李丕峰，薛鳴方，徐毅剛

（1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京210044；2.江蘇省無(wú)線電科學(xué)研究所有限公司，江蘇無(wú)錫214127）

基于IRt/c.3X的紅外地表溫度傳感器設(shè)計(jì)

李丕峰1，薛鳴方2*，徐毅剛2

（1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京210044；2.江蘇省無(wú)線電科學(xué)研究所有限公司，江蘇無(wú)錫214127）

基于自動(dòng)氣象站中考核地表溫度所使用的IRt/c.3X紅外傳感器，設(shè)計(jì)一個(gè)以MSP430F2013為核心的數(shù)字式紅外溫度傳感器。通過高精度基準(zhǔn)電壓源AD780實(shí)現(xiàn)對(duì)前端模擬式傳感器內(nèi)部K型熱電偶的冷端補(bǔ)償；利用單片機(jī)片上的可編程增益放大器PGA和16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器SD16_A完成熱電偶輸出信號(hào)的數(shù)字化；并采用分段線性擬合方法使系統(tǒng)的測(cè)溫平均誤差在±0.1℃以內(nèi)，溫度分辨率在常溫范圍內(nèi)達(dá)到0.012 7℃。設(shè)計(jì)出的數(shù)字式紅外地表溫度傳感器具有高精度、高分辨率、低功耗等特點(diǎn)。

數(shù)字化；分段式擬合法；IRt/c.3X紅外傳感器；MSP430；地表溫度；

地表溫度是全球資源環(huán)境和氣候變化研究中的一個(gè)重要參數(shù)。近年來，國(guó)內(nèi)少數(shù)氣象觀測(cè)站正在使用紅外傳感器對(duì)地表溫度進(jìn)行考核，以期將來在自動(dòng)氣象站中能夠利用紅外溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉑電阻傳感器以獲得更準(zhǔn)確的地表溫度［1］。目前，考核中的紅外溫度傳感器大都使用的是美國(guó)Exergen公司生產(chǎn)的IRt/c.3X傳感器，這是一款模擬式傳感器，輸出信號(hào)必須通過數(shù)據(jù)采集器的處理才能傳輸?shù)浇K端。本文將基于IRt/c.3X紅外傳感器，以MSP430F2013單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)出一個(gè)適合在自動(dòng)氣象站中觀測(cè)地表溫度的高精度數(shù)字式紅外地表溫度傳感器。

1　IRt/c.3X傳感器測(cè)溫原理

IRt/c.3X傳感器探頭處的紅外濾光片可以通過6.5 μm～14 μm的紅外輻射，測(cè)溫范圍達(dá)到-45℃～650℃。它主要由K型熱電偶、黑體感應(yīng)面、濾光片等部件組成。它是基于熱電偶的測(cè)溫原理進(jìn)行溫度的探測(cè)：目標(biāo)物體發(fā)出的紅外輻射透過濾光片被傳感器內(nèi)部的黑體感應(yīng)面吸收，從而使K型熱電偶的測(cè)量端受熱，這樣熱電偶的開路端就會(huì)產(chǎn)生電壓，再根據(jù)熱電偶的偶塞貝克系數(shù)和參考端溫度就可以計(jì)算求得測(cè)量端的溫度。它的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　IRt/c.3X傳感器的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

收稿日期：2015-07-10修改日期：2015-08-19

1.1熱電偶的測(cè)溫原理

熱電偶測(cè)溫原理是托馬斯·塞貝克在1821年發(fā)現(xiàn)的。如果把兩種不同金屬導(dǎo)線的一端焊接在一起，該端稱為測(cè)量端（TC），那么兩種金屬的另一端就稱為參考端（TREF），當(dāng)測(cè)量端和參考端之間存在溫度梯度時(shí)，回路中便出現(xiàn)電流，在斷開的回路上將產(chǎn)生差分電壓（VOUT），該電壓與測(cè)量端的溫度成正比。K型熱電偶的材料主要由鎳鉻-鎳鋁合金構(gòu)成，它的測(cè)溫范圍寬，線性度好，并且具有適中的塞貝克系數(shù)。熱電偶的塞貝克系數(shù)S可由下式定義［2］：

