基于MLX90601系列测温模块的红外测温装置介绍

1 引言

　　一般来说，测温方式可分为接触式和非接触式，接触式测温只能测量被测物体与测温传感器达到热平衡后的温度，所以响应时间长，且极易受环境温度的影响;而红外测温是根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，不与被测物体接触，具有不扰动被测物体温度分布场，温度分辨率高、响应速度快、测温范围广，稳定性好等特点，近年来在汽车电子、航空和军事上得到越来越广泛的应用。

　　2 测温原理概述

　　PWN的全称是Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)即通过调节脉冲的周期、宽度，以达到变压、变频的目的，数字式脉宽调制方式中，数字是控制信号，通过改变高低电平数的比值达到改变占空比的目的，PWM控制电路在开关稳压电源、不间断电源(UPS)以及直流电机调速，交流电机变频调速等控制电路中有着广泛应用。

　　SPI(Serial Peripheral Interface)是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口，容许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通信、交换信息，即可以提高传输速度也可以减小器件的资源占用，另外即使在没有SPI接口的单片机上也可利用软件进行模拟。

　　Melexis公司生产的MLX90601系列测温模块是应用非常方便的红外测温装置，其所有的模块都在出厂前进行了校验，并且可以直接输出线性或准线性信号，具有很好的互换性，免去了复杂的校正过程。

　　该模块以MLX90247热电元件作为红外感应部分。输出是被测物体温度(TO)与传感器自身温度(Ta)共同作用的结果，理想情况下MLX90247输出电压为：

　　其中温度单位均为Kelvin，a为仪器常数。

　　传感器自身温度由MLX90247内置的热敏电阻测定测量，从MLX90247中输出的两路温度信号分别经内部MLX90313器件上两路高性能、低噪声的斩波稳态放大器放大再经A/D转换后输出。

　　该系列模块精度可达±0.2℃，体积小巧，被测物体和环境温度能分双通道输出，有多种输出方式：模拟线性输出、PWM输出、可编程SPI输出等，适于多种应用环境，下面以MLX90601-CAA为例，重点介绍其特性和使用方法。

　　MLX90601EZA-CAA用工业和商业2种应用产品。能以PWM和SPI两种方式分别输出被测物体和传感器温度，另外通过SPI可编程引脚还可以更改模块内部预设值，并且还具有继电器驱动输出，进一步驱动后续电路。

　　3 MLX90601EZA-CAA简介

　　MLX90601EZA-CAA的电气特性如表1所列。引脚排列如图1所示，各引脚的功能如下：

　　REL1(1脚)：继电器输出;

　　VSS(2脚)：地;

　　VDD(3脚)：电源;

　　SDIN(4脚)：SPI数据入口;

　　SDOUT(5脚)：SPI数据出口;

　　CSB(6脚)：片选;

　　SCLK(7脚)：时钟;

　　IROUT(8脚)：PWM输出被测物体温度;

　　VREF(9脚)：参考电压;

　　TEMPOUT(10脚)：PWM环境温度输出。

　4 应用设计

　　4.1 MLX90601EKA-CAA测温特性

　　以PWM输出为例，MLX90601EKA-CAA温度信号的PWM输出格式如图2所示。

　　PWM信号的典型周期是102.4ms，每个周期始于一段前向缓冲时间t1，该时间段内输出信号始终为1;t2和t3为有效信号部分;t4为报错信号部分，如：传感器温度超过预值、发生某些不可被MLX90313自动修复的措施等;t5为后向缓冲时间，输出信号始终为0。各时段占空比说明如表2所列。

　　温度值计算公式如下：

　　其中：t为测得温度，DutyCycle为t2在时序图中所占的百分比，即t2/总周期T，Tmin为设置的温度下限(出厂设置为-20℃)，Tmax为设置的温度上限(出厂设置为120℃)。

　　输出温度值与DutyCycle的线性关系如图3所示，由图中可以看出：在传感器可测的有效范围内(-20℃-120℃)，待测物体温度值及传感器自身温度值都与DutyCycle呈良好的线性关系。

　　4.2 单片机接口电路

　　MLX90601-CAA与单片机连接的硬件电路如图4所示。MLX90601EKA-CAA供电电压是+5V。CS和IR、TEMPOUT脚直接接 MCU的普通I/O口即可，但由于其内部电路的某些原因，致使这样接的电路IR、TEMPOUT脚采集的信号始终为0。解决方法是在MLX与MCU之间接入一个三态门(如74HC125)：MLX的CS脚与三态门控制端(EN)都接入MCU的I/O口，将MLX的输出信号先接入三态门输入端，然后将输出信号再接入到MCU的I/O口即可。