基于MLX90620的多點動態(tài)溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊風(fēng)健,劉 軍 ,貌程浩，霍旭陽,牟子義

(1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州 310018；2.吉林醫(yī)藥學(xué)院公共衛(wèi)生系，吉林吉林 132013)

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基于MLX90620的多點動態(tài)溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊風(fēng)健1,劉 軍1,貌程浩1，霍旭陽2,牟子義2

(1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州 310018；2.吉林醫(yī)藥學(xué)院公共衛(wèi)生系，吉林吉林 132013)

介紹了一種基于MLX90620紅外陣列熱電堆傳感器的多點動態(tài)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的實現(xiàn)方法及設(shè)計方案。系統(tǒng)以STM32F103VET6作為核心控制器，以MLX90620作為溫度傳感器，控制器與MLX90620通過I2C總線進行數(shù)據(jù)通信，并通過UART接口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機軟件，軟件可記錄并實時顯示溫度數(shù)據(jù)，同時描繪已選監(jiān)測溫度點的溫度變化曲線。實驗表明，系統(tǒng)可同時監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的64個溫度點的溫度變化情況，工作可靠，非接觸式測溫方式使得操作簡單，便于安裝使用。

MLX90620；紅外；動態(tài)溫度； STM32F103VET6； I2C； UART

0 引言

溫度是日常生產(chǎn)生活中需要測量和使用最多的參數(shù)之一，被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域[1]，溫度的測量方法可分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類，接觸式測溫主要以熱電偶、熱敏電阻等感溫元件作為測溫傳感器，接觸式測溫具有成本低廉的優(yōu)勢，但是不便于安裝，而且使用熱敏電阻測量溫度，需要等待一定時間使傳感器與被測物體達到熱平衡狀態(tài)，才能相對準(zhǔn)確地讀出溫度數(shù)值。非接觸式測溫主要基于紅外測溫原理，紅外測溫探頭被動接收物體輻射出的紅外線，物體溫度的高低與紅外輻射強度具有相關(guān)性，探測器通過采集紅外線輻射強度即可轉(zhuǎn)換出物體的溫度值，無需與被測物體接觸，因此也避免了由傳感器接觸對物體溫度的影響，可以對一些遠(yuǎn)距離、運動的和有危險性的物體進行溫度測量，具有安全、快速、可靠、方便等優(yōu)勢[2-3]。但是紅外探測器的成本相對較高，在一些需要進行多點測溫的實際應(yīng)用場合，更需要多個紅外探測器，成本高是亟待解決的問題。

針對以上問題，本文設(shè)計了以MLX90620紅外陣列熱電堆傳感器進行多點溫度探測，以STM32F103VET6作為核心控制器，控制器驅(qū)動并讀取MLX90620的測溫數(shù)據(jù)，并通過UART實時傳輸給上位機軟件的動態(tài)溫度測控系統(tǒng)，便于對溫度數(shù)據(jù)進行實時顯示、分析和處理。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

如圖1所示，系統(tǒng)由2個主要部分組成，分別是以STM32F103VET6芯片為控制核心的溫度數(shù)據(jù)采集軟硬件設(shè)計，和基于Visual C++6.0編程技術(shù)的溫度數(shù)據(jù)顯示與分析軟件設(shè)計。溫度傳感器選用具有64像元的單芯片紅外探測器MLX90620，探測器通過I2C總線與MCU通信，通信速率可達1 000 kbit/s，硬件電路通過UART接口與PC機通信，將64個像元的溫度數(shù)據(jù)傳輸給上位機軟件，由于MLX90620溫度轉(zhuǎn)換速率為0.5～512 Hz[4]，最快轉(zhuǎn)換時間為1.95 ms，因此使用UART接口進行數(shù)據(jù)傳輸足以滿足本系統(tǒng)的使用需求。上位機軟件可顯示64個探測點的實時溫度值，可根據(jù)實際需要對感興趣溫度點進行動態(tài)溫度監(jiān)測，并繪制溫度變化曲線。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 MLX90620工作原理

