一种防疫测温仪的设计与实现——基于MLX90614非接触式红外测温传感器

程 智

一种防疫测温仪的设计与实现——基于MLX90614非接触式红外测温传感器

程 智

（黄冈职业技术学院 电子信息学院，湖北 黄冈 438002）

非接触式红外测温是新冠疫情预防的第一关卡，往往测量人员众多，且要求温度测量准确。MLX90614红外测温传感器测量通过捕获人体辐射的红外线，达到测量温度的目的。其体积小、非接触方式、测量精度高和响应速度快，广泛的用于医疗测量设备、工业生产、日常家用电器之中。本文重点分析MLX90614结构及工作原理，围绕该传感器设计了充电电路、显示电路、控制电路等，从而设计出一款便携式红外测温仪。

MLX90614；
充电电路；
显示电路；
控制电路；
测温仪

一般来说，测温方式可分为接触式和非接触式[1]。常见接触式测温：水银计测温，利用水银的热胀冷缩原理；
热敏电阻测温，通过半导体阻值与温度关系来实现对温度测量。而新冠在预防中，测温必须采用非接触式测温。如在公众场合如商场、火车站热流量大的地方采用红外热成像摄像头来测温，但测量仪器非常昂贵，在私人场所，如的士、住宅、小区等，更需要一种测量准确、响应迅速、携带方便和价格便宜的非接触式测温仪。

人体能对外辐射能量，称为红外辐射。人体温度与自身辐射能量的强度、频率（波长）有关。如果能够测量出红外辐射能量强度和波长，就能够推算出人体表面温度，这就称之为红外测温原理。红外测温系统由光电探头、光学系统、信号调理电路及电信号输出四部分组成。如下图1所示，为红外非接触式红外测温仪硬件设计框图:

图1 硬件设计框图

1.1 STM32主控电路

图2 STM32主控制电路

采用ARM32位Cortex-M3内核的STM32F103C8T6单片机为系统控制器，最高工作频率72MHz，1.25 DMIPS/MHz，单周期乘法和硬件除法。片上集成256KB的Flash存储器；
20KB的SRAM存储器，内部集成了多路ADC（模数转换器），多路串口控制器。开发资源丰富，采用图形化开发工具STM32CUBEMX，KEIL实现软件设计，大大缩减开发周期。主要实现功能如下：控制红外传感器 MLX90614 进行温度测量，并将温度显示在OLED上。如果温度超过37.3℃，通过蜂鸣器和LED彩灯进行声光报警。STM32主控制电路主要由晶体振荡电路、复位电路组成。可外部高速晶振（HSE）和低速晶振（LSE）。其中高速晶振为8MHZ，低速晶振为32.768KHZ。8M晶振与电容C8、C10构成晶体振荡电路，产生稳定的时钟信号。为单片机提供精准的时钟源。当NRST引脚保持低电平一段时间后（2us以上）会导致MCU发生复位，当维持一段时间的低电平后再恢复高电平即可。因为电容的特性是隔直通交，所以，电容只有在上电时候会在两端累计电荷，当稳定后不会在释放电荷。当上电时，电容两端逐渐由电位差为0，即NRST引脚与GND等电位，为低电平；
随着充电时间推移，电容两端的电位差逐渐达到最大3.3V，即为高电平。如上图2所示。

1.2 锂电池供电电路

图3 锂电池供电电路

为了提高温度测量便携性，故采用锂电池供电，如上图3所示，CN1为锂电池接口，系统采用4.2V聚合锂电池，当电量不足时候，通过USB对锂电池供电，其中芯片TC4056A为充电管理芯片，负责对电池充电。该芯片充电电流由2脚串联电阻R9决定，电流大小计算公式为：

I = Vprog/R9 * 1200 （1）

在电池预充电阶段Vprog电压为0.1V，在恒流充电阶段，Vprog电压为1V。

GHRG（引脚 7）漏极开路输出的充电状态指示端。当充电器向电池充电时，CHRG 管脚被内部开关拉到低电平，表示充电正在进行；
否则 CHRG 管脚处于高阻态。LED2用于指示充电状态，点亮表示在充电之中，熄灭表示充电完成。

1.3 MLX90614非接触式温度传感器

1.3.1 MLX90614结构及应用电路

图4 外观及应用电路

MLX90614采用5V供电，测量温度范围为-40℃—125℃。温度输出有两种方式：SMBus和PWM（脉冲宽带调制信号）。MLX90614 集成了红外热电堆感应器MLX81101和用于处理红外感应器信号的专用处理芯片MLX90302（内含低噪声放大器、17 位 A/D 转换器、数字信号处理单元、脉宽调制及逻辑控制电路）[1-2]，测量相应速度仅仅100多毫秒，测量量辨析度可达到 0.02℃[2]。如图4为该传感器外观图及应用电路图，表1为具体引脚功能。

