基于IRt/c.3X的紅外地表溫度傳感器設計

李丕峰，薛鳴方，徐毅剛

（1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，南京210044；2.江蘇省無線電科學研究所有限公司，江蘇無錫214127）

基于IRt/c.3X的紅外地表溫度傳感器設計

李丕峰1，薛鳴方2*，徐毅剛2

（1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，南京210044；2.江蘇省無線電科學研究所有限公司，江蘇無錫214127）

基于自動氣象站中考核地表溫度所使用的IRt/c.3X紅外傳感器，設計一個以MSP430F2013為核心的數字式紅外溫度傳感器。通過高精度基準電壓源AD780實現對前端模擬式傳感器內部K型熱電偶的冷端補償；利用單片機片上的可編程增益放大器PGA和16位模數轉換器SD16_A完成熱電偶輸出信號的數字化；并采用分段線性擬合方法使系統的測溫平均誤差在±0.1℃以內，溫度分辨率在常溫范圍內達到0.012 7℃。設計出的數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。

數字化；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境和氣候變化研究中的一個重要參數。近年來，國內少數氣象觀測站正在使用紅外傳感器對地表溫度進行考核，以期將來在自動氣象站中能夠利用紅外溫度傳感器代替傳統鉑電阻傳感器以獲得更準確的地表溫度［1］。目前，考核中的紅外溫度傳感器大都使用的是美國Exergen公司生產的IRt/c.3X傳感器，這是一款模擬式傳感器，輸出信號必須通過數據采集器的處理才能傳輸到終端。本文將基于IRt/c.3X紅外傳感器，以MSP430F2013單片機為核心設計出一個適合在自動氣象站中觀測地表溫度的高精度數字式紅外地表溫度傳感器。

1　IRt/c.3X傳感器測溫原理

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，測溫范圍達到-45℃～650℃。它主要由K型熱電偶、黑體感應面、濾光片等部件組成。它是基于熱電偶的測溫原理進行溫度的探測：目標物體發出的紅外輻射透過濾光片被傳感器內部的黑體感應面吸收，從而使K型熱電偶的測量端受熱，這樣熱電偶的開路端就會產生電壓，再根據熱電偶的偶塞貝克系數和參考端溫度就可以計算求得測量端的溫度。它的外形和內部結構如圖1所示。

圖1　IRt/c.3X傳感器的外形和內部結構圖

收稿日期：2015-07-10修改日期：2015-08-19

1.1熱電偶的測溫原理

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

式中，ΔT為測量端與參考端的溫度差（℃），VOUT為熱電偶的輸出差分電壓（mV）。可見，要想確定測量端的溫度，就必須知道參考端的溫度，或者將參考端恒定在某個溫度點［3］。理論上，熱電偶的參考端以0℃為標準進行測量的。但在實際應用中，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溫設備去獲得參考端的溫度，這難免會引入新的誤差。本文將利用集成基準電壓源進行熱電偶的冷端補償。

1.2熱電偶的冷端補償

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

圖2　熱電偶冷端補償電路

首先，需要根據熱電偶的塞貝克系數來確定分壓電阻R2的阻值。經計算，R2的阻值由下式確定：

式中，S為熱電偶的塞貝克系數（mV/℃），R2的單位為kΩ。在測溫過程中，熱電偶的冷端溫度即為環境溫度，當環境溫度為TA（℃）時，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，等于環境溫度為0℃時VT在R2上的分壓。V4（mV）可由下式計算得到：

再根據V4和VOUT，就可以確定R4的阻值。TRIM 為VOUT調整端，通過調整電位器RP，可以補償由于VOUT輸出電壓漂移和電阻R4的溫度漂移造成電壓V4的偏差，從而提高測量的準確性。經上分析，可確定輸出電壓V0的表達為：

式中，TC為被測目標溫度（℃）。結合式（1）可見，經過上述補償電路的輸出電壓VO，即等于塞貝克系數為S的熱電偶在冷端為0℃時測量目標溫度為TC時的輸出電壓。

2　系統硬件設計

對熱電偶的數字化電路應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轉換器。TI公司生產的16 bit超低功耗單片機MSP430F2013可以滿足此要求，其片內集成了一個16 bit的高精度Σ-Δ模數轉換器SD16_A和可編程增益放大器PGA，這使得單片機外部就無需使用儀表放大器，內部PGA就能夠分辨來自熱電偶的微伏級電壓［4］。

整個系統的硬件設計流程為：前端IRt/c.3X傳感器輸出信號經過AD780冷端補償后的Target差分電壓信號被送入電壓跟隨器進行阻抗變換，隨后將信號送入SD16_A進行放大和AD轉換，CPU對轉換結果進行處理，最后將處理的結果利用RS-485串口與計算機實現通信。系統的硬件框圖如圖3所示。

圖3　系統硬件原理框圖

2.1信號放大與AD轉換模塊

MSP430F2013片內的模數轉換器SD16_A內部自帶一個參考電壓發生器，參考電壓為VREF=1.2 V。此外，其內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模塊的主要組成結構如圖4所示。