式中，ΔT為測(cè)量端與參考端的溫度差（℃），VOUT為熱電偶的輸出差分電壓（mV）?？梢姡氪_定測(cè)量端的溫度，就必須知道參考端的溫度，或者將參考端恒定在某個(gè)溫度點(diǎn)［3］。理論上，熱電偶的參考端以0℃為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量的。但在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶的參考端一般處于室溫中，這樣就需要用另外一種測(cè)溫設(shè)備去獲得參考端的溫度，這難免會(huì)引入新的誤差。本文將利用集成基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行熱電偶的冷端補(bǔ)償。

1.2熱電偶的冷端補(bǔ)償

AD780是AD公司生產(chǎn)的一款超高精度帶隙基準(zhǔn)電壓源，它可以利用4 V～36 V的輸入在VOUT端提供2.5 V的基準(zhǔn)電壓輸出。該芯片具備環(huán)境溫度檢測(cè)功能，其TEMP端的輸出電壓隨環(huán)境溫度成線性變化，靈敏度為1.9 mV/℃，在25℃時(shí)，TEMP端輸出電壓為560 mV。利用AD780的這兩個(gè)特點(diǎn)，在其VOUT端和TEMP端外接合適的元器件，便可實(shí)現(xiàn)熱電偶的冷端補(bǔ)償，所實(shí)現(xiàn)的電路如圖2所示。

圖2　熱電偶冷端補(bǔ)償電路

首先，需要根據(jù)熱電偶的塞貝克系數(shù)來確定分壓電阻R2的阻值。經(jīng)計(jì)算，R2的阻值由下式確定：

式中，S為熱電偶的塞貝克系數(shù)（mV/℃），R2的單位為kΩ。在測(cè)溫過程中，熱電偶的冷端溫度即為環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度為TA（℃）時(shí)，TEMP端的輸出電壓VT（mV）為：

選擇合適的R4阻值，使輸出電壓VOUT在R4上的分壓V4，等于環(huán)境溫度為0℃時(shí)VT在R2上的分壓。V4（mV）可由下式計(jì)算得到：

再根據(jù)V4和VOUT，就可以確定R4的阻值。TRIM 為VOUT調(diào)整端，通過調(diào)整電位器RP，可以補(bǔ)償由于VOUT輸出電壓漂移和電阻R4的溫度漂移造成電壓V4的偏差，從而提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。經(jīng)上分析，可確定輸出電壓V0的表達(dá)為：

式中，TC為被測(cè)目標(biāo)溫度（℃）。結(jié)合式（1）可見，經(jīng)過上述補(bǔ)償電路的輸出電壓VO，即等于塞貝克系數(shù)為S的熱電偶在冷端為0℃時(shí)測(cè)量目標(biāo)溫度為TC時(shí)的輸出電壓。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)熱電偶的數(shù)字化電路應(yīng)該包括具有差分輸入和能夠分辨微小電壓的高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器。TI公司生產(chǎn)的16 bit超低功耗單片機(jī)MSP430F2013可以滿足此要求，其片內(nèi)集成了一個(gè)16 bit的高精度Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器SD16_A和可編程增益放大器PGA，這使得單片機(jī)外部就無(wú)需使用儀表放大器，內(nèi)部PGA就能夠分辨來自熱電偶的微伏級(jí)電壓［4］。

整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)流程為：前端IRt/c.3X傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過AD780冷端補(bǔ)償后的Target差分電壓信號(hào)被送入電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變換，隨后將信號(hào)送入SD16_A進(jìn)行放大和AD轉(zhuǎn)換，CPU對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行處理，最后將處理的結(jié)果利用RS-485串口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)硬件原理框圖

2.1信號(hào)放大與AD轉(zhuǎn)換模塊

MSP430F2013片內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器SD16_A內(nèi)部自帶一個(gè)參考電壓發(fā)生器，參考電壓為VREF=1.2 V。此外，其內(nèi)部還集成有可編程增益放大器PGA、SINC3梳狀濾波器和溫度傳感器。SD16_A模塊的主要組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　SD16_A模塊的結(jié)構(gòu)圖

通過寄存器的配置，外部模擬信號(hào)經(jīng)過SD16_A的模擬差分輸入通道送入PGA，PGA的放大增益可以根據(jù)需求用程序進(jìn)行控制，增益最大可選擇32×。各模擬通道的全程輸入電壓范圍±VFSR由下式定義：

式中，GAINPGA為PGA的增益。放大后的模擬信號(hào)被送入二階Σ-Δ調(diào)制器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，調(diào)制器中的一個(gè)位比較器通過調(diào)制頻率fM量化輸入信號(hào)，所產(chǎn)生的1 bit數(shù)據(jù)流由數(shù)字濾波器平均分配作為轉(zhuǎn)化結(jié)果。轉(zhuǎn)換結(jié)果隨著每個(gè)數(shù)字濾波器的采樣步進(jìn)轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器SD16MEM0中。

