STM32与GY-906红外测温设计

原创于 2025-11-04 12:48:20 发布 · 1k 阅读

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#STM32 #GY-906 #红外测温 #I²C #非接触测温 #嵌入式系统

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基于STM32F103C8T6与GY-906的红外测温系统设计实践

在疫情常态化防控和工业智能化升级的双重推动下，非接触式温度检测已从“可选功能”变为许多设备的核心需求。无论是社区门口的额温枪，还是自动化产线上的热监控节点，背后都离不开一个关键组合： 高集成度红外传感器 + 高性价比MCU 。

这其中，GY-906（基于Melexis MLX90614芯片）因其出厂校准、数字输出、无需外部补偿等特性，成为开发者首选；而STM32F103C8T6凭借其成熟的生态和强大的外设支持，自然成了主控的理想选择。这两者的结合，看似简单，实则蕴藏着不少工程细节——稍有不慎，就会出现通信失败、读数跳变甚至系统复位等问题。

本文将带你深入这个经典搭配的技术内核，不只讲“怎么连”，更要说清楚“为什么这么连”、“哪里容易踩坑”以及“如何提升稳定性”。

为什么是 GY-906？它真的“即插即用”吗？

市面上有不少红外测温模块，但大多数需要自己做信号放大、滤波、温度补偿甚至黑体标定。相比之下，GY-906最大的优势在于： 所有复杂算法已经固化在MLX90614芯片内部 。

这颗芯片本质上是一个完整的“红外测温SoC”。它集成了热电堆探测器、低噪声放大器、17位ADC、DSP处理器以及EEPROM存储单元。最关键的是，每个出厂的MLX90614都经过多点黑体炉校准，温度数据直接通过I²C输出，单位已经是摄氏度或开尔文。

但这并不意味着你可以把它接到MCU上就万事大吉。比如：

它的默认I²C地址是 0x5A ，不可更改；
数据采用小端格式（LSB先发），读取时必须注意字节顺序；
内部使用斯特藩-玻尔兹曼定律进行辐射能量到温度的转换，依赖环境温度补偿，因此传感器自身温度的准确性至关重要。

公式如下：
$$
P = \varepsilon \sigma (T_{obj}^4 - T_{amb}^4)
$$
其中 $P$ 是接收到的红外功率，$\varepsilon$ 是物体发射率（人体皮肤约为0.98），$\sigma$ 是常数，$T_{obj}$ 和 $T_{amb}$ 分别为目标物和环境温度（单位为K）。芯片会自动完成这一非线性计算，我们只需要读寄存器即可。

常见的测量范围为 -70°C ~ +380°C（具体型号决定），分辨率达0.02°C，在36–39°C区间典型精度可达±0.5°C，完全满足一般医疗筛查和工业监测的需求。

还有一个常被忽视的参数是 视场角（FOV） 。例如5° FOV意味着距离目标10cm时，测温区域直径约0.87mm；若距离拉远到50cm，则光斑直径扩大至近9mm。如果你误把额头边缘纳入测量范围，结果必然偏低。所以在实际应用中，建议配合激光指示或结构限位来保证对准。

STM32F103C8T6：不只是“便宜好用”

很多人选择STM32F103C8T6是因为它价格低、资料多、可以用Arduino IDE开发。但真正让它胜任这类传感任务的，其实是它的硬件资源与实时控制能力。

这款基于ARM Cortex-M3内核的MCU主频可达72MHz，拥有64KB Flash和20KB SRAM，支持标准外设库、HAL库甚至LL驱动，更重要的是——它具备 真正的硬件I²C控制器 （I²C1和I²C2），而不是靠GPIO模拟。

这意味着什么？相比软件模拟I²C，硬件I²C能提供更稳定的时序控制，尤其是在总线上挂载多个设备或存在干扰的情况下，不容易丢帧或锁死总线。而且它可以产生重复起始条件、支持DMA传输、具备错误中断机制，这些对于构建可靠通信链路非常关键。

不过也要注意几个陷阱：

STM32F103的工作电压是2.0V~3.6V，推荐使用3.3V供电；
虽然GY-906模块可以接受5V电源输入，但其SCL/SDA引脚是否耐5V取决于具体模块设计；
如果GY-906由5V供电，而STM32运行在3.3V，则必须加入电平转换电路（如PCA9306或分压电阻），否则长期工作可能损坏MCU IO口。

