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非接触式二维温度量测系统
第十四届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 黃致憲、謝凈川等】2020年11月17日 星期二

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在日常生活中里,水的温度控制是非常重要的,例如饮水机与水族馆里的鱼缸水温控制,如果没有良好的温度控制系统,就没办法让机器正常运作或是生物生存,将可能导致不可想像的後果,因此,使用超音波感测器来制作成温度感测器,能够24小时侦测水温的变化。


有别於在市面上常见的温度感测器,如红外线温度感测器,其量测方式是接收物体发出的红外线能量,即可得到温度资讯,但是使用红外线测量水温时,容易受到外在的辐射及光线影响,因此,有可能产生出错误的温度讯息,而且红外线温度感测器,只能测得某一区域的水温,无法得知整体水温度的分布趋势,所以利用超音波感测技术来突破使用红外线等量测温度的限制,利用多组的超音波感测器,分别放置於水里的各地方,利用此种方式,不仅可以提高温度测量的准度,还可透过演算法计算出整个空间的温度分布。


我们利用十二组超音波发射与接收组,量测温度与感测器接收讯号之时间差,以计算出温度资讯。使用HT66F70A微控制器控制与分析感测器之讯号,并传送到个人电脑,利用MATLAB环境,执行演算法以实现二维温度分布图。


在市面上的温度感测器有许多种的量测方法,而这些方法大多采取单端的测量,故无法准确地得知整体的温度分布,而最常见的方法是利用红外线来测量,此种方法容易受到外在环境的影响,例如光线及辐射干扰,因此,造成测量温度上的不准确,而这次为了要解决光线及辐射的干扰,将超音波取代红外线来量测温度,使用超音波来量测的话,超音波不受光线及辐射的干扰,而且测量方法采取双端测量,因而提高测量温度的准确性,并且可得知温度的整体分布。


其原理为发射器会发射出频率1MHz讯号给接收器,其水中的介质会影响到超音波的速度,接收器接受到超音波之後,利用从发射到接收所耗费的时间,即可推算出水的温度,不仅如此,将整体所获得到的讯号,传送到PC里,再经由MATLAB做一个整体温度分布的重建,可得知到整个空间中的温度分布。


此技术可以大量使用在养殖业者身上,将超音波感测器平均放置於水里的各地方,随时监控鱼??整体的温度,如此一来,可以很精准的掌握鱼??的哪个区域温度特别低,或是哪个区域加热过头导致温度特别高,再将那区块的水温作调整,因此,不仅可以节约能源,也可以大大降低鱼的死亡率。


工作原理

硬体部分

我们使用十二组压电片当作接收发器,并且将其压电片平均固定於鱼缸内,将鱼缸内的水使用加热棒加热之後,然後使用多工器来控制哪个压电片导通电压,导通电压的压电片即成为发射端,发射端的压电片本身加上电压产生出声波来,声波会藉由介质(水)传送到接收端的压电片。之後,声速会受到温度改变的影响,造成从发射到接收到的时间改变,利用时间差即可计算出水的温度。


而HOLTEK MCU在此电路里扮演非常重要的角色,MCU主要有三种功能,首先,MCU会透过串列周边介面(Serial Peripheral Interface;SPI)来控制脉冲讯号产生器(Burst Signal Generator)来产生出脉冲讯号(Burst signal),再来MCU会经由通用型之输入输出(General Purpose I/O;GPIO),来控制多工器(MUX)的通道哪个需要导通,而液晶萤幕(LCD)模组会显示出哪个通道为导通的,最後,MCU也会利用GPIO来控制LCD模组,此外,我们也使用到光敏电阻,利用其光线亮暗会造成不同电流值的特性,经由电流流过电阻转换成压降,在输入至HT66F70A之类比对数位转换器(Analog-To-Digital Converter;ADC)端囗,即可判别是否致能LCD背光,故当在有光线照射的情控下,LCD本身就会是暗的,反知,当没有光线照射时,LCD本身就会亮起来。


