基于MLX90614 的無線溫度采集系統設計*

鐘 君，蔡黎明，于 涌

(中國科學院 蘇州生物醫學工程技術研究所，江蘇 蘇州215163)

0 引 言

溫度監控系統在工業生產、現代農業、智能家居以及醫療保健行業都有廣泛的應用［1，2］，尤其是在醫療設備研制領域，非接觸、精度高、響應快且可無線傳輸的數字化溫度監控系統，能夠為提高醫療設備的性能指標提供有效依據。

目前，溫度監控系統仍主要采用基于熱電阻或熱電偶的模擬方式和基于集成電路的數字式，模擬測量方式技術成熟，但響應速度慢，需要專用電路進行信號調理，使得裝置結構復雜。DS18B20 等數字式溫度采集方式［3，4］雖然具有集成度高、數據采集方便等優點，但是精度較低，且與鉑電阻器測溫等方式同屬于接觸式測量，在醫療設備研制的某些特殊領域，無法達到污染隔離的要求。

本文測溫系統采用超低功耗MSP430 單片機作為控制核心［5］，利用紅外溫度傳感器MLX90614 完成溫度采集［6］，并通過藍牙技術實現收發模塊的無線數據傳輸［7，8］，該方式具有測量精度高、響應速度快、系統集成度高和無線傳輸等優點，而且屬于非接觸無污染式測量。

1 系統總體設計

該系統總體分為采集發送和接收顯示兩個子系統，采集發送子系統具體包括CPU 核心模塊、電源模塊、測溫模塊和發送模塊。接收顯示子系統具體包含CPU 核心模塊、電源模塊、接收模塊、液晶顯示模塊和電平轉換模塊。該無線測溫系統的原理如圖1 所示。

圖1 無線測溫系統框圖Fig 1 Block diagram of wireless temperature measurement system

2 主要元器件選型

2.1 處理器

本系統選用MSP430F449 單片機，支持JTAG 接口在線編程調試，非常適用于智能儀表、電池供電的便攜設備。

2.2 數字式溫度傳感器MLX90614

MLX90614 是由Melexis 公司生產的數字式紅外溫度傳感器，直接輸出完全線性化的并已對環境溫度進行補償的數字溫度。本系統選用MLX90614DAA 醫療設備專用型器件，溫度測量范圍為-40～+125 ℃，溫度分辨率為0.02 ℃。在人體體溫范圍+32 ～ + 42 ℃時，測量的絕對精度為0.2 ℃，該器件具有2 種溫度輸出方式:數字PWM 輸出和SMBus 接口輸出。

3 系統硬件設計

系統的硬件設計原理如圖2 所示。

圖2 系統硬件設計原理圖Fig 2 Principle diagram of system hardware design

3.1 電源模塊

采集發送模塊采用9 V 鋰電池供電，接收顯示模塊采用外部5 VDC 供電，兩模塊電路其他部分所需的3.3 V 電壓通過使用LDO 線性電壓穩壓器LM1117—3.3 得到，采集發送模塊設計了基于N 溝道增強型場效應管SI2300 的電源防反電路，并通過R2，R3 兩只電阻器進行分壓監測電池電量狀況。

3.2 溫度采集模塊

MLX90614 采用二線制的SMBUS 協議與單片機通信，通過2 只100 kΩ 的上拉電阻器將SDA，SCL 與單片機的P1.5，P1.6 引腳相連。

3.3 藍牙透傳模塊

本系統選用了廣州匯承公司生產的HC—06 型主從一體型藍牙透傳模塊，低電壓3.3 V 工作，利用MSP430F449的串口O 與其通信，該模塊能夠實現UART 串口與藍牙串口之間的數據透明傳輸。

3.4 液晶顯示模塊

接收顯示子系統中選用了一種基于HT1621 的段式LCD 顯示模塊0173，3.3 V 電壓供電，利用MSP430F449 的P1.0，P1.1 和P1.2 普通IO 端口與CS，WR 和DADA 引腳相連，通過模擬SPI 通信，將需要顯示信息按一定數據格式傳輸到0173 顯示模塊的指定地址內存。

