MLX90601系列红外测温模块的原理及应用

摘要：MLX90601系列模块是一组通用的红外测温模块。在出厂前该模块已进行校验及线性化，精度高、体积小，被测物体温度和环境温度能分双通道输出，并且有多种输出接口，在多种精密设备装置中都有广泛的应用。文中以MLX90601EZA-CAA为例介绍其原理及应用方法。
关键词：MLX90601EZA-CAA；红外测温；PWM；SPI
中图分类号：TP216    文献标识码：B  文章编号：1006-6977（2006）01-0047-04

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。

    SPI接口电路如图4所示，也需用三态门进行转接。其工作时序如图5、6所示。当MLX的片选信号出现一个下降沿时，写命令开始，再出现一个上升沿时写命令结束。其间共有32个时钟脉冲出现，始终上升沿有效。读命令也如此。SDI写命令的顺序是：8位命令、8位地址、16位数据，高位在前；在输入写命令8个时钟周期后，在SDO口输出输入的命令码、地址码以及头8位数据以供校验用。读命令与写命令基本类似，不再赘述。

4.3 软件流程图
    采集一个PWM周期的软件流程如图7所示。其中T为IROUT或TEMPOUT引脚输出值。采用定时器0或1记录一个PWM脉冲的占空数：当T值由0变为1时定时器开始计数，当单片机判断T值由1变为0时，提取TF0、TH0、TL0（或TF1、TH1、TL1）的值赋给一组中间变量，然后当T值由0变为1时，再提取TF0、TH0、TL0（或TF1、TH1、TL1）的值赋给第二组中间变量。计算出两组中间变量代表的时间，第一组中间变量代表一个PWM脉冲高电平的时长，第二组中间变量代表总时长，DutyCycle＝第一组值/第二组值，代入3.1节中温度值计算公式则可以算出测得的温度值。

4.4 实验数据与结论
    表3是MLX90601EZA－CAA采温电路（表中简称MLX）、煤油温度计及A1 100型数字式温湿度测量仪的特性及实验数据比较。

    注：表3中，温度计的"体温"一项是采用医用体温计测量的，示数为36.5℃，MLX测得值与之非常接近。

    在实验中，MLX表现出很高的灵敏性和精确度，由于它是非接触式测量，所以应用场合非常广泛，并且在长时间工作的情况下对电路板散热性能要求不高，如果将该电路（设为Sensor1）及由接触式温度传感器（设为Sensor2）组成的电路都用密封罩罩住，测量罩内温度，经过一段时间，Sensor2示数能看到有明显上升趋势，这主要是因为Sensor2将电路板散出的热量也累加到环境温度中，而Sensor1的示数则基本保持平稳，因此在嵌入式使用且要求精度较高、响应速度较快的应用中，MLX90601系列红外测温模块是很好的选择。