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1 引言 一般來(lái)說(shuō)，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(shí)間長(cháng)，且極易受環(huán)境溫度的影響；而紅外測溫是根據被測物體的紅外輻射能量來(lái)確定物體的溫度，不與被測物體接觸，具有不擾動(dòng)被測物體溫度分布場(chǎng)，溫度分辨率高、響應速度快、測溫范圍廣，穩定性好等特點(diǎn)，近年來(lái)在汽車(chē)電子、航空和軍事上得到越來(lái)越廣泛的應用。 2 測溫原理概述 PWN的全稱(chēng)是Pulse Width Modulation（脈沖寬度調制）即通過(guò)調節脈沖的周期、寬度，以達到變壓、變頻的目的，數字式脈寬調制方式中，數字是控制信號，通過(guò)改變高低電平數的比值達到改變占空比的目的，PWM控制電路在開(kāi)關(guān)穩壓電源、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(zhù)廣泛應用。 SPI（Serial Peripheral Interface）是Motorola公司提出的一個(gè)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(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接口的單片機上也可利用軟件進(jìn)行模擬。 Melexis公司生產(chǎn)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(chǎng)前進(jìn)行了校驗，并且可以直接輸出線(xiàn)性或準線(xiàn)性信號，具有很好的互換性，免去了復雜的校正過(guò)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： 其中溫度單位均為Kelvin，a為儀器常數。 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(jīng)內部MLX90313器件上兩路高性能、低噪聲的斬波穩態(tài)放大器放大再經(jīng)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(xiàn)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(diǎn)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(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(guò)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(dòng)輸出，進(jìn)一步驅動(dòng)后續電路。 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數據入口； SDOUT（5腳）：SPI數據出口； CSB（6腳）：片選； SCLK（7腳）：時(shí)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(gè)周期始于一段前向緩沖時(shí)間t1，該時(shí)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(guò)預值、發(fā)生某些不可被MLX90313自動(dòng)修復的措施等；t5為后向緩沖時(shí)間，輸出信號始終為0。各時(shí)段占空比說(shuō)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(shí)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(chǎng)設置為－20℃），Tmax為設置的溫度上限（出廠(chǎng)設置為120℃）。 輸出溫度值與DutyCycle的線(xiàn)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（－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(xiàn)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(gè)三態(tài)門(mén)（如74HC125）：MLX的CS腳與三態(tài)門(mén)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(mén)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(mén)進(jìn)行轉接。其工作時(shí)序如圖5、6所示。當MLX的片選信號出現一個(gè)下降沿時(shí)，寫(xiě)命令開(kāi)始，再出現一個(gè)上升沿時(shí)寫(xiě)命令結束。其間共有32個(gè)時(shí)鐘脈沖出現，始終上升沿有效。讀命令也如此。SDI寫(xiě)命令的順序是：8位命令、8位地址、16位數據，高位在前；在輸入寫(xiě)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位數據以供校驗用。讀命令與寫(xiě)命令基本類(lèi)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：當T值由0變?yōu)?1時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計數，當單片機判斷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(cháng)，第二組中間變量代表總時(shí)長(cháng)，DutyCycle＝第一組值/第二組值，代入3.1節中溫度值計算公式則可以算出測得的溫度值。 4.4 實(shí)驗數據與結論 表3是MLX90601EZA－CAA采溫電路（表中簡(jiǎn)稱(chēng)MLX）、煤油溫度計及A1 100型數字式溫濕度測量?jì)x的特性及實(shí)驗數據比較。 注：表3中，溫度計的"體溫"一項是采用醫用體溫計測量的，示數為36.5℃，MLX測得值與之非常接近。 在實(shí)驗中，MLX表現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(chǎng)合非常廣泛，并且在長(cháng)時(shí)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(jīng)過(guò)一段時(shí)間，Sensor2示數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的示數則基本保持平穩，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。 |
