltiera przekroczy minus 5 % wówczas górna strona modułu Peltiera zostanie podgrzana lub schłodzona do zadanej temperatury np. 323 K (50 C) - rys. 41. punkt C. Dopóki palec dotyka mikromodułu Peltiera utrzymywana jest zadana temperatura - rys. 41. punkt D. Jeżeli użytkownik zaprzestanie dotyku to zmniejszy się procentowy współczynnik włączenia - rys. 41. punkt E. Algorytm na tą zmianę zareaguje obniżeniem temperatury - rys. 41. punkt F - i przejściem do oczekiwania na dotknięcie - rys. 41. punkt G. Podczas trwania oczekiwania - rys. 41. punkt G - temperatura zadana została zmieniona przez użytkownika z ciepłej 323 K (50 C) za zimną 283 K (10 C) - nie widać tego na rysunku. Dopiero podczas dotknięcia - rys. 41. punkt H - kiedy procentowy współczynnik włączenia osiągnie wymagany poziom - rys. 41. punkt I - nastąpi maksymalne chłodzenie - rys. 41. punkt J - aż temperatura punktu dotykanego obniży się do 283 K - rys. 41. punkt K. Jeżeli użytkownik zdejmie palec - rys. 41. punkt L - wówczas algorytm przejdzie do 61

63 Rozdział 4 trybu oczekiwania aż do następnego dotknięcia - rys. 41. punkt M. Dynamiczne włączanie punktów cieplnych ma także pewną wadę: moduł TEC potrzebuje więcej czasu na zmianę temperatury powierzchni dotykanej. Przesterowanie Skórne receptory zimna są rozmieszczone na głębokości 0,17 mm, receptory ciepła na głębokości 0,3 mm [56]. Rowki wzdłuż linii papilarnych stanowią dodatkowy izolator, który utrudnia rozpoznawanie znaków cieplnych. Ta warstwa izolacji powoduje, że człowiek odczuwa temperaturę nieco niższą niż temperatura górnej powierzchni kostek tellurku bizmutu, na którym występuje zjawisko Seebecka. Teoretycznie temperatura punktów powyżej 315 K (42 C) powinna uszkodzić skórę. W praktyce punkty ustawione na 323 K (50 C) odczuwane są jako bardzo ciepłe ale nie gorące. W celu szybszego rozpoznania temperatury przez użytkownika wprowadzono możliwość takiej konfiguracji urządzenia, aby mikromoduł Peltiera w momencie włączenia był podgrzewany do temperatury wyższej o ΔT OH ponad temperaturę zadaną w przypadku znaków ciepłych. Podczas wyświetlania znaków zimnych punkty dotykowe są schładzane do temperatury niższej o ΔT OH poniżej temperatury zadanej. Umożliwia to szybszą zmianę temperatury naskórka. Po osiągnięciu tej podwyższonej temperatury TEC jest sterowany tak, aby osiągnął temperaturę zadaną. Układ został tak skalibrowany, że w momencie gdy użytkownik rozpozna punkt dotykowy jako ciepły, temperatura górnej powierzchni mikromodułu Peliera jest obniżana do zadanej wartości - rys. 42. Użytkownik może regulować ΔT OH z okna aplikacji. Rys. 42. Chwilowe podniesienie temperatury punktu dotykowego 62