MLX90620 紅外測溫陣列芯片是一款具有16×4像元數(shù)的紅外陣列熱電堆傳感器，非常適應(yīng)于非接觸式多點溫度探測場合[3]。其測溫范圍-20 ～300 ℃，探測器出廠時已經(jīng)過校準(zhǔn)，可簡化用戶的設(shè)計流程。有兩種視場 (FOV) 可供用戶選擇，分別是60°×16.4°和40°×10.4°，本文所使用的探測器視場(FOV)為60°×16.4°，探測器每個像元轉(zhuǎn)換得到的溫度數(shù)據(jù)都是其視場內(nèi)所有物體的平均溫度。

MLX90620紅外探測器內(nèi)部硬件電路框圖如圖2所示，其內(nèi)部集成的64個紅外測溫像元都包含有放大器和ADC，還集成有一個與絕對溫度成比例(PTAT)的溫度傳感器，用于測量芯片溫度，每個測溫像元將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)存儲在芯片內(nèi)部的RAM存儲器中，EEPROM中存儲的是探測器出廠時的校準(zhǔn)參數(shù)，該參數(shù)用來補償不同探測器之間的差異。內(nèi)部集成高速I2C總線接口，方便與微控制器進行數(shù)據(jù)通信。

圖2 探測器內(nèi)部框圖

MLX90620的可編程幀率范圍：0.5～512 Hz，在1 Hz的刷新幀率下，其噪聲等效溫差系數(shù)(NETD)小于80 mK，在探測器芯片所處環(huán)境溫度為0～50 ℃，被測物體溫度處于0～300 ℃時，其中心4個像元的測溫準(zhǔn)確度計算方法為式(1)：

Tac=±1 ℃±|TO-Ta|×1.5%

(1)

在環(huán)境溫度(Ta)與物體溫度(TO)溫差小于50 ℃的情況下，測溫準(zhǔn)確度為±1.75 ℃。

2.1 電源電路設(shè)計

MLX90620紅外溫度探測器在2.6 V電源電壓下，才能發(fā)揮最佳的測溫性能，系統(tǒng)微控制器STM32F103VET6也可工作在該電壓下，硬件電路采用5 V輸入電壓進行供電，因此需借助可調(diào)穩(wěn)壓芯片輸出2.6 V電壓，電源電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 電源電路

采用具有360 nA靜態(tài)電流的降壓轉(zhuǎn)換器 MicroSiP 模塊TPS82740B實現(xiàn)2.6 V穩(wěn)壓電源設(shè)計，其可提供200 mA的輸出電流，滿足系統(tǒng)設(shè)計需求，TPS82740B的輸入電壓范圍為：3～5.5 V，輸出電壓范圍為：2.6～3.3 V，具體輸出電壓通過芯片管腳VSEL1、VSEL2、VSEL3進行配置，配置輸出電壓的步長為100 mV，當(dāng)3個管腳均接低電平時，輸出電壓選擇為2.6 V，都接高電平時，輸出電壓為3.3 V。

2.2 MLX90620存儲器

MLX90620芯片內(nèi)部帶有1個146×16bit的RAM，其地址映射如圖4所示，可通過I2C總線進行數(shù)據(jù)讀寫操作，RAM的從機地址(Slave Address)為0×60，RAM內(nèi)存儲有64個字(1個字為16 bit)溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以二進制補碼格式存儲，1個字用于存儲PTAT傳感器的溫度測量值，PTAT傳感器存儲的數(shù)據(jù)實質(zhì)上為芯片自身的溫度，該溫度對探測器測溫準(zhǔn)確性有直接的影響，所以是計算目標(biāo)物體溫度不可缺少的參數(shù)之一。RAM中還有2個字用作配置寄存器，用于對芯片測溫的刷新頻率、工作模式、通信速率等進行配置操作。圖4中TGC代表溫度梯度系數(shù)，實際使用時，從芯片的EEPROM中讀取即可。修正寄存器的配置數(shù)值需要先從EEPROM的0XF7中讀取，再寫入到RAM的0x93地址中。芯片內(nèi)部的EEPROM的從機地址為0x50，EEPROM具有256×8bit存儲容量，其存儲數(shù)據(jù)為芯片出廠時固化在其內(nèi)部的用于計算溫度數(shù)值的校準(zhǔn)參數(shù)，微控制器只需在芯片上電(POR)后讀取一次并存儲在微控制器的RAM中即可，方便用于溫度數(shù)值計算。

