MLX90601系列紅外測溫模塊的原理及應用

1 引言

一般來說，測溫方式可分為接觸式和非接觸式，接觸式測溫只能測量被測物體與測溫傳感器達到熱平衡后的溫度，所以響應時間長，且極易受環(huán)境溫度的影響；而紅外測溫是根據(jù)被測物體的紅外輻射能量來確定物體的溫度，不與被測物體接觸，具有不擾動被測物體溫度分布場，溫度分辨率高、響應速度快、測溫范圍廣，穩(wěn)定性好等特點，近年來在汽車電子、航空和軍事上得到越來越廣泛的應用。

2 測溫原理概述

pwn的全稱是pulse width modulation（脈沖寬度調制）即通過調節(jié)脈沖的周期、寬度，以達到變壓、變頻的目的，數(shù)字式脈寬調制方式中，數(shù)字是控制信號，通過改變高低電平數(shù)的比值達到改變占空比的目的，pwm控制電路在開關穩(wěn)壓電源、不間斷電源（ups）以及直流電機調速，交流電機變頻調速等控制電路中有著廣泛應用。

spi（serial peripheral interface）是motorola公司提出的一個同步串行外設接口，容許cpu與各種外圍接口器件以串行方式進行通信、交換信息，即可以提高傳輸速度也可以減小器件的資源占用，另外即使在沒有spi接口的單片機上也可利用軟件進行模擬。

melexis公司生產的mlx90601系列測溫模塊是應用非常方便的紅外測溫裝置，其所有的模塊都在出廠前進行了校驗，并且可以直接輸出線性或準線性信號，具有很好的互換性，免去了復雜的校正過程。

該模塊以mlx90247熱電元件作為紅外感應部分。輸出是被測物體溫度（to）與傳感器自身溫度（ta）共同作用的結果，理想情況下mlx90247輸出電壓為：

vir＝a（ta4－to4）

其中溫度單位均為kelvin，a為儀器常數(shù)。

傳感器自身溫度由mlx90247內置的熱敏電阻測定測量，從mlx90247中輸出的兩路溫度信號分別經內部mlx90313器件上兩路高性能、低噪聲的斬波穩(wěn)態(tài)放大器放大再經a/d轉換后輸出。

該系列模塊精度可達±0.2℃，體積小巧，被測物體和環(huán)境溫度能分雙通道輸出，有多種輸出方式：模擬線性輸出、pwm輸出、可編程spi輸出等，適于多種應用環(huán)境，下面以mlx90601－caa為例，重點介紹其特性和使用方法。

mlx90601eza－caa用工業(yè)和商業(yè)2種應用產品。能以pwm和spi兩種方式分別輸出被測物體和傳感器溫度，另外通過spi可編程引腳還可以更改模塊內部預設值，并且還具有繼電器驅動輸出，進一步驅動后續(xù)電路。

3 mlx90601eza－caa簡介

mlx90601eza－caa的電氣特性如表1所列。引腳排列如圖1所示，各引腳的功能如下：

rel1（1腳）：繼電器輸出；
vss（2腳）：地；
vdd（3腳）：電源；
sdin（4腳）：spi數(shù)據(jù)入口；
sdout（5腳）：spi數(shù)據(jù)出口；
csb（6腳）：片選；
sclk（7腳）：時鐘；
irout（8腳）：pwm輸出被測物體溫度；
vref（9腳）：參考電壓；
tempout（10腳）：pwm環(huán)境溫度輸出。
4 應用設計

4.1 mlx90601eka－caa測溫特性

以pwm輸出為例，mlx90601eka－caa溫度信號的pwm輸出格式如圖2所示。

pwm信號的典型周期是102.4ms，每個周期始于一段前向緩沖時間t1，該時間段內輸出信號始終為1；t2和t3為有效信號部分；t4為報錯信號部分，如：傳感器溫度超過預值、發(fā)生某些不可被mlx90313自動修復的措施等；t5為后向緩沖時間，輸出信號始終為0。各時段占空比說明如表2所列。

溫度值計算公式如下：

其中：t為測得溫度，dutycycle為t2在時序圖中所占的百分比，即t2/總周期t，tmin為設置的溫度下限（出廠設置為－20℃），tmax為設置的溫度上限（出廠設置為120℃）。

輸出溫度值與dutycycle的線性關系如圖3所示，由圖中可以看出：在傳感器可測的有效范圍內（－20℃－120℃），待測物體溫度值及傳感器自身溫度值都與dutycycle呈良好的線性關系。

4.2 單片機接口電路

mlx90601－caa與單片機連接的硬件電路如圖4所示。mlx90601eka－caa供電電壓是＋5v。cs和ir、tempout腳直接接mcu的普通i/o口即可，但由于其內部電路的某些原因，致使這樣接的電路ir、tempout腳采集的信號始終為0。解決方法是在mlx與mcu之間接入一個三態(tài)門（如74hc125）：mlx的cs腳與三態(tài)門控制端（en）都接入mcu的i/o口，將mlx的輸出信號先接入三態(tài)門輸入端，然后將輸出信號再接入到mcu的i/o口即可。

spi接口電路如圖4所示，也需用三態(tài)門進行轉接。其工作時序如圖5、6所示。當mlx的片選信號出現(xiàn)一個下降沿時，寫命令開始，再出現(xiàn)一個上升沿時寫命令結束。其間共有32個時鐘脈沖出現(xiàn)，始終上升沿有效。讀命令也如此。sdi寫命令的順序是：8位命令、8位地址、16位數(shù)據(jù)，高位在前；在輸入寫命令8個時鐘周期后，在sdo口輸出輸入的命令碼、地址碼以及頭8位數(shù)據(jù)以供校驗用。讀命令與寫命令基本類似，不再贅述。

4.3 軟件流程圖

采集一個pwm周期的軟件流程如圖7所示。其中t為irout或tempout引腳輸出值。采用定時器0或1記錄一個pwm脈沖的占空數(shù)：當t值由0變?yōu)?時定時器開始計數(shù)，當單片機判斷t值由1變?yōu)?時，提取tf0、th0、tl0（或tf1、th1、tl1）的值賦給一組中間變量，然后當t值由0變?yōu)?時，再提取tf0、th0、tl0（或tf1、th1、tl1）的值賦給第二組中間變量。計算出兩組中間變量代表的時間，第一組中間變量代表一個pwm脈沖高電平的時長，第二組中間變量代表總時長，dutycycle＝第一組值/第二組值，代入3.1節(jié)中溫度值計算公式則可以算出測得的溫度值。

4.4 實驗數(shù)據(jù)與結論

表3是mlx90601eza－caa采溫電路（表中簡稱mlx）、煤油溫度計及a1 100型數(shù)字式溫濕度測量儀的特性及實驗數(shù)據(jù)比較。

注：表3中，溫度計的"體溫"一項是采用醫(yī)用體溫計測量的，示數(shù)為36.5℃，mlx測得值與之非常接近。

在實驗中，mlx表現(xiàn)出很高的靈敏性和精確度，由于它是非接觸式測量，所以應用場合非常廣泛，并且在長時間工作的情況下對電路板散熱性能要求不高，如果將該電路（設為sensor1）及由接觸式溫度傳感器（設為sensor2）組成的電路都用密封罩罩住，測量罩內溫度，經過一段時間，sensor2示數(shù)能看到有明顯上升趨勢，這主要是因為sensor2將電路板散出的熱量也累加到環(huán)境溫度中，而sensor1的示數(shù)則基本保持平穩(wěn)，因此在嵌入式使用且要求精度較高、響應速度較快的應用中，mlx90601系列紅外測溫模塊是很好的選擇。