64 Rozdział 4 Budowa termicznej protezy dla niewidomych Dla zapewnienia jak najlepszego kontaktu cieplnego między mikromodułem Peltiera a radiatorem, mikropompy ciepła zostały przylutowane do płytki alundowej o rozmiarach 50 mm x 50 mm, na której wykonano ścieżki drukowane oraz pola lutownicze techniką sitodruku. Ograniczenia zastosowanej technologii to: minimalna szerokość ścieżek oraz odstęp między nimi powinien być większy niż 0,3 mm. Na zastosowanej płytce alundowej przy zachowaniu minimalnych szerokości ścieżek mieści się 49 punktów cieplnych w 7 kolumnach. Biorąc pod uwagę możliwość łączenia płytek w większy ekran, odległości między mikropompami Peltiera leżącymi przy krawędzi są mniejsze o co najmniej 0,3 mm. Dla zapewnienia takich samych odległości między sąsiednimi punktami leżącymi na sąsiednich płytkach wyznaczono, że odległość pionowa pomiędzy mikromodułami Peltiera powinna wynosić 7,24 mm. Pozostałe 0,68 mm przeznaczono na błąd niedokładności w wykonaniu sitodruku na płytce alundowej. Odległość pozioma została wyznaczona doświadczalnie podczas projektowania. Minimalne pole do ręcznego przylutowania przewodu od mikromodułu Peltiera określono na 1 mm x 2 mm. Dolna powierzchnia mikromodułów Peltiera jest mniejsza od górnej i wynosi 2 mm x 3 mm. Pierwotnie założono jednakową odległość pionową i poziomą między punktami cieplnymi, jednakże konieczność poprowadzenia ścieżek do zewnętrznych pól lutowniczych widocznych na lewej stronie zdjęcia skutkowała zmniejszeniem odległości poziomej do 6,5 mm. Biorąc pod uwagę rozmiary pojedynczej płytki alundowej oraz docelową powierzchnię całego ekranu dotykowego do wykonania matrycy użyto sześciu płytek alundowych. Ekran termiczny składa się z 294 mikromodułów Peltiera ułożonych w 14 wierszy i 21 kolumn. Rys. 43. przedstawia topografię płytki alundowej o rozmiarze 50 mm x 50 mm, na której można zobaczyć ścieżki elektryczne oraz prostokątne pola do przylutowania mikromodułów Peltiera. 63

65 Rozdział 4 Rys. 43. Projekt topografii połączeń mikromodułów Peltiera na płytce alundowej Na rys. 44. znajduje się zdjęcie wykonanej termicznej protezy dla niewidomych zbudowanej z 294 mikromodułów Peltiera. Rys. 44. Zdjęcie termicznej matrycy odczytowej dla niewidomych o dużej rozdzielczości 64

66 Rozdział 4 Po zakończeniu budowy układu wykonano zdjęcia termograficzne ekranu termicznego na którym wygenerowano kilka obrazków termicznych. Rys. 45. Zdjęcia termograficzne termicznej protezy odczytowej dla niewidomych. Temperatura punktów dotykowych jest zgodna z temperaturą zadaną z dokładnością +/- 1 K. Ciepły obszar w dolnym prawym rogu zdjęć pochodzi od stabilizatora napięcia zasilania. Punkty o ustawionej temperaturze są równie łatwe w odczycie na całej powierzchni ekranu. Za pomocą płytek drukowanych na podłożu alundowym rozwiązano problem kontaktu między mikromodułem Peltiera a radiatorem. Termiczny ekran dotykowy dla niewidomych składa się z trzech typów płytek elektronicznych. Pierwsza to płytka alundowa zawierająca 49 mikromodułów Peltiera oraz jeden miniaturowy termistor. Druga to płyta główna, na której znajduje się procesor nadrzędny odpowiedzialny za komunikację z komputerem PC i sześciopunktowy pomiar temperatury radiatora. Trzeci typ płytki jest odpowiedzialny za kontrolę różnicy temperatur mikromodułów Peltiera, komunikację z procesorem nadrzędnym oraz po włączeniu dynamicznego sterowania matrycą dokonuje detekcji, czy któryś z obsługiwanych mikromodułów Peltiera jest dotykany. W urządzeniu znajdują się 42 płytki tego typu. Pomiar napięcia Seebecka jest wykonywany na każdym mikromodule Peltiera przez przetworniki A/C wbudowane w mikrokontrolery ATmega8 [57]. Każdy z mikrokontrolerów steruje siedmioma mikromodułami Peltiera oraz mierzy na nich napięcie Seebecka. Zastosowanie wielu mikrokontrolerów zamiast jednego centralnego z multipleksowanymi kanałami analogowymi zostało podyktowane prostszą budową urządzenia oraz ceną elementów. 65