表1 MLX90614引脚功能图

MLX90614 基于SMBus总线传输协议。SMBus接口能提供在主设备（MD：Master Device）与从属设备（SD：Slave Device）之间进行数据通讯[3]。根据手册单个MLX90614 作为从设备地址为0x00，多个MLX90614 默认地址为0x5A。主设备STM32控制器与从设备MLX90614，数据传输以字节为单位进行传输，采用握手应答方式来传输信号，及每次发送一个字节数据，等待对方应答ACK（应答）信号，如果超时没有收到ACK信号，从新发送一字节数据，如果多次依然没有接收到ACK信号，停止发送，结束通信。数据传输协议如图5所示：

图5 SMBus传输协议

图6 数据读写协议

MLX90614的数据传输每次传送一个字节。每个字节都按照高位（MSB）在前、低位（LSB）在后的格式传输‚2个字节中间的第9个时钟是应答时钟[4]。如图6所示，首先来看主设备读取从设备过程：主设备（单片机）首先发送第一帧9bits的数据：1位起始位，7位从机地址，1位写命令。等待从机相应ACK。接着发送第二帧数据8bits命令，等待从机相应发出ACK信号。第三帧由9bits数据组成：1位启始帧，7bit从机地址，1bit读命令。从机依次发出2字节的回复数据。其次再来看主设备读取写从设备过程：主设备（单片机）首先发送第一帧9bits的数据：1位起始位，7位从机地址，1位写命令。等待从机相应ACK。接着发送第二帧数据8bits命令，等待从机相应发出ACK信号。从机依次接收到2字节的数据，每接收到一帧就回复ACK应答信号。

1.3.2 温度计算

主控制通过SMBus总线来读取 MLX90614内部RAM中0x07地址里面的温度数据，温度数据由2字节组成，低字节(DataL)在前，高字节(DataH)在后。然后根据计算公式2,计算出最终测试温度（单位：℃）。

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

1.4 声光报警电路

图7 声光报警电路

如图7所示，单片机通过NPN型三极管来控制有源蜂鸣器的开、关。当BUZZ引脚输出高电平的时候，三极管导通蜂鸣器响，当输出低电平的时候，三极管停止工作，蜂鸣器不响。LED电路采用红、绿、蓝三色等，分别表示不同的工作状态，其中红灯表示温度异常，绿灯表示温度正常，蓝灯表示正在测量中。

2.1 系统设计流程图

系统流程图如图8所示，首先完成系统硬件相关初始化，如配置stm32单片机时钟、定时器、GPIO等。然后等待按键是否按下，如果按下则进行温度测量，否则一直等待，直到用户按下。当用户按下按键后，单片机与传感器MLX90614通过SMBus总线协议进行数据传输，如果计算出温度超过37.3℃，则显示温度异常蜂鸣器每隔1S响一次，同时RGB彩灯，显示红色。如果温度正常则从新回到按键检测状态等待下一次按下。

图8 系统流程图

2.2 温度读取流程图

图9 温度读取流程图

温度读取过程：单片机首先发送三帧数据，其中第二帧为命令，寄存器为0x07，读取传感器内部RAM温度值。传感器MLX90614接收到读命令后，分两帧，依次传输温度低8位和温度高8位[5]。

核心读写代码如下：

图10 实物设计图

图11 PCB设计图

图10采用双面板PCB设计实物图，温度传感器安装在传感器背面，实物设计正面放置OLED显示屏、STM32控制电路、按键电路、锂电池充电电路等。图11位PCB设计图，在进行PCB设计时候，对于大电流电路：供电电路、锂电池充电电路采用铺铜方式来降低阻抗，提高系统稳定性。STM32晶体振荡电路的晶振下方尽量不走线，避免高频率信号的干扰，这样整体设计电路才可靠、稳定性好。

[1]郑贵林,刘丽莎.基于MLX90614的非接触式 测温仪[J].自动化与仪表,2014(10):12-15.

[2]巩文东,赵青龙,冯国俊,等.具有云端报警功能的高校分布式体温检测装置[J].安徽电子信息职业 技术学院学报,2021,20(1):14-18.

[3]张日欣.基于MLX90614 的非接触式体温测量系统设计[J].软件导刊,2009,8(3):105-107.

[4]沙春芳.红外温度计 MLX90614 及其应用[J].现代电子技术,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，湖北武汉人，硕士，讲师。研究方向：嵌入式技术，人工智能技术。

[责任编辑：罗幼平]

推荐访问:测温 防疫 传感器