4 系統軟件設計

數字式紅外溫度傳感器MLX90614 雖然集成度高，簡化了硬件電路設計要求，但其所采用的二線制SMBus 協議對合理的邏輯時序提出了較高的要求［9］。

4.1 SMBus 協議

SMBus 是一種二線串行協議，對應的引腳為SDA 和SCL，SDA 兼有數字輸入輸出功能，SCL 是數字輸入，用作通信時鐘信號，SMBus 協議允許主控制器與一個或是一個以上的從動器件通信。

MLX90614 作為從動器件，其數據通信格式如圖3 和圖4所示，圖中陰影部分表示數據傳輸方向為從器件到主器件，白色部分表示從主器件到從器件。其中:S 為起始位(1b);Slave Address 為從器件地址(7b);Wr 為寫標志(1b，0 表示“寫”);Rd 為讀標志(1b，1 表示“讀”);A 為應答位(1b);Command 為命令字節(8b);Sr 為重復起始位(1b);PEC 為校驗數據包(8b);P 為停止位(1b)。

圖3 SMBus 讀數數據格式Fig 3 Read data format of SMBus

圖4 SMBus 寫入數據格式Fig 4 Write data format of SMBus

MLX90614 SMBus 時鐘的最大頻率為100 kHz，最小為10 kHz，SDA 的數據必須在SCL 為低時改變。在SCL 的上升沿，MD 和SD 的數據被讀出，在SCL 為低電平的中間時刻改變數據。

4.2 溫度采集程序

以下為讀取溫度數據值的程序段，并對程序做簡要說明:

5 實驗測試

采用高精度水銀溫度計與該測溫系統對同一個保溫杯內的水溫進行測量，并根據水銀溫度計的值將水溫控制在32～42 ℃之間，在實驗進行時將外房實驗室的溫度控制在設定溫度附近。為了減小熱交換產生的長期溫度漂移影響，每次測量時間間隔不宜過長，本文實驗中間隔為5 s。

用水銀溫度計將水溫標定在35 ℃和38 ℃，圖5 和圖6分別是該測溫系統的實測曲線，從以上數據可以看出:MLX90614DAA 的測溫精度能達到±0.2 ℃。但值得注意的是在測溫時，探頭的前端要盡量靠近被測對象，保持在1～2 cm的范圍內。如果超出2 cm，顯示的溫度值將快速遞減;當距離擴大到60 cm 以上時，所測值趨近氣溫［10］。考慮到在測低溫物體的表面溫度時，可以人為控制測溫的距離，因此，基本符合要求。

圖5 35 ℃測量數據Fig 5 Measurement datas at 35 ℃

圖6 38 ℃測量數據Fig 6 Measurement datas at 38 ℃

6 結束語

本文設計了一個基于紅外溫度傳感器MLX90614 的無線溫度采集系統，采用超低功耗MSP430 單片機作為控制核心，并通過藍牙透傳模塊進行無線通信，該溫度采集系統具有非接觸、響應快和精度高等特點，實驗表明:在人體體溫32～42 ℃附近范圍內，測量精度達±0.2 ℃，但在使用時還需要根據特定的環境進行改善，這樣就能克服傳感器對測量環境要求高的弊端，對醫療設備研制具有十分重要的意義。

［1］ 張宇寧，周 穎.DS18B20 數字式溫度測量裝置的研究［J］.機械工程與自動化，2012(4):149－151.

［2］ 張海傳，吳晨霞，許東衛，等.低功耗軸承溫度無線檢測系統的設計［J］.電子技術應用，2009，35(10):96－98，102.

［3］ 湯鍇杰，栗 燦，王 迪，等.基于DS18B20 的數字式溫度采集報警系統設［J］.傳感器與微系統，2014，33(3):99－102.

［4］ 張 軍，陳慧麗.基于MSP430 單片機和DS18B20 的數字溫度計［J］.電子設計工程，2010，18(11):106－109.

［5］ 王 玲，王中訓，王 恒.基于MSP430 單片機的多路無線溫度檢測系統［J］.現代電子技術，2011，34(1):125－127，132.

［6］ 夏候凱順，曾憲金，胡立坤，等.基于MLX90614 和Zig Bee 技術的體溫實時監控系統的設計［J］.自動化與儀表，2011(11):23－26.

［7］ 陳 平，陳 彥.基于藍牙技術的溫度數據采集系統［J］.儀表技術與傳感器，2005(11):40－42.

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［10］張日欣.基于MLX90614 的非接觸式體溫測量系統設計［J］.軟件導刊，2009，8(3):105－107.