基于MLX90614 的无线温度采集系统设计*

钟 君，蔡黎明，于 涌

(中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州215163)

0 引 言

温度监控系统在工业生产、现代农业、智能家居以及医疗保健行业都有广泛的应用［1，2］，尤其是在医疗设备研制领域，非接触、精度高、响应快且可无线传输的数字化温度监控系统，能够为提高医疗设备的性能指标提供有效依据。

目前，温度监控系统仍主要采用基于热电阻或热电偶的模拟方式和基于集成电路的数字式，模拟测量方式技术成熟，但响应速度慢，需要专用电路进行信号调理，使得装置结构复杂。DS18B20 等数字式温度采集方式［3，4］虽然具有集成度高、数据采集方便等优点，但是精度较低，且与铂电阻器测温等方式同属于接触式测量，在医疗设备研制的某些特殊领域，无法达到污染隔离的要求。

本文测温系统采用超低功耗MSP430 单片机作为控制核心［5］，利用红外温度传感器MLX90614 完成温度采集［6］，并通过蓝牙技术实现收发模块的无线数据传输［7，8］，该方式具有测量精度高、响应速度快、系统集成度高和无线传输等优点，而且属于非接触无污染式测量。

1 系统总体设计

该系统总体分为采集发送和接收显示两个子系统，采集发送子系统具体包括CPU 核心模块、电源模块、测温模块和发送模块。接收显示子系统具体包含CPU 核心模块、电源模块、接收模块、液晶显示模块和电平转换模块。该无线测温系统的原理如图1 所示。

图1 无线测温系统框图Fig 1 Block diagram of wireless temperature measurement system

2 主要元器件选型

2.1 处理器

本系统选用MSP430F449 单片机，支持JTAG 接口在线编程调试，非常适用于智能仪表、电池供电的便携设备。

2.2 数字式温度传感器MLX90614

MLX90614 是由Melexis 公司生产的数字式红外温度传感器，直接输出完全线性化的并已对环境温度进行补偿的数字温度。本系统选用MLX90614DAA 医疗设备专用型器件，温度测量范围为-40～+125 ℃，温度分辨率为0.02 ℃。在人体体温范围+32 ～ + 42 ℃时，测量的绝对精度为0.2 ℃，该器件具有2 种温度输出方式:数字PWM 输出和SMBus 接口输出。

3 系统硬件设计

系统的硬件设计原理如图2 所示。

图2 系统硬件设计原理图Fig 2 Principle diagram of system hardware design

3.1 电源模块

采集发送模块采用9 V 锂电池供电，接收显示模块采用外部5 VDC 供电，两模块电路其他部分所需的3.3 V 电压通过使用LDO 线性电压稳压器LM1117—3.3 得到，采集发送模块设计了基于N 沟道增强型场效应管SI2300 的电源防反电路，并通过R2，R3 两只电阻器进行分压监测电池电量状况。

3.2 温度采集模块

MLX90614 采用二线制的SMBUS 协议与单片机通信，通过2 只100 kΩ 的上拉电阻器将SDA，SCL 与单片机的P1.5，P1.6 引脚相连。

3.3 蓝牙透传模块

本系统选用了广州汇承公司生产的HC—06 型主从一体型蓝牙透传模块，低电压3.3 V 工作，利用MSP430F449的串口O 与其通信，该模块能够实现UART 串口与蓝牙串口之间的数据透明传输。

3.4 液晶显示模块

接收显示子系统中选用了一种基于HT1621 的段式LCD 显示模块0173，3.3 V 电压供电，利用MSP430F449 的P1.0，P1.1 和P1.2 普通IO 端口与CS，WR 和DADA 引脚相连，通过模拟SPI 通信，将需要显示信息按一定数据格式传输到0173 显示模块的指定地址内存。

4 系统软件设计

数字式红外温度传感器MLX90614 虽然集成度高，简化了硬件电路设计要求，但其所采用的二线制SMBus 协议对合理的逻辑时序提出了较高的要求［9］。

4.1 SMBus 协议

SMBus 是一种二线串行协议，对应的引脚为SDA 和SCL，SDA 兼有数字输入输出功能，SCL 是数字输入，用作通信时钟信号，SMBus 协议允许主控制器与一个或是一个以上的从动器件通信。

