一種防疫測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——基于MLX90614非接觸式紅外測(cè)溫傳感器

程 智

一種防疫測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——基于MLX90614非接觸式紅外測(cè)溫傳感器

程 智

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院，湖北 黃岡 438002）

非接觸式紅外測(cè)溫是新冠疫情預(yù)防的第一關(guān)卡，往往測(cè)量人員眾多，且要求溫度測(cè)量準(zhǔn)確。MLX90614紅外測(cè)溫傳感器測(cè)量通過捕獲人體輻射的紅外線，達(dá)到測(cè)量溫度的目的。其體積小、非接觸方式、測(cè)量精度高和響應(yīng)速度快，廣泛的用于醫(yī)療測(cè)量設(shè)備、工業(yè)生產(chǎn)、日常家用電器之中。本文重點(diǎn)分析MLX90614結(jié)構(gòu)及工作原理，圍繞該傳感器設(shè)計(jì)了充電電路、顯示電路、控制電路等，從而設(shè)計(jì)出一款便攜式紅外測(cè)溫儀。

MLX90614；充電電路；顯示電路；控制電路；測(cè)溫儀

一般來(lái)說(shuō)，測(cè)溫方式可分為接觸式和非接觸式[1]。常見接觸式測(cè)溫：水銀計(jì)測(cè)溫，利用水銀的熱脹冷縮原理；熱敏電阻測(cè)溫，通過半導(dǎo)體阻值與溫度關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度測(cè)量。而新冠在預(yù)防中，測(cè)溫必須采用非接觸式測(cè)溫。如在公眾場(chǎng)合如商場(chǎng)、火車站熱流量大的地方采用紅外熱成像攝像頭來(lái)測(cè)溫，但測(cè)量?jī)x器非常昂貴，在私人場(chǎng)所，如的士、住宅、小區(qū)等，更需要一種測(cè)量準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速、攜帶方便和價(jià)格便宜的非接觸式測(cè)溫儀。

1 紅外測(cè)溫儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

人體能對(duì)外輻射能量，稱為紅外輻射。人體溫度與自身輻射能量的強(qiáng)度、頻率（波長(zhǎng)）有關(guān)。如果能夠測(cè)量出紅外輻射能量強(qiáng)度和波長(zhǎng)，就能夠推算出人體表面溫度，這就稱之為紅外測(cè)溫原理。紅外測(cè)溫系統(tǒng)由光電探頭、光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理電路及電信號(hào)輸出四部分組成。如下圖1所示，為紅外非接觸式紅外測(cè)溫儀硬件設(shè)計(jì)框圖:

圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖

1.1 STM32主控電路

圖2 STM32主控制電路

采用ARM32位Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6單片機(jī)為系統(tǒng)控制器，最高工作頻率72MHz，1.25 DMIPS/MHz，單周期乘法和硬件除法。片上集成256KB的Flash存儲(chǔ)器；20KB的SRAM存儲(chǔ)器，內(nèi)部集成了多路ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），多路串口控制器。開發(fā)資源豐富，采用圖形化開發(fā)工具STM32CUBEMX，KEIL實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)，大大縮減開發(fā)周期。主要實(shí)現(xiàn)功能如下：控制紅外傳感器 MLX90614 進(jìn)行溫度測(cè)量，并將溫度顯示在OLED上。如果溫度超過37.3℃，通過蜂鳴器和LED彩燈進(jìn)行聲光報(bào)警。STM32主控制電路主要由晶體振蕩電路、復(fù)位電路組成。可外部高速晶振（HSE）和低速晶振（LSE）。其中高速晶振為8MHZ，低速晶振為32.768KHZ。8M晶振與電容C8、C10構(gòu)成晶體振蕩電路，產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。為單片機(jī)提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘源。當(dāng)NRST引腳保持低電平一段時(shí)間后（2us以上）會(huì)導(dǎo)致MCU發(fā)生復(fù)位，當(dāng)維持一段時(shí)間的低電平后再恢復(fù)高電平即可。因?yàn)殡娙莸奶匦允歉糁蓖ń唬?，電容只有在上電時(shí)候會(huì)在兩端累計(jì)電荷，當(dāng)穩(wěn)定后不會(huì)在釋放電荷。當(dāng)上電時(shí)，電容兩端逐漸由電位差為0，即NRST引腳與GND等電位，為低電平；隨著充電時(shí)間推移，電容兩端的電位差逐漸達(dá)到最大3.3V，即為高電平。如上圖2所示。