67 Rozdział 4 Płytki obwodów drukowanych oraz schematy Płyta główna o rozmiarach 270 mm x 270 mm jest odpowiedzialna za komunikację pomiędzy procesorami sterującymi mikromodułami Peltiera a komputerem PC. Widok projektu obwodów drukowanych płyty głównej znajduje się na rys. 46. Schemat płyty głównej został podzielony na cztery arkusze i znajduje się na rys. 47. rys. 50. Rys. 46. Projekt płyty głównej 66

68 Rozdział 4 Rys. 47. Schemat płyty głównej część 1/4 procesor nadrzędny Złącze JP100 służy do programowania mikrokontrolera ATmega16 firmy Atmel w trybie SPI. Elementy C1, C2 i L1 filtrują napięcie zasilające część cyfrową +5 od napięcia AVCC zasilającego przetworniki analogowo cyfrowe w mikrokontrolerach. Wejście AREF jest referencyjnym napięciem odniesienia używanym przez przetwornik A/C. Na port A zostały wyprowadzone multipleksowane wejścia przetwornika A/C służące do pomiaru temperatury za pomocą termistorów. Port szeregowy USART wykorzystujący wyprowadzenia PD0(RXD), PD1(TXD), PB0(XCK) służy do synchronicznej komunikacji przez odpytywanie z czterdziestoma dwoma mikrokontrolerami znajdującymi się na płytkach sterujących mikromodułami Peltiera. Wyjście GP_Wiatrak włącza wentylator, gdy temperatura radiatora przekroczy 308 K. Port C mikrokontrolera jest współdzielony poprzez zatrzask ULN2803A między układem FT245BM obsługującym USB a diodami LED używanymi podczas programowania. Pozostałe TXE#, PWREN#, RXF#, WR, RD# są częścią magistrali używanej do komunikacji z układem FT245BM. 67

69 Rozdział 4 Rys. 48. Schemat płyty głównej część 2/4 komunikacja USB Ponieważ mikrokontroler ATmega16 [58] posiada tylko jeden port USART zdecydowano o wykorzystaniu układu FT245BM wykorzystującego magistralę ośmiobitową do komunikacji z komputerem PC. Diody D100, D101 oraz rezystor R100 zabezpieczają port USB przed wyładowaniami elektrostatycznymi. Rezystory R101, R119 oraz R103 służą do uaktywnienia układu FT245BM po podłączeniu urządzenia do portu USB w komputerze PC. Pamięć EEPROM100 służy do zapisania numeru identyfikacyjnego urządzenia. Port USB został wykorzystany w urządzeniu jako wirtualny port szeregowy. 68

70 Rozdział 4 Rys. 49. Schemat płyty głównej część 3/4 zasilanie Zewnętrzne napięcia zasilające +1V oraz 1V podłączyć należy do złącza JP102, natomiast zasilanie 7,5 V do złącza JP101. Układ U100 LM317 wraz z potencjometrem P100 jest odpowiedzialny za utrzymanie potencjału VCC = 2,5 V, do którego podłączone są wszystkie mikromoduły Peltiera. Ponieważ potencjał VCC jest odniesieniem dla pomiaru napięcia Seebecka, czyli bardzo małych napięć, a jednocześnie jest to połączenie wszystkich mikromodułów Peltiera, istotne jest, aby zmiany prądów płynące tą ścieżką były jak najmniejsze. Dla zmniejszenia zakłóceń, wywołanych przełączaniem prądów mikromodułów Peltiera, zastosowano baterię 24 niskoimpedancyjnych kondensatorów o łącznej pojemności 56,4 mf dla każdego z napięć zasilających mikromoduły Peltiera. 69