软体部分

以LabVIEW所得到的路径平均速度为基础,以适当的演算法重新模拟出水缸内的温度分布。


首先在MATLAB中模拟出水缸的大小以及感测器摆放的位置,以其中一角为原点,将整个环境座标化,再由水缸的长宽围起的区域中均匀的布上叁考点覆盖整个区域。这些叁考点将会作为重建的基准点,重建的分布图将会由这些叁考点内??布值而成,如图1所示,而在图2中可看出在MATLAB中模拟水缸的大小,以及感测器摆放位子红点为12个感测器之位置,其中绿线为声波传递之路径,蓝点为分布的叁考点。


图1 : 在水缸范围内均匀地分布叁考点
图1 : 在水缸范围内均匀地分布叁考点
图2 : 在MATLAB中的环境设置
图2 : 在MATLAB中的环境设置

第一步,会先粗略的计算出所有叁考点的值,以叁考点座标为中心,定义一数值作为基准距离,计算叁考点至所有路径的距离,只要这个距离是小於基准距离的就视为此路径必须被考虑,而叁考点的数值就由被考虑的所有路径平均而来,如此以来便可以获得粗略的温度分布图,图3为如何定义需考虑之路径示意图。



图3 : 定义需考虑之路径示意图
图3 : 定义需考虑之路径示意图

接下来,如图4所示,为了能够更加精确的计算出叁考点的数值,这边应用叠代的方法。进行叠代前必须要先找出误差,而误差定义为由路径上所有包含的叁考点数值平均而得的速度与路径的速度的差值,由误差的大小决定叠代时调整叁考点数值的大小。在进行多次叠代直至每一点叁考点数值皆收敛时完成叠代。而此时可以得到一组新的叁考点数值,在藉由线性内??法,以叁考点数值为内??叁考点,便可以得到最後的温度分布图。


图4 : 叠代流程图
图4 : 叠代流程图

作品结构

如图5所示,使用了12个压电片当作收发感测器,并且将所有的压电片平均放置鱼缸内部,再将一热源放置水里的中央,使用MCU微控制器控制周边,其整个执行过程如图6所示,将发射端的压电片输入Burst讯号,使压电片发生震动进而产生超音波声波,声波会藉由介质(水)传递,被接收端的压电片接收,传送到後端讯号处理(Post signal Processing),再由资料撷取卡 (Data Acquisition;DAQ)撷取接收讯号,将此讯号使用MATLAB演算法处理後,可输出可视觉化2D平面温度图。


图5 : 架构图
图5 : 架构图

图6 : 流程图
图6 : 流程图

在此作品中,HOLTEK MCU之主要核心功能可分为四种,如图7所示,首先,MCU会透过通讯协定(SPI)来控制Burst Signal Generator 产生输出的Burst讯号,之後,Burst讯号输入至MUX的输入端,而控制MUX的方式,MCU透过通讯协定(GPIO)来控制MUX要输出哪个通道,最後,LCD的模组控制方面,MCU也是使用GPIO来控制LCD需要显示的文字,最後,还使用到ADC端囗连接到光敏电阻,以判别是否致能LCD背光,当没光线照射道光敏电阻时,LCD本身为亮的,反知,若光敏电阻照射到光线时,LCD就会是暗的。