1.2 鋰電池供電電路

圖3 鋰電池供電電路

為了提高溫度測(cè)量便攜性，故采用鋰電池供電，如上圖3所示，CN1為鋰電池接口，系統(tǒng)采用4.2V聚合鋰電池，當(dāng)電量不足時(shí)候，通過USB對(duì)鋰電池供電，其中芯片TC4056A為充電管理芯片，負(fù)責(zé)對(duì)電池充電。該芯片充電電流由2腳串聯(lián)電阻R9決定，電流大小計(jì)算公式為：

I = Vprog/R9 * 1200 （1）

在電池預(yù)充電階段Vprog電壓為0.1V，在恒流充電階段，Vprog電壓為1V。

GHRG（引腳 7）漏極開路輸出的充電狀態(tài)指示端。當(dāng)充電器向電池充電時(shí)，CHRG 管腳被內(nèi)部開關(guān)拉到低電平，表示充電正在進(jìn)行；否則 CHRG 管腳處于高阻態(tài)。LED2用于指示充電狀態(tài)，點(diǎn)亮表示在充電之中，熄滅表示充電完成。

1.3 MLX90614非接觸式溫度傳感器

1.3.1 MLX90614結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路

圖4 外觀及應(yīng)用電路

MLX90614采用5V供電，測(cè)量溫度范圍為-40℃—125℃。溫度輸出有兩種方式：SMBus和PWM（脈沖寬帶調(diào)制信號(hào)）。MLX90614 集成了紅外熱電堆感應(yīng)器MLX81101和用于處理紅外感應(yīng)器信號(hào)的專用處理芯片MLX90302（內(nèi)含低噪聲放大器、17 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理單元、脈寬調(diào)制及邏輯控制電路）[1-2]，測(cè)量相應(yīng)速度僅僅100多毫秒，測(cè)量量辨析度可達(dá)到 0.02℃[2]。如圖4為該傳感器外觀圖及應(yīng)用電路圖，表1為具體引腳功能。

表1 MLX90614引腳功能圖

MLX90614 基于SMBus總線傳輸協(xié)議。SMBus接口能提供在主設(shè)備（MD：Master Device）與從屬設(shè)備（SD：Slave Device）之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊[3]。根據(jù)手冊(cè)單個(gè)MLX90614 作為從設(shè)備地址為0x00，多個(gè)MLX90614 默認(rèn)地址為0x5A。主設(shè)備STM32控制器與從設(shè)備MLX90614，數(shù)據(jù)傳輸以字節(jié)為單位進(jìn)行傳輸，采用握手應(yīng)答方式來(lái)傳輸信號(hào)，及每次發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，等待對(duì)方應(yīng)答ACK（應(yīng)答）信號(hào)，如果超時(shí)沒有收到ACK信號(hào)，從新發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)，如果多次依然沒有接收到ACK信號(hào)，停止發(fā)送，結(jié)束通信。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議如圖5所示：

圖5 SMBus傳輸協(xié)議

圖6 數(shù)據(jù)讀寫協(xié)議

MLX90614的數(shù)據(jù)傳輸每次傳送一個(gè)字節(jié)。每個(gè)字節(jié)都按照高位（MSB）在前、低位（LSB）在后的格式傳輸?2個(gè)字節(jié)中間的第9個(gè)時(shí)鐘是應(yīng)答時(shí)鐘[4]。如圖6所示，首先來(lái)看主設(shè)備讀取從設(shè)備過程：主設(shè)備（單片機(jī)）首先發(fā)送第一幀9bits的數(shù)據(jù)：1位起始位，7位從機(jī)地址，1位寫命令。等待從機(jī)相應(yīng)ACK。接著發(fā)送第二幀數(shù)據(jù)8bits命令，等待從機(jī)相應(yīng)發(fā)出ACK信號(hào)。第三幀由9bits數(shù)據(jù)組成：1位啟始幀，7bit從機(jī)地址，1bit讀命令。從機(jī)依次發(fā)出2字節(jié)的回復(fù)數(shù)據(jù)。其次再來(lái)看主設(shè)備讀取寫從設(shè)備過程：主設(shè)備（單片機(jī)）首先發(fā)送第一幀9bits的數(shù)據(jù)：1位起始位，7位從機(jī)地址，1位寫命令。等待從機(jī)相應(yīng)ACK。接著發(fā)送第二幀數(shù)據(jù)8bits命令，等待從機(jī)相應(yīng)發(fā)出ACK信號(hào)。從機(jī)依次接收到2字節(jié)的數(shù)據(jù)，每接收到一幀就回復(fù)ACK應(yīng)答信號(hào)。

