MLX90601系列紅外測溫模塊的原理及應(yīng)用

摘要：MLX90601系列模塊是一組通用的紅外測溫模塊。在出廠前該模塊已進行校驗及線性化，精度高、體積小，被測物體溫度和環(huán)境溫度能分雙通道輸出，并且有多種輸出接口，在多種精密設(shè)備裝置中都有廣泛的應(yīng)用。文中以MLX90601EZA-CAA為例介紹其原理及應(yīng)用方法。
關(guān)鍵詞：MLX90601EZA-CAA；紅外測溫；PWM；SPI
中圖分類號：TP216    文獻標識碼：B  文章編號：1006-6977（2006）01-0047-04

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(yīng)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(yīng)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(yīng)用。

2 測溫原理概述
    PWN的全稱是Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制）即通過調(diào)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(diào)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(guān)穩(wěn)壓電源、不間斷電源（UPS）以及直流電機調(diào)速，交流電機變頻調(diào)速等控制電路中有著廣泛應(yīng)用。

    SPI（Serial Peripheral Interface）是Motorola公司提出的一個同步串行外設(shè)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(chǎn)的MLX90601系列測溫模塊是應(yīng)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(yīng)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(jié)果，理想情況下MLX90247輸出電壓為：
   

    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(nèi)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(jīng)內(nèi)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(jīng)A/D轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)用產(chǎn)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(nèi)部預(yù)設(shè)值，并且還具有繼電器驅(qū)動輸出，進一步驅(qū)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(yīng)用設(shè)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(nèi)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(yù)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(shè)置的溫度下限（出廠設(shè)置為－20℃），Tmax為設(shè)置的溫度上限（出廠設(shè)置為120℃）。

    輸出溫度值與DutyCycle的線性關(guān)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(nèi)（－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(guān)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(nèi)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(zhuǎn)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(jié)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)?/SPAN>1時定時器開始計數(shù)，當單片機判斷T值由1變?yōu)?/SPAN>0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)?/SPAN>1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(jié)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(yīng)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(shè)為Sensor1）及由接觸式溫度傳感器（設(shè)為Sensor2）組成的電路都用密封罩罩住，測量罩內(nèi)溫度，經(jīng)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(yīng)速度較快的應(yīng)用中，MLX90601系列紅外測溫模塊是很好的選擇。