2.2電壓跟隨器

傳感器的輸出阻抗一般比較高，IRt/c.3X在測(cè)溫范圍內(nèi)輸出阻抗達(dá)到4 kΩ～8 kΩ，而MSP430F2013內(nèi)置SD16_A不帶輸入緩沖，在PGA增益為32×?xí)r，差分輸入阻抗只有150 K。當(dāng)傳感器輸出信號(hào)直接進(jìn)入SD16_A，由于輸出阻抗的影響，造成進(jìn)入SD16_A的信號(hào)衰減3%左右，這對(duì)于μV級(jí)的傳感器信號(hào)屬于較大的誤差。因此，本文利用電壓跟隨器以達(dá)到阻抗變換的目的，采用AD公司的AD8667運(yùn)算放大器，它具有高輸入阻抗和低輸出阻抗等特點(diǎn)。

2.3MSP430F2013的外圍主要電路設(shè)計(jì)

MSP430F2013的大部分引腳都復(fù)用了其他功能，需要設(shè)置I/O寄存器來選擇引腳的功能。經(jīng)冷端補(bǔ)償后的差分信號(hào)分別輸入AD8667的兩個(gè)正輸入通道，經(jīng)電壓跟隨后送入單片機(jī)的A0差分輸入口；SBWTCK和SBWTDIO用于2線制的JTAG調(diào)試；P1.6口和P1.2口分別用于模擬UART通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收口；R/D用于MAX3485的收發(fā)使能。選用內(nèi)部參考電壓時(shí)，在VREF與VSS之間接一個(gè)100 nF的電容以抑制噪聲。MSP430F2013的外圍主要電路如圖5所示。

圖5　MSP430F2013外圍主要電路圖

3　目標(biāo)溫度的數(shù)據(jù)分析和處理

3.1IRt/c.3X的溫度特性及分段線性擬合

IRt/c.3X傳感器主要是利用K型熱電偶來探測(cè)目標(biāo)溫度，傳感器的輸出就是熱電偶的輸出溫差電動(dòng)勢(shì)（Vs）。為了得到目標(biāo)溫度與傳感器輸出電壓之間的關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)室條件下利用標(biāo)準(zhǔn)低溫黑體爐產(chǎn)生-40℃～60℃的標(biāo)準(zhǔn)紅外輻射，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)可以滿足一般地表溫度的測(cè)量。通過溫度控制器使熱電偶的冷端溫度保持在0℃，并使用六位半數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量傳感器的輸出電壓。測(cè)試所得V-T曲線如圖6中的實(shí)線所示。

圖6　實(shí)測(cè)V-T曲線與線性擬合曲線

根據(jù)ITS-90通用熱電偶的逆函數(shù)［5］，有：

式中，T為ITS-90的溫度值（℃），VS為熱電偶對(duì)應(yīng)的輸出電壓（mV），Ci為多項(xiàng)式系數(shù)。結(jié)合本試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，可求得目標(biāo)溫度T與傳感器輸出電壓Vs的函數(shù)關(guān)系為：

由上式可見，多項(xiàng)式系數(shù)隨著階數(shù)的增加而減小。結(jié)合圖6，可見在-40℃～60℃內(nèi)，V-T函數(shù)曲線近似一條直線。對(duì)其進(jìn)行線性擬合，擬合后的曲線如圖6虛線所示，并利用最小二乘法［6］求得擬合直線的方程為：

從圖6可見，在-20℃～40℃以內(nèi)，線性擬合效果較好，但是目標(biāo)溫度在低于-20℃和高于40℃時(shí)，擬合曲線與實(shí)測(cè)曲線出現(xiàn)一定偏離，因此，本文采用分段線性擬合方法，對(duì)V-T曲線在-40℃～-20℃、-20℃～0℃、0℃～20℃、20℃～40℃和40℃～60℃內(nèi)分別進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖7所示。

從圖7可見，在每個(gè)分段范圍內(nèi)，擬合曲線與實(shí)測(cè)曲線基本上完全重合。同樣，利用最小二乘法求出每一段擬合直線的參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

圖7　分段線性擬合曲線

表1　各分段內(nèi)的線性擬合函數(shù)及塞貝克系數(shù)