71 Rozdział 4 Rys. 50. Schemat płyty głównej część 4/4 połączenia do płytek sterujących mikromodułami Peltiera Złącze JP122 zostało użyte w układzie płyty głównej czterdziestodwukrotnie, do każdego złącza tego typu jest podłączona płytka sterująca siedmioma mikromodułami Peltiera. Miniaturowe termistory o rozmiarach 0,5 mm x 0,5 mm x 0,5 mm o bardzo małej bezwładności cieplnej zostały podłączone do linii AVCC oraz ADC_Therm. Potencjometr P102 odpowiada za ustawienie napięcia referencyjnego wykorzystywanego w przetwornikach A/C. 70

72 Rozdział 4 Czterdzieści dwie płytki z rys. 51. o rozmiarze 59 mm x 38,9 mm sterują wszystkimi mikromodułami Peltiera. Rys. 51. Projekt płytki sterującej siedmioma mikromodułami Peltiera Na każdej z płytek sterujących znajduje się mikrokontroler Atmega8, który steruje, za pomocą dwóch zatrzasków 74HC573, siedmioma układami IRF7319 zawierającymi po jednym tranzystorze mocy NMOS i PMOS. Dreny tranzystorów są połączone z odpowiednim mikromodułem Peltiera. Co kilka milisekund cyklicznie jeden z siedmiu mikromodułów Peltiera jest odłączany od zasilania i mierzone jest na nim napięcie przez multipleksowany na porcie A (ADC0-6) przetwornik A/C. Diody LED były używane podczas pisania programu i nie są istotne podczas docelowej pracy urządzenia. Płytka cyklicznie jest odpytywana przez procesor nadrzędny na płycie głównej przez synchroniczny port szeregowy USART (PD0, PD1, PD4). Złącze PROG1 służy do programowania mikrokontrolerów Atmega8 przez interfejs SPI. 71

73 Rozdział 4 Rys. 52. Schemat płytki sterującej siedmioma mikromodułami Peltiera Interfejs programu komputerowego Do wykonania testów autor rozprawy wykonał dedykowany program pokazany na rys. 53. Program pozwala nauczycielowi uczyć osoby niewidome rozpoznawania obrazów na termicznym ekranie dotykowym. 72

74 Rozdział 4 Rys. 53. Interfejs programu komputerowego do nauczania rozpoznawania obrazów z użyciem termicznego obrazu dotykowego dla niewidomych. Program pozwala na wybranie dowolnej temperatury w zakresie od 273 K (0 C) do 333 K (60 C). Zadana temperatura jest przypisana do lewego i prawego klawisza myszy. Wybór temperatury odbywa się poprzez kliknięcie na obszar czerwono-biały lub niebiesko-biały, kolor biały odpowiada temperaturze radiatora. Nauczyciel rysując na zakratkowanym polu po lewej stronie okna programu ustawia temperaturę wybranych punktów. Każdy punkt może przyjąć dowolną temperaturę z ww. zakresu. Po prawej stronie wyświetlany jest obraz zmierzonych temperatur wszystkich punktów cieplnych. Wykres u dołu ekranu prezentuje wartość temperatury w funkcji czasu ostatnio wybranego punktu. Program umożliwia odczytywanie i zapisywanie grafiki w formacie bmp o odpowiednich rozmiarach oraz mierzy czas wykonania ćwiczenia. W menu górnym programu znajdują się zdefiniowane figury geometryczne, słupki, litery czarnodruku i znaki pisma brajlowskiego. Zdefiniowane znaki oraz wczytywane obrazy rysowane są temperaturą klawisza lewego, natomiast tło temperaturą obudowy. Tak przygotowany program umożliwił przeprowadzenie serii ćwiczeń z udziałem osób niewidomych. 73

