MLX90601系列红外测温模块的原理及应用

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。