從表1可見，通過分段線性擬合，每一段的擬合度R2都高達(dá)0.999 8以上，R2越接近1，說明擬合曲線與試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線越吻合。由塞貝克系數(shù)的定義可知，每個(gè)溫度段的一次線性擬合函數(shù)的斜率即為在相應(yīng)溫度段內(nèi)熱電偶的塞貝克系數(shù)。圖8給出了3種分段方式下實(shí)測(cè)點(diǎn)與擬合曲線的誤差。

圖8　不同分段方式下的擬合誤差曲線

從圖8可見，通過式9的不分段擬合最大擬合誤差高達(dá)3.6℃以上，三段式線性擬合最大誤差也達(dá)到0.6℃，而本文采用的五段式線性擬合，平均擬合誤差在±0.1℃以內(nèi)，最大擬合誤差也不超過0.2℃?？梢?，擬合分段數(shù)越多，擬合誤差越小，若要得到更高的擬合精度，可以采用更多的分段數(shù)來實(shí)現(xiàn)。但分段數(shù)目不能無(wú)限制增加，不然擬合精度會(huì)下降，可能出現(xiàn)龍格現(xiàn)象［7］。

3.2SD16_A的參數(shù)分析及V-T轉(zhuǎn)換

經(jīng)過熱電偶的冷端補(bǔ)償后，若目標(biāo)溫度小于0℃，則傳感器的輸出電壓為負(fù)值。因此，SD16_A的最高位需要作為符號(hào)位，剩余的15位表示電壓幅值，因此SD16_A的分辨率為1/215=1/32 768。傳感器的精度要求為0.01℃，在-40℃～60℃范圍內(nèi)，有100×0.01=10 000個(gè)溫度點(diǎn)，所以該SD16_A可以滿足本傳感器的設(shè)計(jì)要求。通過設(shè)置SD16CCTL0寄存器的SD16DF位和SD16UNI位可以選擇AD轉(zhuǎn)換輸出為雙極二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，這種輸出格式的輸入電壓和轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的關(guān)系如圖9所示。

圖9　SD16MEM0與輸入電壓的關(guān)系

結(jié)合式（6），若 PGA增益選擇 32×，則VFSR= 18.75 mV。當(dāng)模擬輸入電壓為0 mV～18.75 mV時(shí)，SD16MEM0的編碼為0000H～7FFFH；當(dāng)模擬輸入電壓為-18.75 mV～0 mV時(shí)，SD16MEM0的編碼為8000H～FFFFH。同時(shí)可求得該ADC的溫度分辨率Rtlsb為：

式中，VFSR為模擬通道的輸入電壓范圍；FS為ADC的滿量程編碼，對(duì)于雙極性配置的SD16_A，F(xiàn)S=215-1。因此該 ADC的電壓分辨率為：18.75÷（215-1）≈5.722 2×10-4mV。表2給出各分段內(nèi)的SD16MEM0編碼和溫度分辨率。

表2　各分段內(nèi)的SD16MEM0編碼及溫度分辨率

采用分段線性擬合后，若要將SD16MEM0中的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為被測(cè)溫度值，電壓與溫度的轉(zhuǎn)換流程圖如圖10所示。

圖10中的SD16MEM0表示經(jīng)SD16_A轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制編碼；SD16MEM0區(qū)間根據(jù)表2的進(jìn)行判斷；段號(hào)①～段號(hào)⑤為表1中各段號(hào)內(nèi)的線性擬合函數(shù)。

圖10　電壓與溫度轉(zhuǎn)換流程圖

4　傳感器表體溫度的測(cè)量

4.1傳感器表體溫度對(duì)探測(cè)器的影響

根據(jù)熱探測(cè)器工作機(jī)理的物理模型［8］：

式中，ε為探測(cè)器材料的發(fā)射率；P為入射輻射功率；H為探測(cè)器的熱容量；G為探測(cè)器光敏面與周圍環(huán)境形成的熱導(dǎo)；ΔT為輻射引起探測(cè)器的溫升?？梢?，傳感器內(nèi)部熱電偶測(cè)得的黑體感應(yīng)面溫度不僅來自目標(biāo)物體的紅外輻射能，還包括傳感器表體溫度與其之間的熱傳導(dǎo)。