75 Rozdział 5 Rozdział 5 Przeprowadzenie ćwiczeń z udziałem osób niewidomych 5 W rozdziale opisano przeprowadzone ćwiczenia w rozpoznawaniu znaków termicznych. Na podstawie doświadczeń zebranych przez wykonawcę urządzenia autora rozprawy ograniczono temperaturę maksymalną wyświetlanych punktów, tak aby urządzenie było bezpieczne w użytkowaniu. Rozmowy z nauczycielami orientacji przestrzennej o sposobach nauczania rozpoznawania grafiki wypukłej stanowiły bazę do przygotowania ćwiczeń dla osób niewidomych. Ćwiczenia zostały opracowane przez Panią Izabelę Kaiser specjalizującą się w tyflopedagogice studentkę Uniwersytetu Pedagogicznego. Sposób przeprowadzenia ćwiczeń został zaakceptowany przez prof. J. Zielińską profesor Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie pracującą w Instytucie Pedagogiki Specjalnej. Ćwiczenia składały się z trzech spotkań, podczas których osoba niewidoma rozpoznawała generowaną grafikę. Zanotowano czas potrzebny do wykonania każdego ćwiczenia, poprawność wykonania ćwiczenia oraz uwagi do pracy urządzenia lub ewentualnych zmian. W rozdziale zawarto wyniki i wnioski z przeprowadzonych ćwiczeń. Metoda przeprowadzenia ćwiczeń W pierwszej kolejności testy zostały wykonane przez konstruktorów urządzenia następnie z udziałem osób niewidomych. Teoretycznie żywa tkanka ulega poparzeniu już w temperaturze 315 K (42 C) jednakże ustalona temperatura nie jest temperaturą palca, a temperaturą wewnętrznej części mikromodułu Peltiera o niewielkiej mocy. Warstwa ceramiki, martwej tkanki na opuszkach palców i powietrza zgromadzonego w rowkach linii papilarnych stanowią rezystancję termiczną i pojemność cieplną znacznie obniżającą wyższą temperaturę oraz utrudniającą szybkie rozpoznanie. Można przyjąć, że dopóki użytkownik nie stwierdza, że punkt cieplny parzy to temperatura receptorów ciepła jest niższa niż 315 K. Temperatura maksymalna została ograniczona programowo do 333 K (60 C) ponieważ powyżej tej temperatury korzystanie z urządzenia uznano za niebezpieczne. Dotykanie tak 74

76 Rozdział 5 małych elementów o temperaturze bliskiej 273 K uznano za bezpieczne ze względu na niewielką wartość strumienia ciepła i mocy cieplnej wydzielaną przez mikromoduł Peltiera. Interfejs programu sterującego pozwala na wybranie dla dowolnego punktu dotykowego temperatury powyżej 273 K. Podczas ćwiczeń stwierdzono, że im bardziej temperatura punktów dotykowych różni się od temperatury palca tym detekcja jest łatwiejsza i szybsza. Uznano, że optymalna temperatura punktów ciepłych to 328 K (55 C). W przypadku punktów zimnych im niższa temperatura tym łatwiejsze rozpoznanie. Czas, który potrzebował autor rozprawy na rozpoznanie temperatury określonego punktu wynosił podczas pierwszych testów około trzech sekund. Rozpoznanie prostej figury geometrycznej wymagało około jednej minuty dotykania. Nie były to zadowalające efekty. Następnie do badań zaproszono osobę niewidomą. Zdjęcia na rys. 54. przedstawiają osobę niewidomą czytającą znaki termiczne. Rys. 54. Testowanie urządzenia przez osobę niewidomą Osoba z Specjalnego Ośrodka Szkolno-Wychowawczego dla Dzieci Niewidomych i Słabowidzących w Krakowie rozpoznawała pojedyncze punkty w czasie mniejszym niż jedna sekunda. Przy próbach zmian temperatury osoba niewidoma uznała, że optymalna temperatura ciepłego punktu dotykowego to około 318 K (45 C), optymalna temperatura zimnego punktu to 75