图7 : HOLTEK MCU之主要核心功能示意图
图7 : HOLTEK MCU之主要核心功能示意图

测试方法

硬体部分

首先,如图8所示,我们将12组压电片平均固定於鱼缸内的壁面上,再来将鱼缸内部装满水,再将加热棒置於鱼缸的中间进行加热,


而整个电路架构如图9所示,先启动电路板的电源,如图10所示,而我们的电压及电流设定为12.05V及0.27A,接下来使用微控制器将所有功能初始化,其初始化的功能包含SPI通讯协定、多工器设定以及液晶萤幕初始化,接下来按下开始按键,多工器会照着设定,依照顺序输出Burst讯号於每个通道,而液晶萤幕(LCD)会显示出哪个通道为导通的,此外,我们还在电路板上添加了一个光敏电阻,在有光线照射的情况下,LCD本身会是暗的(图11所示),反知,当无光线照射情况下,LCD本身就会是亮的(图12所示),而水中的压电片会随多工器的控制,执行传送与接收,之後,将接收到的结果输入至DAQ,计算出两两面对面之压电片声波速度,如:通道一对通道九,通道二对通道八,而我们利用LabVIEW来制作人机介面,如图13所示,压电片接收到的数值会显示於LabVIEW介面上,而计算声速的方式如图14所示,固定接收端与传送端之间的距离,而传送时间会随着水的温度变化而改变,利用图中的公式,即可计算出声速为多少。



图8 : 鱼缸内的架设
图8 : 鱼缸内的架设

图9 : 电路架构
图9 : 电路架构
图10 : 电路板电压电原设定
图10 : 电路板电压电原设定

图11 : 有光线照射情况下,LCD为暗的
图11 : 有光线照射情况下,LCD为暗的

图12 : 没光线照射情况下,LCD为亮的
图12 : 没光线照射情况下,LCD为亮的

图13 :  LABVIEW介面
图13 : LABVIEW介面

图14 : 计算声速的方法
图14 : 计算声速的方法

软体部分

我们从常温水开始加热,加热的时间为十五分钟,而在LabView所抓取到的数值,经由MABLAB使用演算法处理之後,可得到整体鱼缸内的温度分布,以及加热时间对应到的温度,将十五分钟平均分成三个时间点,来观察水温的变化,如图15及图16所示,为一开始加热的2D及等高线的加热图,可以看得出来水温在常温下大约落在25度到30度之间,而越靠近鱼缸的中心点的位置温度越高,是因为我们将加热棒架设於此处,经过七分半钟的加热之後,如图17及图18所示,温度开始缓慢的上升,而越靠近加温棒的位置温度变化越明显,过了十五分钟後,如图19及图20,从温度分布等高线图来看,可明显的看出加热棒附近的水温持续上升中,但离加温棒较远处的水温并无明显的反应,其原因是因为加温棒本身功率不大(约916W),尚无法将整个鱼缸的水温在短时间内达到大范围的温差。



图15 : 刚开始加热的2D温度分布图
图15 : 刚开始加热的2D温度分布图

图16 : 刚开始加热的温度分布等高线图
图16 : 刚开始加热的温度分布等高线图

图17 : 经过七分半钟加热的2D温度分布图
图17 : 经过七分半钟加热的2D温度分布图

图18 : 经七分半钟加热的温度分布等高线图
图18 : 经七分半钟加热的温度分布等高线图

图19 : 经过十五分钟加热的2D温度分布图
图19 : 经过十五分钟加热的2D温度分布图

图20 : 经十五分钟加热的温度分布等高线图
图20 : 经十五分钟加热的温度分布等高线图

图21及图22分别是测量水缸温度使用电汤匙把水加热持续十五分钟的实验数据,可以看出来一开始加热上升温度变化剧烈,加热一两分钟内会有较大的温升,当热源发热时与水存在较大的温度差(代表能量差大),随着加热时间变多,热扩散出去便能量差减少会使温度变化趋缓,得知加热十五分钟之後,水缸水温温差约落在8~10度之间。



图21 : 第一次水温测试曲线图
图21 : 第一次水温测试曲线图

图22 : 第二次水温测试曲线图
图22 : 第二次水温测试曲线图

(本文作者黄致宪1、谢茈川2、李承佑3、陈立祥4、林福松5为国立成功大学电机工程学系1教授、2-5学生)


叁考文献


[1] Yang Yu, Qingyu Xiong, Qiude Li, Chao Wu, Kai Wang, Min Gao and Shan Liang, “A method for ultrasound thermal image distribution reconstruction”, Meas. Sci. Technol., pp 9(30), 2019.