4.2SD16_A內(nèi)置溫度傳感器

本文利用SD16_A內(nèi)置溫度傳感器進(jìn)行IRt/c.3X傳感器表體溫度的測(cè)量，內(nèi)置溫度傳感器的典型傳遞函數(shù)為：

式中，VTS為溫度傳感器的輸出電壓（mV）；T為被測(cè)溫度（℃）；kTS為該傳感器的溫度系數(shù)（mV/℃）；V0℃表示環(huán)境溫度為0℃時(shí)的輸出電壓（mV）。KTS和V0℃的典型值分別為1.32 mV/℃和360 mV。由圖4可見，內(nèi)置溫度傳感器的輸出電壓被送入SD16_A的A6差分輸入通道進(jìn)行處理；在使用時(shí)，還必須打開內(nèi)部的參考電壓。所以，通過配置相關(guān)寄存器的SD16INCHx=110 和SD16REFON=1，就可以使用內(nèi)置溫度傳感器對(duì)IRt/c.3X傳感器的表體溫度（TSB）進(jìn)行測(cè)量。

5　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1輻射溫度的修正

經(jīng)過線性處理得到的實(shí)際上是物體的輻射溫度，而不是物體的真實(shí)溫度。根據(jù)輻射溫度的定義可得輻射溫度與真實(shí)溫度之間的關(guān)系為：

式中，TAT為物體的真實(shí)溫度℃；T為物體的輻射溫度℃；ε為目標(biāo)物體的發(fā)射率?？梢姡旁浇咏?，物體的輻射溫度就越接近其真實(shí)溫度。通常，在波長(zhǎng)6.5 μm～14 μm內(nèi)，土壤、水泥路面的發(fā)射率分別在0.94～0.99、0.88～0.97之間［9］。

5.2表體溫度對(duì)真實(shí)溫度的修正

Bugbee B［9］等人曾根據(jù)傳感器表體溫度（TSB）對(duì)IRt/c傳感器的目標(biāo)真實(shí)溫度（TAT）進(jìn)行修正，但此算法只在目標(biāo)和表體間溫差±9℃以內(nèi)才有效（在通常情況下，地表與表體間溫差滿足此要求），修正后的溫度（TCT）為：

其中，修正值TSEC是與TAT和TSB有關(guān)的函數(shù)：

式中，P（TSB）、H（TSB）和K（TSB）是與表體溫度TSB有關(guān)的修正多項(xiàng)式，它們的關(guān)系如式（11）所示，其中，X=P、H、K。對(duì)于每一支不同的IRt/c傳感器，P、H、K系數(shù)也不同，它們的值由標(biāo)定獲得。

5.3I/O口模擬UART

自動(dòng)氣象站中的傳感器一般將采集和處理后的數(shù)據(jù)直接通過串口與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通信。MSP430F2013的通用串行接口（USI）不支持UART通信，因此本文利用IO口軟件模擬UART。利用定時(shí)器A精確地模擬出UART時(shí)序。通過TA的捕獲功能檢測(cè)UART的起始位信息，并利用比較功能構(gòu)造一個(gè)精確的波特率發(fā)生器為模擬串口通信提供時(shí)間基準(zhǔn)，然后通過輸出單元將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)UART的數(shù)據(jù)收發(fā)。在UART通信中，每一個(gè)數(shù)據(jù)位的傳輸時(shí)間Tbit與計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率fCLK、波特率N的關(guān)系為［10］：

5.4軟件總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程，集成開發(fā)環(huán)境使用IARfor MSP430。系統(tǒng)的主流程如圖11所示。

主程序首先進(jìn)行時(shí)鐘的初始化；隨后完成SD16_A的初始化，設(shè)定SD16_A為連續(xù)轉(zhuǎn)換，二進(jìn)制補(bǔ)碼輸出，差分輸入通道選擇A0，增益選擇32 x；定時(shí)器初始化是為了給IO口模擬UART設(shè)定每一個(gè)數(shù)據(jù)位的傳輸時(shí)間。啟動(dòng)SD16_A開始目標(biāo)信號(hào)的測(cè)量，隨后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，等待SD16_A完成轉(zhuǎn)換。在中斷函數(shù)中判斷中斷標(biāo)志是否掛起，如果有新的轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入SD16MEM0，通過分段式線性擬合法，判斷SD16MEM0中的內(nèi)容落在哪個(gè)區(qū)間內(nèi)，利用擬合函數(shù)計(jì)算求得目標(biāo)溫度值T；隨后啟動(dòng)內(nèi)置溫度傳感器進(jìn)行表體溫度的測(cè)量，得到表體溫度值TSB。最后通過發(fā)射率和表體溫度進(jìn)行修正，得到最終溫度測(cè)值TCT。