圖4 RAM地址映射

2.3 MLX90620驅(qū)動流程

芯片根據(jù)設(shè)定的刷新頻率(0.5～512 Hz)掃描64個紅外傳感器和PTAT傳感器的輸出，并利用存儲在EEPROM中的校準(zhǔn)常數(shù)計算每個像素點的測溫數(shù)值，其工作流程如圖5所示。芯片上電后，需要延時5 ms，然后讀取EEPROM內(nèi)部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，相應(yīng)的操作指令及EEPROM內(nèi)部的數(shù)據(jù)地址如表1所示，將EEPROM中地址為0xF7、0xF5、0xF6中的數(shù)據(jù)取出，并寫到RAM存儲器的0X93和0x92地址中，完成配置寄存器和修整寄存器的數(shù)值設(shè)置，之后在沒有復(fù)位發(fā)生的情況下，便可以讀取64個IR測溫傳感器和1個PTAT溫度傳感器的數(shù)值，通過I2C總線進行讀取操作流程如圖6所示，在通過I2C寫設(shè)備地址時，由于采用7為地址模式，設(shè)備地址最后一位為讀寫控制位，讀設(shè)備時為1，寫設(shè)備時為0，因此通過I2C寫入的設(shè)備地址并非0x60，而是0xC0，在圖6中第二次寫設(shè)備地址時，應(yīng)寫入0xC1，因為接下來微控制器要釋放總線，將控制權(quán)交給MLX90620，MLX90620將數(shù)據(jù)放在I2C總線上，供微控制器讀取。

圖5 MLX90620工作流程

表1 指令操作一覽表

存儲器存儲器設(shè)備地址數(shù)據(jù)地址操作指令操作功能EEPROM0x500x000x00讀整個EEPROMRAM0x600x920x03寫配置寄存器RAM0x600x920x02讀配置寄存器RAM0x600x930x02讀修整寄存器RAM0x600x900x02讀PTAT寄存器RAM0x600x000x02讀IR傳感器數(shù)據(jù)RAM0x600x910x02讀補償像素數(shù)值

圖6 I2C讀IR數(shù)據(jù)流程

2.4 溫度計算方法

將所有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，需要將IR傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為實際溫度值，可通過式(2)進行計算。

(2)

式中共有3個未知參數(shù)，VIR(i,j)_COMPENSATED,α(i,j)，Ta(Ta為傳感器的封裝溫度)。

(3)

式中參數(shù)PTAT_data需從RAM中讀取，其余參數(shù)從EEPROM中讀取，代入公式計算即可。

參數(shù)VIR(i,j)_COMPENSATED由式(4)求得

(4)

而VIR(i,j)_TGC_COMP根據(jù)式(5)計算，式(5)中有3個參數(shù)TGC、VIR_CP_OFF_COMP 及VIR(i,j)_OFF_COMP，VIR(i,j)_OFF_COMP的計算方法如式(6)所示，所需參數(shù)均為已知量，存儲在EEPROM或者RAM中，Ta_0為常數(shù)25℃。

(5)

(6)

ε為發(fā)射率系數(shù)，按式(7)進行計算。計算VIR(i,j)_COMPENSATED所需的參數(shù)均已知。

(7)

進行溫度數(shù)據(jù)計算所需的最后一個參數(shù)為α(i,j)，α(i,j)為單個像素點的靈敏度系數(shù)，如式(8)所示。

(8)

至此，計算溫度所需參數(shù)均已求得，代入式(2)即可求出各個像素點的傳感器溫度值。

3 上位機軟件設(shè)計

3.1 溫度數(shù)據(jù)顯示

上位機軟件通過UART接口讀取微控制器傳來的溫度數(shù)據(jù)，并將各個像素點的溫度數(shù)據(jù)實時顯示出來，對1把處于加熱狀態(tài)的電烙鐵進行溫度數(shù)據(jù)采集，如圖7所示，軟件通過不同灰度值表示溫度的高低，灰度值越大，顏色越深，代表溫度越高，反之，溫度越低。并且溫度最大值和最小值可以手動設(shè)定，當(dāng)目標(biāo)物體的溫度差值較小時，可以調(diào)整最大最小值使得高低溫顯示效果更加明顯。