[2]Yang Yu, Qingyu Xiong, Qiude Li, Chao Wu, Kai Wang, Min Gao and Shan Liang, “A method for ultrasound thermal image distribution reconstruction”, Meas. Sci. Technol., pp 9(30), 2019.


[3]Yang Yu, Qingyu Xiong, Qiude Li, Chao Wu, Kai Wang, Min Gao and Shan Liang, “A method for ultrasound thermal image distribution reconstruction”, Meas. Sci. Technol., pp 9(30), 2019.


[4]Yanqui Li, Shi Liu and Schlaberg H. Inaki, “Dynamic Reconstruction Algorithm of Three-Dimensional Temperature Field Measurement by Acoustic Tomography”, Sensors, 17, 2084, 2017.


[5]Hua Yan, Zhao Ma and Ying Gang Zhou, “Acoustic Tomography System for Online Monitoring of Temperature Fields”, IET Sci. Meas. Technol., Vol. 11, Issue No. 5, pp 623-630, 2017.


[6]Sha Liu, Shi Liu, and Ting Ren, “Acoustic Tomography Reconstruction Method for the Temperature Distribution Measurement”, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 66, No. 8, 2017.


[7]Yong Bao, Jiabin Jia and Nick Polydorides, “Real-time temperature field measurement based on acoustic tomography”, Meas. Sci. Techol., pp 12(28), 2017.


[8]Ruixi Jia, Quingyu Xiong, Guangyu Xu, Kai Wang and Shan Liang,” A Method for Two - Deminsional Temperature Field Distribution Reconstruction”, Applied Thermal Engineering, pp 961-967(111), 2017.


[9]Abolfezl Mehranian, Fotis Kotasidis and Habib Zaidi,” Accelerated time-of-flight (TOF) PET image reconstruction using TOF bin subsetization and TOF weighting matrix pre-computation”, Phys. Med. Biol., 61, pp 1309-1331(61), 2016.


[10]Zhong Zhou, Delei Tian, Zhaohui Wu, Zhiyi Bian and Wei Wu, “3-D Reconnstruction of Flame Temperature Distribution Using Tomographic and Two-Colour Pyrometric Techniques”, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 64, No. 11, 2015.


[11]Manuel Barth and Armin Raabe, “Acoustic tomographic imaging of temperature and flow fields in air”, Meas. Sci. Technol., pp 13(22), 2011.


[12]Yuan Wen-Ju, Xu Kun and Hou A-Lin, “Reconstruction of 3-D Temperature Distribution for Combustion Flame Image”, IEEE CMCE, 2010.


[13]Feng Tian, Song Liu, Changhui Zhang and Weijun Zhang, “Study on Reconstruction Algorithm of Two-Dimensional Temperature Field Based on Simulation of Sound Propagation Path”, IEEE, DOI: 10.1109/ICEMI.2009.5274189.


[14]George Kychakoff, Andrew F Hollingshead and Stewart P. Boyd, “Use of Acoustic Temperature Measurements in the Cement Manufacturing Pyroprocess”, IEEE, DOI:10.1109/CITCON.2005.1516350.


[15]Peter Holstein, Armin Raabe, Roland Muller, Manuela Barth, David Mackenzie and Eric Starke, “Acoustic tomography on the basis of travel-time measurement”, Meas. Sci. Technol., pp 1420-1428(15), 2004.


[16]Tat Hean Gan and David A. Hutchins, “Air-Coupled Ultrasound Tomographic Imaging of High- Temperature Flames”, IEEE Trans., Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 50, No. 9, 2003.


[17]Manro Bramanti, Emanuele A. Salerno, Anna Tonazzini, Sauro Pasini and Antonio Gray, “An Acoustic Pyrometer System for Tomographic Thermal Imaging in Power Plant Boilers”, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 45, No. 1, 1996.


[18]e-Link for 8-Bit MCU ICP User’s Guide 操作手册


[19]HT66F70A 操作手册


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