圖11　主程序流程圖

6　結(jié)語(yǔ)

由于MSP430F2013的高度集成化，使本傳感器的硬件設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單。單片機(jī)片上的PGA和Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成模擬電壓的放大和轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了外圍模擬電路的設(shè)計(jì)。利用AD780的熱電偶冷端補(bǔ)償方法使前端IRt/c.3X傳感器總是以參考端為0℃的條件下測(cè)量目標(biāo)溫度，避免了使用其他溫度傳感器測(cè)量參考端溫度所帶來的誤差。采用分段式線性擬合方法使得系統(tǒng)的測(cè)溫平均誤差在±0.1℃以內(nèi)，最大誤差不超過0.2℃。在地表常溫范圍內(nèi)，系統(tǒng)的溫度分辨率在高達(dá)到0.012 7℃，完全可以測(cè)量前端K型熱電偶傳感器輸出μV級(jí)模擬電壓的變化。最后利用SD16_A內(nèi)置溫度傳感器測(cè)量表體溫度，結(jié)合Bugbee.B表體溫度修正算法以進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

［1］ 儲(chǔ)呈敏，馬尚昌，張素娟，等.地表溫度測(cè)量方法研究綜述［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（6）：187-189.

［2］ 許志建，徐行.塞貝克效應(yīng)與溫差發(fā)電［J］.現(xiàn)代物理知識(shí)，2004，16（1）：41-42.

［3］ 呂鵬飛，裴東興，沈大偉.基于K型熱電偶的瞬態(tài)測(cè)溫技術(shù)的研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，27（6）：775-780.

［4］ Shtargot J，Mirza S.利用先進(jìn)的熱電偶和高分辨率Δ-∑ADC實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量［J］.世界電子元器件，2012，2：015.

［5］ 劉彥文，張景揚(yáng).ITS-90通用熱電偶的溫度與熱電勢(shì)編程計(jì)算［J］.自動(dòng)化儀表，2002，23（6）：66-67.

［6］ 朱杰，何凌霄，林凡強(qiáng)，等.最小二乘法分段擬合紅外測(cè)距系統(tǒng)［J］.電子器件，2014，37（3）：524-528.

［7］ 閆鑫，王曉娜，丁淵明，等.熱電偶快速高精度測(cè)溫算法［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2015，34（3）：140-143.

［8］ 曾戈虹.紅外光子探測(cè)器與熱探測(cè)器性能分析［J］.紅外技術(shù)，2011，33（9）：497-500.

［9］ Bugbee B，Droter M，Monje O，et al.Evaluation and Modification of Commercial Infrared Transducers for Leaf Temperature Measurement［J］.Advances in Space Research，1998，22（10）：1425-1434.

［10］付明.利用TIMER的捕獲比較功能模擬MSP430 UART的研究［J］.沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20（6）：114-116.

李丕峰（1991-），男，浙江省溫州人，漢族，南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闅庀筇綔y(cè)儀器工程，lipitracy@126.com；

薛鳴方（1958-），男，江蘇省無(wú)錫人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，江蘇省無(wú)線電科學(xué)研究所有限公司董事長(zhǎng)，主要研究方向?yàn)榈孛鏆庀髢x器和觀測(cè)方法，xue.mingfang@js1959.com。

Design of Surface Temperature Infrared Sensors Based on IRt/c.3X

LI Pifeng1，XUE Mingfang2*，XU Yigang2
（1.College of electronics and information Engineering，Nanjing university of information science&technology，Nanjing 210044，China；2.Jiangsu Radio Scientific Institute Co.Ltd.，Wuxi Jiangsu 214127，China）

Based on the IRt/c.3X infrared sensor used in the check of surface temperature in automatic meteorological station，a digital infrared temperature sensor with the MSP430F2013 as the core will be devised.Using high accuracy reference voltage source AD780，cold junction compensation of the K-type thermocouple inside the front-end analog sensor will be achieved；the digitalization of the output signal of the thermocouple will be achieved by using programmable gain amplifier PGA and 16 bit adc SD16_A；the system's average error of the temperature measured will be limited to the range of±0.1℃by using piecewise linear fitting；the temperature resolution will reach 0.012 7℃under normal temperature.The designed digital infrared surface temperature sensor has such features as high precise，high resolution and low power consumption.

digitize；sectional fitting；IRt/c.3X infrared sensor；MSP430；surface temperature

TP212.6

A

1005-9490（2016）03-0564-07

EEACC：7230；7320G10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.013