基于MLX90601系列測(cè)溫模塊的紅外測(cè)溫裝置介紹
1 引言
一般來(lái)說(shuō)，測(cè)溫方式可分為接觸式和非接觸式，接觸式測(cè)溫只能測(cè)量被測(cè)物體與測(cè)溫傳感器達(dá)到熱平衡后的溫度，所以響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，且極易受環(huán)境溫度的影響;而紅外測(cè)溫是根據(jù)被測(cè)物體的紅外輻射能量來(lái)確定物體的溫度，不與被測(cè)物體接觸，具有不擾動(dòng)被測(cè)物體溫度分布場(chǎng)，溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、測(cè)溫范圍廣，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，近年來(lái)在汽車電子、航空和軍事上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
2 測(cè)溫原理概述
PWN的全稱是Pulse Width Modulation(脈沖寬度調(diào)制)即通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的周期、寬度，以達(dá)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(hào)，通過(guò)改變高低電平數(shù)的比值達(dá)到改變占空比的目的，PWM控制電路在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源、不間斷電源(UPS)以及直流電機(jī)調(diào)速，交流電機(jī)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(gè)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(jìn)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(méi)有SPI接口的單片機(jī)上也可利用軟件進(jìn)行模擬。
Melexis公司生產(chǎn)的MLX90601系列測(cè)溫模塊是應(yīng)用非常方便的紅外測(cè)溫裝置，其所有的模塊都在出廠前進(jìn)行了校驗(yàn)，并且可以直接輸出線性或準(zhǔn)線性信號(hào)，具有很好的互換性，免去了復(fù)雜的校正過(guò)程。
該模塊以MLX90247熱電元件作為紅外感應(yīng)部分。輸出是被測(cè)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(cè)定測(cè)量，從MLX90247中輸出的兩路溫度信號(hào)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(dá)±0.2℃，體積小巧，被測(cè)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(diǎn)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(cè)物體和傳感器溫度，另外通過(guò)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(dòng)輸出，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路。
3 MLX90601EZA-CAA簡(jiǎn)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(shí)鐘;
IROUT(8腳)：PWM輸出被測(cè)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(jì)
4.1 MLX90601EKA-CAA測(cè)溫特性
以PWM輸出為例，MLX90601EKA-CAA溫度信號(hào)的PWM輸出格式如圖2所示。
PWM信號(hào)的典型周期是102.4ms，每個(gè)周期始于一段前向緩沖時(shí)間t1，該時(shí)間段內(nèi)輸出信號(hào)始終為1;t2和t3為有效信號(hào)部分;t4為報(bào)錯(cuò)信號(hào)部分，如：傳感器溫度超過(guò)預(yù)值、發(fā)生某些不可被MLX90313自動(dòng)修復(fù)的措施等;t5為后向緩沖時(shí)間，輸出信號(hào)始終為0。各時(shí)段占空比說(shuō)明如表2所列。
溫度值計(jì)算公式如下：
其中：t為測(cè)得溫度，DutyCycle為t2在時(shí)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(cè)的有效范圍內(nèi)(-20℃-120℃)，待測(cè)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(jī)接口電路
MLX90601-CAA與單片機(jī)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(hào)始終為0。解決方法是在MLX與MCU之間接入一個(gè)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(hào)先接入三態(tài)門輸入端，然后將輸出信號(hào)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(jìn)行轉(zhuǎn)接。其工作時(shí)序如圖5、6所示。當(dāng)MLX的片選信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)下降沿時(shí)，寫命令開(kāi)始，再出現(xiàn)一個(gè)上升沿時(shí)寫命令結(jié)束。其間共有32個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)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(yàn)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(gè)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(shí)器0或1記錄一個(gè)PWM脈沖的占空數(shù)：當(dāng)T值由0變?yōu)?1時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)單片機(jī)判斷T值由1變?yōu)?時(shí)，提取TF0、TH0、TL0(或TF1、TH1、TL1)的值賦給一組中間變量，然后當(dāng)T值由0變?yōu)?1時(shí)，再提取TF0、TH0、TL0(或TF1、TH1、TL1)的值賦給第二組中間變量。計(jì)算出兩組中間變量代表的時(shí)間，第一組中間變量代表一個(gè)PWM 脈沖高電平的時(shí)長(zhǎng)，第二組中間變量代表總時(shí)長(zhǎng)，DutyCycle=第一組值/第二組值，代入3.1節(jié)中溫度值計(jì)算公式則可以算出測(cè)得的溫度值。
4.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論
表3是MLX90601EZA-CAA采溫電路(表中簡(jiǎn)稱MLX)、煤油溫度計(jì)及A1 100型數(shù)字式溫濕度測(cè)量?jī)x的特性及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較。
注：表3中，溫度計(jì)的"體溫"一項(xiàng)是采用醫(yī)用體溫計(jì)測(cè)量的，示數(shù)為36.5℃，MLX測(cè)得值與之非常接近。
在實(shí)驗(yàn)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(cè)量，所以應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛，并且在長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下對(duì)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(cè)量罩內(nèi)溫度，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，Sensor2示數(shù)能看到有明顯上升趨勢(shì)，這主要是因?yàn)镾ensor2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(cè)溫模塊是很好的選擇。
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