基于MLX90615和STM32的多點(diǎn)紅外溫度測量系統設計

0 引言

目前在多點(diǎn)溫度測量系統中應用較為廣泛的是DALLAS公司的數字溫度傳感器DS18B20,其優(yōu)點(diǎn)是只需一根總線(xiàn)，就能完成系統中數據的交換與控制。但DS18B20響應速度慢，精度低，且在實(shí)際應用中當總線(xiàn)掛接的DS18B20 的數目超過(guò)8 個(gè)時(shí)，就必須為每個(gè)DS18B20提供獨立電源供電，導致系統維護變得十分困難。紅外測溫技術(shù)作為一種便捷、準確的非接觸式測溫技術(shù)而得到快速發(fā)展。紅外測溫可實(shí)現在其視場(chǎng)范圍內對難以接觸區域或危險區域進(jìn)行連續、實(shí)時(shí)的溫度監測，有效降低了測溫作業(yè)的危險系數;且具有體積小、精度高、可組網(wǎng)及實(shí)時(shí)性能好等優(yōu)點(diǎn)。本文采用數字式紅外溫度傳感器MLX90615作為溫度檢測器件，以STM32微處理器為核心，設計實(shí)現多點(diǎn)紅外溫度測量系統。

該系統具有優(yōu)點(diǎn)為：測溫精度高;測量不影響溫度場(chǎng)的分布;非接觸式溫度測量，降低危險系數;響應時(shí)間短，易于實(shí)現動(dòng)態(tài)測量。

1 紅外輻射測溫基本原理

紅外輻射是一種人眼不可見(jiàn)的光線(xiàn)，俗稱(chēng)紅外線(xiàn)，它是介于可見(jiàn)光中紅色光和微波之間的光線(xiàn)。由于帶電粒子的運動(dòng)，一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周?chē)臻g發(fā)出紅外輻射能量，能量波長(cháng)主要集中在0.6~15 μm波段。其輻射能量密度與溫度的關(guān)系符合斯蒂芬-波爾茲曼輻射定律：

由式(1)可知，只要已知物體的溫度及其輻射率，即可計算出它所發(fā)射的輻射功率。反之，如果測量出物體的輻射功率，即可確定物體的溫度。紅外傳感器的輸出信號是被測目標溫度To 與傳感器自身溫度Ta 共同作用的結果：

式中：溫度單位均為Kelvin;A 為儀器常數，與傳感器的設計結構有關(guān)。

2 硬件設計

非接觸式多點(diǎn)紅外測溫系統硬件部分主要由紅外傳感器組、微處理器、其他外圍電路及PC組成。紅外傳感器將其視場(chǎng)范圍內的紅外輻射轉化成數字信號，通過(guò)SMBus總線(xiàn)將數據傳至STM32微處理器，微處理器與上位機進(jìn)行串口通信，將溫度數據顯示在上位機。

2.1 紅外傳感器部分

傳感器部分采用數字式紅外傳感器MLX90615ESG-DAA,該芯片是由Melexis 公司生產(chǎn)的高精度數字式測溫芯片，具有PWM和SMBus兩種輸出方式，正常工作的環(huán)境溫度范圍是-40~85 ℃，被測對象溫度范圍是-40~115 ℃，若需更小的測溫范圍，可通過(guò)SMBus總線(xiàn)修改E2PROM 中相應控制字來(lái)改變這個(gè)范圍，從而提高精度。發(fā)射率可設置0~1.0之間的任意值，可根據公式：

發(fā)射率=dec2hex[round(16 384×ε)] ,將0~1.0之間的任意浮點(diǎn)數ε 轉換為16進(jìn)制數，然后寫(xiě)入相應控制字。

MLX90615主要由紅外熱電堆傳感器、低噪聲放大器、16位模/數轉換器和DSP單元等組成，其結構框圖如圖1所示。紅外熱電堆傳感器將采集到的紅外輻射轉化為電信號，并經(jīng)過(guò)低噪聲放大器放大后送給模/數轉換器。模數轉換器輸出的數字信號經(jīng)FIR/IIR低通濾波器調理后送入數字信號處理器，數字信號處理器對數字信號運算處理后輸出測量結果并保存在MLX90615內部RAM中，可以通過(guò)SMBus 或PWM 方式供主控CPU單元讀取。

若干個(gè)紅外傳感器作為從器件，通過(guò)SMBus總線(xiàn)連接到微處理器，典型的SMBus配置如圖2所示[3],SDA及SCL引腳皆需300 kΩ弱上拉。注意，MLX90615紅外傳感器支持7位地址，因此同一總線(xiàn)上的傳感器數量最多為127個(gè)。

2.2 微處理器

微處理器采用基于A(yíng)RM Cortex-M3的32位微控制器STM32F103C8T6.該微處理器具有高速可靠、溫度范圍寬、資源豐富、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于醫療保健、手持設備、電機控制等場(chǎng)合。STM32F103C8T6具有64 KB 的片內FLASH 存儲器、32 個(gè)通用I/O 引腳、2 個(gè)10 路12位A/D轉換器、3個(gè)通用定時(shí)器等外設資源和USART,I2C,SPI,CAN等通信接口，能夠滿(mǎn)足多點(diǎn)紅外測溫系統的設計要求。

3 軟件設計

3.1 MLX90615的傳輸協(xié)議

SMBus數據傳輸協(xié)議為主設備與從設備之間的數據通訊提供了可能，該協(xié)議規定，在某一時(shí)刻總線(xiàn)上只能有一個(gè)主設備有效。主設備可通過(guò)“讀數據”和“寫(xiě)數據”與從設備進(jìn)行“交流”,其數據傳輸格式如圖3、圖4所示。其中，S為起始位，Slave Address 為從器件地址，Wr為寫(xiě)標志，Command 為命令字節，Rd為讀標志，PEC為出錯數據包，P為停止位。

SDA上的數據在SCL變?yōu)榈碗娖?00 ns后即可改變，數據在SCL的上升沿被捕獲。16位數據分2次傳輸，每次傳一個(gè)字節。每個(gè)字節都是按照高位(MSB)在前，低位(LSB)在后的格式傳輸，兩個(gè)字節中間的第9個(gè)時(shí)鐘是應答時(shí)鐘。數據傳輸時(shí)序如圖5所示。

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