MLX90614 作为从动器件，其数据通信格式如图3 和图4所示，图中阴影部分表示数据传输方向为从器件到主器件，白色部分表示从主器件到从器件。其中:S 为起始位(1b);Slave Address 为从器件地址(7b);Wr 为写标志(1b，0 表示“写”);Rd 为读标志(1b，1 表示“读”);A 为应答位(1b);Command 为命令字节(8b);Sr 为重复起始位(1b);PEC 为校验数据包(8b);P 为停止位(1b)。

图3 SMBus 读数数据格式Fig 3 Read data format of SMBus

图4 SMBus 写入数据格式Fig 4 Write data format of SMBus

MLX90614 SMBus 时钟的最大频率为100 kHz，最小为10 kHz，SDA 的数据必须在SCL 为低时改变。在SCL 的上升沿，MD 和SD 的数据被读出，在SCL 为低电平的中间时刻改变数据。

4.2 温度采集程序

以下为读取温度数据值的程序段，并对程序做简要说明:

5 实验测试

采用高精度水银温度计与该测温系统对同一个保温杯内的水温进行测量，并根据水银温度计的值将水温控制在32～42 ℃之间，在实验进行时将外房实验室的温度控制在设定温度附近。为了减小热交换产生的长期温度漂移影响，每次测量时间间隔不宜过长，本文实验中间隔为5 s。

用水银温度计将水温标定在35 ℃和38 ℃，图5 和图6分别是该测温系统的实测曲线，从以上数据可以看出:MLX90614DAA 的测温精度能达到±0.2 ℃。但值得注意的是在测温时，探头的前端要尽量靠近被测对象，保持在1～2 cm的范围内。如果超出2 cm，显示的温度值将快速递减;当距离扩大到60 cm 以上时，所测值趋近气温［10］。考虑到在测低温物体的表面温度时，可以人为控制测温的距离，因此，基本符合要求。

图5 35 ℃测量数据Fig 5 Measurement datas at 35 ℃

图6 38 ℃测量数据Fig 6 Measurement datas at 38 ℃

6 结束语

本文设计了一个基于红外温度传感器MLX90614 的无线温度采集系统，采用超低功耗MSP430 单片机作为控制核心，并通过蓝牙透传模块进行无线通信，该温度采集系统具有非接触、响应快和精度高等特点，实验表明:在人体体温32～42 ℃附近范围内，测量精度达±0.2 ℃，但在使用时还需要根据特定的环境进行改善，这样就能克服传感器对测量环境要求高的弊端，对医疗设备研制具有十分重要的意义。

［1］ 张宇宁，周 颖.DS18B20 数字式温度测量装置的研究［J］.机械工程与自动化，2012(4):149－151.

［2］ 张海传，吴晨霞，许东卫，等.低功耗轴承温度无线检测系统的设计［J］.电子技术应用，2009，35(10):96－98，102.

［3］ 汤锴杰，栗 灿，王 迪，等.基于DS18B20 的数字式温度采集报警系统设［J］.传感器与微系统，2014，33(3):99－102.

［4］ 张 军，陈慧丽.基于MSP430 单片机和DS18B20 的数字温度计［J］.电子设计工程，2010，18(11):106－109.

［5］ 王 玲，王中训，王 恒.基于MSP430 单片机的多路无线温度检测系统［J］.现代电子技术，2011，34(1):125－127，132.

［6］ 夏候凯顺，曾宪金，胡立坤，等.基于MLX90614 和Zig Bee 技术的体温实时监控系统的设计［J］.自动化与仪表，2011(11):23－26.

［7］ 陈 平，陈 彦.基于蓝牙技术的温度数据采集系统［J］.仪表技术与传感器，2005(11):40－42.

［8］ 何文广，李 伟，孙彬彬，等.蓝牙温度采集监测系统的设计与实现［J］.黑龙江工程学院学报，2013，27(3):53－57.

［9］ 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.

［10］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.