1.3.2 溫度計(jì)算

主控制通過SMBus總線來(lái)讀取 MLX90614內(nèi)部RAM中0x07地址里面的溫度數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)由2字節(jié)組成，低字節(jié)(DataL)在前，高字節(jié)(DataH)在后。然后根據(jù)計(jì)算公式2,計(jì)算出最終測(cè)試溫度（單位：℃）。

T= (DataH<<8) | DataL * 0.02-273.15 （公式二）

1.4 聲光報(bào)警電路

圖7 聲光報(bào)警電路

如圖7所示，單片機(jī)通過NPN型三極管來(lái)控制有源蜂鳴器的開、關(guān)。當(dāng)BUZZ引腳輸出高電平的時(shí)候，三極管導(dǎo)通蜂鳴器響，當(dāng)輸出低電平的時(shí)候，三極管停止工作，蜂鳴器不響。LED電路采用紅、綠、藍(lán)三色等，分別表示不同的工作狀態(tài)，其中紅燈表示溫度異常，綠燈表示溫度正常，藍(lán)燈表示正在測(cè)量中。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)流程圖如圖8所示，首先完成系統(tǒng)硬件相關(guān)初始化，如配置stm32單片機(jī)時(shí)鐘、定時(shí)器、GPIO等。然后等待按鍵是否按下，如果按下則進(jìn)行溫度測(cè)量，否則一直等待，直到用戶按下。當(dāng)用戶按下按鍵后，單片機(jī)與傳感器MLX90614通過SMBus總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如果計(jì)算出溫度超過37.3℃，則顯示溫度異常蜂鳴器每隔1S響一次，同時(shí)RGB彩燈，顯示紅色。如果溫度正常則從新回到按鍵檢測(cè)狀態(tài)等待下一次按下。

圖8 系統(tǒng)流程圖

2.2 溫度讀取流程圖

圖9 溫度讀取流程圖

溫度讀取過程：?jiǎn)纹瑱C(jī)首先發(fā)送三幀數(shù)據(jù)，其中第二幀為命令，寄存器為0x07，讀取傳感器內(nèi)部RAM溫度值。傳感器MLX90614接收到讀命令后，分兩幀，依次傳輸溫度低8位和溫度高8位[5]。

核心讀寫代碼如下：

3 實(shí)物及PCB設(shè)計(jì)圖

圖10 實(shí)物設(shè)計(jì)圖

圖11 PCB設(shè)計(jì)圖

圖10采用雙面板PCB設(shè)計(jì)實(shí)物圖，溫度傳感器安裝在傳感器背面，實(shí)物設(shè)計(jì)正面放置OLED顯示屏、STM32控制電路、按鍵電路、鋰電池充電電路等。圖11位PCB設(shè)計(jì)圖，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)候，對(duì)于大電流電路：供電電路、鋰電池充電電路采用鋪銅方式來(lái)降低阻抗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。STM32晶體振蕩電路的晶振下方盡量不走線，避免高頻率信號(hào)的干擾，這樣整體設(shè)計(jì)電路才可靠、穩(wěn)定性好。

[1]鄭貴林,劉麗莎.基于MLX90614的非接觸式 測(cè)溫儀[J].自動(dòng)化與儀表,2014(10):12-15.

[2]鞏文東,趙青龍,馮國(guó)俊,等.具有云端報(bào)警功能的高校分布式體溫檢測(cè)裝置[J].安徽電子信息職業(yè) 技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2021,20(1):14-18.

[3]張日欣.基于MLX90614 的非接觸式體溫測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊,2009,8(3):105-107.

[4]沙春芳.紅外溫度計(jì) MLX90614 及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007 (22):36-37,40.

[5]Melexis.MLX90621 Datasheet [EB/OL].(2016- 09-15).https://www.melexis.com/zh/documents/documentation/ datasheets/datasheet-mlx90621.

TP732+.2

A

1672-1047（2022）06-0138-05

10.3969/j.issn.1672-1047.2022.06.36

2022-11-03

程 智，男，湖北武漢人，碩士，講師。研究方向：嵌入式技術(shù)，人工智能技術(shù)。

[責(zé)任編輯：羅幼平]