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用。
SPI(Serial Peripheral Interface)是Motorola公司提出的一個同步串行外設接口，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)部預設值，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為設置的溫度下限(出廠設置為-20℃)，Tmax為設置的溫度上限(出廠設置為120℃)。
輸出溫度值與DutyCycle的線性關系如圖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)?1時定時器開始計數(shù)，當單片機判斷T值由1變?yōu)?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)?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(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、響應速度較快的應用中，MLX90601系列紅外測溫模塊是很好的選擇。