此外，该芯片还支持多种低功耗模式（Sleep、Stop、Standby），非常适合电池供电的应用场景。只需在两次测温之间进入Stop模式，再通过外部中断唤醒，即可大幅延长续航时间。

系统架构与关键连接

一个典型的红外测温仪系统通常包含以下几个部分：

[GY-906] ←I²C→ [STM32F103C8T6] ←GPIO→ [OLED显示屏]
                             ↓
                         [按键输入]
                             ↓
                        [蜂鸣器/LED报警]

引脚连接建议

功能	MCU引脚	说明
GY-906 SDA	PB7 (I²C1_SDA)	推荐使用硬件I²C1
GY-906 SCL	PB6 (I²C1_SCL)	上拉至3.3V，阻值4.7kΩ
OLED SDA/SCL	同I²C总线	注意设备地址冲突
按键	PA0	可配置为外部中断
蜂鸣器	PA1	驱动NPN三极管控制有源蜂鸣器

⚠️ 特别提醒：GY-906的I²C地址固定为 0x5A （写地址0xB4，读地址0xB5），无法修改。如果OLED也使用相同地址（如某些SSD1306默认地址也是0x78对应0x5A），就会发生冲突。解决方案包括：
- 使用支持地址切换的OLED模块（如通过ADDR引脚改变）；
- 改用SPI接口的显示屏；
- 或者采用软件I²C分别驱动两个设备。

温度读取代码实现与常见问题

下面是使用HAL库读取GY-906温度寄存器的标准流程：

uint16_t read_temp_reg(uint8_t reg) {
    uint8_t data[2];
    if (HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x5A << 1, &reg, 1, 100) == HAL_OK) {
        if (HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, (0x5A << 1) | 0x01, data, 2, 100) == HAL_OK) {
            return (data[1] << 8) | data[0]; // 小端序：MSB在后
        }
    }
    return 0; // 错误返回0
}

然后解析目标温度：

float temp_k = read_temp_reg(0x07) * 0.02;      // TOBJ1 寄存器
float temp_c = temp_k - 273.15;                 // 转换为摄氏度

常用寄存器地址：
- 0x06 : TA（环境温度）
- 0x07 : TOBJ1（目标物体温度）
- 0x24 : 发射率设置（默认0.95，人体建议设为0.98）

实际调试中常见问题及对策

问题现象	可能原因	解决方案
I²C通信失败	无上拉电阻 / 地址错误 / 电平不匹配	加4.7kΩ上拉，确认逻辑分析仪抓包
温度值剧烈跳动	未加滤波 / 外界热源干扰	添加滑动平均滤波（5~10次采样均值）
测量值整体偏低	发射率设置过低 / 对焦不准	提高发射率至0.98，确保目标充满视场
OLED导致I²C锁死	总线竞争 / 地址冲突	分时访问或使用独立总线
系统频繁复位	电源波动 / 接地不良	在VDD引脚附近加0.1μF去耦电容

值得一提的是，单纯依靠一次读数往往不够稳定。建议加入简单的软件滤波算法，例如：

#define FILTER_SIZE 5
float temp_buffer[FILTER_SIZE];
int buffer_idx = 0;

float get_filtered_temp() {
    float sum = 0;
    for (int i = 0; i < FILTER_SIZE; i++) {
        sum += temp_buffer[i];
    }
    return sum / FILTER_SIZE;
}

// 每次获取新数据时更新缓冲区
temp_buffer[buffer_idx] = new_temp;
buffer_idx = (buffer_idx + 1) % FILTER_SIZE;

这样可以在不影响响应速度的前提下显著降低噪声影响。

提升系统可靠性的工程技巧

1. 电源设计不容忽视

尽管GY-906标称支持3.3V~5V供电，但为了与STM32共用电源并避免电平问题，强烈建议整个系统统一使用 3.3V稳压电源 。推荐使用AMS1117-3.3或LDL1117V33，并在每个芯片的VDD引脚旁放置 0.1μF陶瓷电容 作为去耦，必要时再并联一个10μF电解电容以吸收瞬态电流。