圖4　SD16_A模塊的結構圖

通過寄存器的配置，外部模擬信號經過SD16_A的模擬差分輸入通道送入PGA，PGA的放大增益可以根據需求用程序進行控制，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。放大后的模擬信號被送入二階Σ-Δ調制器進行模數轉換，調制器中的一個位比較器通過調制頻率fM量化輸入信號，所產生的1 bit數據流由數字濾波器平均分配作為轉化結果。轉換結果隨著每個數字濾波器的采樣步進轉移到存儲器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在測溫范圍內輸出阻抗達到4 kΩ～8 kΩ，而MSP430F2013內置SD16_A不帶輸入緩沖，在PGA增益為32×時，差分輸入阻抗只有150 K。當傳感器輸出信號直接進入SD16_A，由于輸出阻抗的影響，造成進入SD16_A的信號衰減3%左右，這對于μV級的傳感器信號屬于較大的誤差。因此，本文利用電壓跟隨器以達到阻抗變換的目的，采用AD公司的AD8667運算放大器，它具有高輸入阻抗和低輸出阻抗等特點。

2.3MSP430F2013的外圍主要電路設計

MSP430F2013的大部分引腳都復用了其他功能，需要設置I/O寄存器來選擇引腳的功能。經冷端補償后的差分信號分別輸入AD8667的兩個正輸入通道，經電壓跟隨后送入單片機的A0差分輸入口；SBWTCK和SBWTDIO用于2線制的JTAG調試；P1.6口和P1.2口分別用于模擬UART通信的數據發送和接收口；R/D用于MAX3485的收發使能。選用內部參考電壓時，在VREF與VSS之間接一個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　目標溫度的數據分析和處理

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型熱電偶來探測目標溫度，傳感器的輸出就是熱電偶的輸出溫差電動勢（Vs）。為了得到目標溫度與傳感器輸出電壓之間的關系，在實驗室條件下利用標準低溫黑體爐產生-40℃～60℃的標準紅外輻射，在這個溫度范圍內可以滿足一般地表溫度的測量。通過溫度控制器使熱電偶的冷端溫度保持在0℃，并使用六位半數字萬用表測量傳感器的輸出電壓。測試所得V-T曲線如圖6中的實線所示。

圖6　實測V-T曲線與線性擬合曲線

根據ITS-90通用熱電偶的逆函數［5］，有：

式中，T為ITS-90的溫度值（℃），VS為熱電偶對應的輸出電壓（mV），Ci為多項式系數。結合本試驗實測結果，可求得目標溫度T與傳感器輸出電壓Vs的函數關系為：

由上式可見，多項式系數隨著階數的增加而減小。結合圖6，可見在-40℃～60℃內，V-T函數曲線近似一條直線。對其進行線性擬合，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，線性擬合效果較好，但是目標溫度在低于-20℃和高于40℃時，擬合曲線與實測曲線出現一定偏離，因此，本文采用分段線性擬合方法，對V-T曲線在-40℃～-20℃、-20℃～0℃、0℃～20℃、20℃～40℃和40℃～60℃內分別進行線性擬合，擬合結果如圖7所示。

從圖7可見，在每個分段范圍內，擬合曲線與實測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，結果如表1所示。

圖7　分段線性擬合曲線

表1　各分段內的線性擬合函數及塞貝克系數

從表1可見，通過分段線性擬合，每一段的擬合度R2都高達0.999 8以上，R2越接近1，說明擬合曲線與試驗實測曲線越吻合。由塞貝克系數的定義可知，每個溫度段的一次線性擬合函數的斜率即為在相應溫度段內熱電偶的塞貝克系數。圖8給出了3種分段方式下實測點與擬合曲線的誤差。

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3.6℃以上，三段式線性擬合最大誤差也達到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，最大擬合誤差也不超過0.2℃。可見，擬合分段數越多，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來實現。但分段數目不能無限制增加，不然擬合精度會下降，可能出現龍格現象［7］。

3.2SD16_A的參數分析及V-T轉換

經過熱電偶的冷端補償后，若目標溫度小于0℃，則傳感器的輸出電壓為負值。因此，SD16_A的最高位需要作為符號位，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，有100×0.01=10 000個溫度點，所以該SD16_A可以滿足本傳感器的設計要求。通過設置SD16CCTL0寄存器的SD16DF位和SD16UNI位可以選擇AD轉換輸出為雙極二進制補碼格式，這種輸出格式的輸入電壓和轉換結果之間的關系如圖9所示。

圖9　SD16MEM0與輸入電壓的關系

結合式（6），若 PGA增益選擇 32×，則VFSR= 18.75 mV。當模擬輸入電壓為0 mV～18.75 mV時，SD16MEM0的編碼為0000H～7FFFH；當模擬輸入電壓為-18.75 mV～0 mV時，SD16MEM0的編碼為8000H～FFFFH。同時可求得該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，對于雙極性配置的SD16_A，FS=215-1。因此該 ADC的電壓分辨率為：18.75÷（215-1）≈5.722 2×10-4mV。表2給出各分段內的SD16MEM0編碼和溫度分辨率。