77 Rozdział 5 około 283 K (10 C). Ponadto w przeciwieństwie do testów przeprowadzanych przy poprzednich prototypach w których nie użyto warstwy alundowej niewidomy uczeń uznał, że łatwiej czyta się znaki zimne niż ciepłe. Metoda przeprowadzenia ćwiczeń z udziałem osób niewidomych Metoda przeprowadzania ćwiczeń została opracowana i zaakceptowana przez grupę nauczycieli osób niewidomych specjalizujących się w nauczaniu orientacji przestrzennej. Ćwiczenia zostały przeprowadzone pod okiem tychże nauczycieli w Specjalnym Ośrodku dla Dzieci Niewidomych i Niedowidzących w Krakowie. Autor rozprawy utrzymuje, że metoda przeprowadzania testów z udziałem osób jest w zgodzie z Deklaracją Helsińską oraz, że została przedstawiona i zaakceptowana przez osoby testujące oraz ich opiekunów. Program ćwiczeń został oparty na podręczniku do nauki orientacji przestrzennej autorstwa Sally Mangold [59] oraz na wnioskach nauczycieli tego przedmiotu. Grupa osób biorących udział w ćwiczeniach została ograniczona przez następujące kryteria: orzeczenie o dysfunkcji wzroku uczęszczanie do Specjalnego Ośrodka dla Dzieci Niewidomych i Niedowidzących w Krakowie chęć do udziału w badaniach. Dwadzieścia jeden osób spełniających powyższe kryteria zostało zakwalifikowanych do wykonania ćwiczeń. Dziewiętnaście osób ukończyło pierwsze spotkanie, jedenaście osób wykonało ćwiczenia podczas drugiego i trzeciego spotkania. Różnica w liczbie osób biorących udział w kolejnych ćwiczeniach wynika z ich rezygnacji. Wśród testujących urządzenie piętnaścioro osób jest zupełnie niewidomych, a czworo prawnie niewidomych. Testy przeprowadzone przez dwie osoby nie zostały uwzględnione w wynikach, ponieważ osoby te miały trudności w skupieniu się nad powierzonym im zadaniem. Osoba prawnie niewidoma to osoba z obniżoną ostrością wzroku poniżej 0,05 oraz/lub ze zredukowanym polem widzenia poniżej 10 stopni. Taka osoba może zobaczyć światło, kolory i obrazy na bardzo małym obszarze. Osoba zupełnie niewidoma nie może zobaczyć czegokolwiek. W ćwiczeniach brało udział jedenaście osób płci żeńskiej oraz dziesięć osób płci męskiej. Zadania różniące się od 76

78 Rozdział 5 siebie zostały pokazane na rys. 55., pominięto zadania podobne do siebie. Osoby testujące miały za zadanie odpowiedzieć na pytanie dopasowane do każdej grafiki. Zadanie 1 Pyt.: Jaki rodzaj linii jest wyświetlany? Przesuń palec wzdłuż linii. Gdzie kończy się linia? Odp.: Pozioma linia (wskazanie palcem końca linii). Zadanie 3 Pyt.: ile linii jest wyświetlanych? Która z nich jest najkrótsza a która najdłuższa? Odp.: Trzy poziome linie (poprawne wskazanie). Zadanie 4 Pyt.: Określ rodzaj linii i jej położenie. Odp.: Linia skośna rozpoczynająca się w górnym lewym rogu. Zadanie 6 Pyt.: Co jest wyświetlone na ekranie? Odp.: Pionowa linia Zadanie 8 Pyt.: Co jest wyświetlone na ekranie? Odp.: Cztery pionowe linie (poprawne wskazanie najdłuższej i najkrótszej). 77

79 Rozdział 5 Zadanie 9 Pyt.: Jaki rodzaj linii znajduje się na ekranie? Odp.: Przerywana pozioma linia Zadanie 10 Pyt.: Jaka figura geometryczna jest wyświetlana na ekranie? Odp.: Prostokąt Zadanie 12 Pyt.: Jaka figura geometryczna jest wyświetlana na ekranie? Odp.: Trójkąt Zadanie 14 Pyt.: Wskaż kwadraty? Odp.: Poprawne wskazanie trzech kwadratów Zadanie 15 Q: Co jest na ekranie? A: Krzyż 78

80 Rozdział 5 Zadanie 17 Pyt.: Jakie figury geometryczne są wyświetlane na ekranie? Odp.: Trójkąt po lewej stronie i prostokąt po prawej. Rys. 55. Wybrane zadania 1-17 znaki graficzne użyte podczas nauczania niewidomych rozpoznawania znaków termicznych. Pytania i poprawne odpowiedzi. Izabela Kaiser - autor testu. Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie. 79