3.2 溫度動態(tài)監(jiān)測

圖7所示為對一把電烙鐵升溫過程進行溫度數(shù)據(jù)采集，并對(11,3)(12,3)(13,3)(14,3)4個像素點的溫度數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，其中像素點(14,3)為烙鐵頭部所在位置。添加監(jiān)測像素點時需先用鼠標(biāo)選中某個像素點，再點擊添加波形按鈕，在設(shè)置所需監(jiān)測的時間長度(單位為s)后，點擊開始計時按鈕，軟件便會記錄處于監(jiān)控狀態(tài)下的像素點溫度數(shù)據(jù)，寫入到txt文件中，供用戶使用，并在波形顯示窗口實時顯示溫度變化曲線。圖7中烙鐵頭部(14，3)的溫度變化曲線，其溫度最高，升溫也最快，與實際情況相符。

圖7 軟件操作界面

4 結(jié)論

本多點動態(tài)溫度測控系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的多點監(jiān)測時造成的安裝繁瑣，導(dǎo)線過多，測溫速度較慢的問題，使用具有64像元的紅外陣列熱電堆溫度傳感器通過非接觸方式進行溫度采集，測溫迅速，方便，安全。上位機軟件實現(xiàn)了對64個像素點的溫度數(shù)據(jù)實時直觀顯示，可手動添加需進行動態(tài)溫度監(jiān)測的像素點，并對受監(jiān)測像素點的溫度數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)記錄、存儲及實時波形顯示。系統(tǒng)硬件體積小，便于攜帶安裝，軟件界面友好，穩(wěn)定性高，如需進行遠(yuǎn)距離的溫度動態(tài)監(jiān)測，可將UART有線連接通信方式改為無線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，使得系統(tǒng)應(yīng)用更加廣泛、靈活。

[1] 李金鳳,葛良全,吳建平，等.基于單總線的智能多點測溫系統(tǒng)設(shè)計.傳感器與微系統(tǒng),2007,26(11)：97-98.

[2] 李軍,劉梅冬,曾亦可，等.非接觸式紅外測溫的研究.壓電與聲光,2001,23(3):202-205.

[3] 谷林柱,任子暉,王凱，等.基于紅外熱電堆的礦用測溫裝置設(shè)計.儀表技術(shù)與傳感器,2013(5):31-32.

[4] Melexis公司.MLX90620英文數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].(2012-09-19) [2015-02-15]．http://www.melexis.com/Assets/Datasheet-IR-thermometer-16X4-sensor-array-MLX90620-6099.aspx.

Multi-points Dynamic Temperature Measurement andControl System Based on MLX90620

YANG Feng-jian1,LIU Jun1,MAO Cheng-hao1，HUO Xu-yang2，MU Zi-yi2

(1.College of Electronic and Information Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China;2.College of Public Health，Jilin Medical University，Jilin 132013，China)

Based on MLX90620 infrared array thermopile sensor,a multi-point dynamic temperature monitoring system was designed and implemented.The principle and implementation of this system were described in detail．The microcontroller STM32F103VET6 was used as the core,the chip MLX90620 was used as the temperature sensor,controller and MLX90620 communicate via the I2C bus,and the microcontroller transmitted data through the UART interface to the software on host computer.The software can record and real-time display temperature data,while depicting temperature curve of the selected pixels.Experiments show that the system can simultaneously monitor 64 temperature points in the target area,and non-contact temperature measurement methods make operation simple,easy to install and use.

MLX90620;infrared;dynamic temperature;STM32F103VET6;I2C;UART

2015-03-15 收修改稿日期：2015-09-15

TP274

A

1002-1841(2015)12-0075-04

楊風(fēng)健(1987—)，碩士研究生，主要嵌入式系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用研究。E-mail：yangfengjian2012@aliyun.com 劉軍(1977—)，副教授，博士研究生，主要從事集成電路與系統(tǒng)設(shè)計及其CAD研究。E-mail:ljun77@163.com