表2　各分段內的SD16MEM0編碼及溫度分辨率

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

圖10中的SD16MEM0表示經SD16_A轉換后的二進制編碼；SD16MEM0區間根據表2的進行判斷；段號①～段號⑤為表1中各段號內的線性擬合函數。

圖10　電壓與溫度轉換流程圖

4　傳感器表體溫度的測量

4.1傳感器表體溫度對探測器的影響

根據熱探測器工作機理的物理模型［8］：

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

4.2SD16_A內置溫度傳感器

本文利用SD16_A內置溫度傳感器進行IRt/c.3X傳感器表體溫度的測量，內置溫度傳感器的典型傳遞函數為：

式中，VTS為溫度傳感器的輸出電壓（mV）；T為被測溫度（℃）；kTS為該傳感器的溫度系數（mV/℃）；V0℃表示環境溫度為0℃時的輸出電壓（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差分輸入通道進行處理；在使用時，還必須打開內部的參考電壓。所以，通過配置相關寄存器的SD16INCHx=110 和SD16REFON=1，就可以使用內置溫度傳感器對IRt/c.3X傳感器的表體溫度（TSB）進行測量。

5　系統軟件設計

5.1輻射溫度的修正

經過線性處理得到的實際上是物體的輻射溫度，而不是物體的真實溫度。根據輻射溫度的定義可得輻射溫度與真實溫度之間的關系為：

式中，TAT為物體的真實溫度℃；T為物體的輻射溫度℃；ε為目標物體的發射率。可見，ε越接近于1，物體的輻射溫度就越接近其真實溫度。通常，在波長6.5 μm～14 μm內，土壤、水泥路面的發射率分別在0.94～0.99、0.88～0.97之間［9］。

5.2表體溫度對真實溫度的修正

Bugbee B［9］等人曾根據傳感器表體溫度（TSB）對IRt/c傳感器的目標真實溫度（TAT）進行修正，但此算法只在目標和表體間溫差±9℃以內才有效（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有關的函數：

式中，P（TSB）、H（TSB）和K（TSB）是與表體溫度TSB有關的修正多項式，它們的關系如式（11）所示，其中，X=P、H、K。對于每一支不同的IRt/c傳感器，P、H、K系數也不同，它們的值由標定獲得。

5.3I/O口模擬UART

自動氣象站中的傳感器一般將采集和處理后的數據直接通過串口與計算機實時通信。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。利用定時器A精確地模擬出UART時序。通過TA的捕獲功能檢測UART的起始位信息，并利用比較功能構造一個精確的波特率發生器為模擬串口通信提供時間基準，然后通過輸出單元將數據發送出去，從而實現了整個UART的數據收發。在UART通信中，每一個數據位的傳輸時間Tbit與計數時鐘頻率fCLK、波特率N的關系為［10］：

5.4軟件總體設計

本系統的軟件設計采用C語言編程，集成開發環境使用IARfor MSP430。系統的主流程如圖11所示。

主程序首先進行時鐘的初始化；隨后完成SD16_A的初始化，設定SD16_A為連續轉換，二進制補碼輸出，差分輸入通道選擇A0，增益選擇32 x；定時器初始化是為了給IO口模擬UART設定每一個數據位的傳輸時間。啟動SD16_A開始目標信號的測量，隨后系統進入低功耗模式，等待SD16_A完成轉換。在中斷函數中判斷中斷標志是否掛起，如果有新的轉換結果寫入SD16MEM0，通過分段式線性擬合法，判斷SD16MEM0中的內容落在哪個區間內，利用擬合函數計算求得目標溫度值T；隨后啟動內置溫度傳感器進行表體溫度的測量，得到表體溫度值TSB。最后通過發射率和表體溫度進行修正，得到最終溫度測值TCT。

圖11　主程序流程圖

6　結語

由于MSP430F2013的高度集成化，使本傳感器的硬件設計較簡單。單片機片上的PGA和Σ-Δ模數轉換器完成模擬電壓的放大和轉換，簡化了外圍模擬電路的設計。利用AD780的熱電偶冷端補償方法使前端IRt/c.3X傳感器總是以參考端為0℃的條件下測量目標溫度，避免了使用其他溫度傳感器測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的測溫平均誤差在±0.1℃以內，最大誤差不超過0.2℃。在地表常溫范圍內，系統的溫度分辨率在高達到0.012 7℃，完全可以測量前端K型熱電偶傳感器輸出μV級模擬電壓的變化。最后利用SD16_A內置溫度傳感器測量表體溫度，結合Bugbee.B表體溫度修正算法以進一步提高測量準確度。

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李丕峰（1991-），男，浙江省溫州人，漢族，南京信息工程大學電子與信息工程學院在讀碩士研究生，研究方向為氣象探測儀器工程，lipitracy@126.com；

薛鳴方（1958-），男，江蘇省無錫人，教授級高級工程師，碩士生導師，江蘇省無線電科學研究所有限公司董事長，主要研究方向為地面氣象儀器和觀測方法，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