81 Rozdział 5 Technika wykonywania ćwiczeń Cały eksperyment składał się z trzech spotkań, podczas których osoba niewidoma miała za zadanie rozpoznanie siedemnastu obrazków generowanych na termicznym ekranie dotykowym. Na początku pierwszego spotkania każdy uczeń wykonywał ćwiczenie wprowadzające. Podczas tego ćwiczenia generowane były obszary ciepłe i zimne o temperaturze wybranej przez użytkownika i w miejscu wybranym przez użytkownika. Osoba niewidoma mogła wybrać temperaturę punktów dotykowych, która w jej opinii jest najłatwiejsza do rozpoznania, wybrana temperatura była używana podczas późniejszych ćwiczeń. Następnie uczeń sprawdzał i wybierał część dłoni którą rozpoznawał znaki cieplne. Po przeprowadzeniu ćwiczeń okazało się, że najłatwiejszym sposobem rozpoznania znaku cieplnego jest dotykanie urządzenia za pomocą nadgarstka - rys. 56., zewnętrznej części palców - rys. 57. lub dotykanie całego ekranu za pomocą całych dłoni - rys. 58. Rys. 56. Lokalizowanie znaku cieplnego za pomocą nadgarstka 80

82 Rozdział 5 Rys. 57. Lokalizowanie znaku cieplnego za pomocą zewnętrznych części palców Rys. 58. Lokalizowanie znaku cieplnego za pomocą całych dłoni 81

83 Rozdział 5 Wyniki z ćwiczeń w rozpoznawaniu grafiki termicznej Po ćwiczeniu wprowadzającym każdy uczestnik został poproszony o wykonanie siedemnastu ćwiczeń, część z nich znajduje się na rys. 55. W tabelach 3-5 zawarto wartości czasów potrzebnych do poprawnego rozpoznania każdego obrazka termicznego. Puste miejsca w tabeli oznaczają niepoprawną odpowiedź lub brak odpowiedzi. Wartości podano w sekundach. Tabela 3. Czasy potrzebne do poprawnego wykonania ćwiczenia podczas pierwszego spotkania, wartości podano w sekundach. G dziewczyna, B chłopak, C osoba zupełnie niewidoma, L osoba prawnie niewidoma, T technikum, M gimnazjum, E szkoła podstawowa. Pewne obrazy termiczne np. ćw. 8 lub 17 sprawiały większe trudności niż inne. Osoby bardziej wytrwałe w dążeniu do uzyskania właściwej odpowiedzi spędzały bardzo dużo czasu nad trudnymi zadaniami w porównaniu do zadań łatwiejszych. Dla lepszego wyobrażenia przeciętnego czasu wykonania zadania po prawej stronie tabeli podano medianę a nie średni czas wykonania ćwiczenia. 82

84 Rozdział 5 Tabela 4. Czasy potrzebne do poprawnego wykonania ćwiczenia podczas drugiego spotkania, wartości podano w sekundach. Tabela 5. Czasy potrzebne do poprawnego wykonania ćwiczenia podczas trzeciego spotkania, wartości podano w sekundach. Rys. 59. przedstawia medianę czasów potrzebnych do poprawnego rozpoznania obrazków dla każdego ucznia, który uczestniczył we wszystkich trzech spotkaniach. Interwał czasu pomiędzy kolejnymi spotkaniami wynosił od tygodnia do miesiąca. Na rys. 59. można zauważyć skracanie czasu potrzebnego dla poprawnego wykonania ćwiczenia. Rys. 60. przedstawia procent poprawnych odczytów grafiki termicznej. Można zauważyć poprawę rozpoznawalności grafiki podczas kolejnych spotkań. Z jednej strony osoby niewidome uczyły się techniki rozpoznawania znaków termicznych, z drugiej strony mogły zapamiętać poprzednie ćwiczenia i wiedziały czego mogą się spodziewać. 83