MSP430F427单片机高精度数字温度计的实现

　　1 热电偶的工作原理

　　1.1 温差电势

　　温差电势是由于导体或半导体两端温度不同而产生的一种电动势。由于导体两端温度不同，例如 T > T0，则两端电子的能量也不同。温度越高电子能量越大，能量较大的电子会向能量较小的电子处运动，这就会形成一个由高温端向低温端的静电场。静电场又阻止 了电子继续向低温端迁移，最后达到一种动态平衡状态。温差电势的方向是由低温端向高温端，并与两端温差有关，可用下式表示：

　　.2 接触电动势

　　当两种不同的金属导体或半导体 A和B 相互接触时，由于其内部电子密度(单位体积中自由电子数)不同，例如 ，NA>NB,导致从导体 A 向导体 B 扩散的电子要比从导体 B向A扩散的电子数多，结果导体A 失去电子带正电，导体 B 得到电子带负电。这样，在导体 A、B 的接触面上形成了电位差。这一电位差一旦形成就会对扩散起阻止作用，最后达到某种动态平衡状态。平衡后的这一电位差即成为接触电势，这种现象称为塞贝克效 应。只要有温度差，无论选用哪两种金属进行结合都会产生电动势，其数值决定于两种不同导体的性质和接触点的温度。据物理学有关理论推导，接触电势可用下式 表示：

　　根据式(1)和(2)，对于图 1 中由导体A、B 组成的闭合回路，接点两端温度分别为T、T0，如果T>T0，则存在两个接触电势

　　由此可得出结论：

　　(1) 热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的导体材料及两端温度有关，而与热电偶的长度、粗细无关;

　　(2) 只有当热电偶两端温度和两根材料不同时才能产生热电势;

　　(3)材料确定后，热电势的大小只与热电偶的温度有关。如果使 f(T0) =常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度 T 有关，而且是T 的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。

　　各种热电偶温度与热电势的函数关系既可以用函数形式也可以用列表格的形式表示。通常把温度较高的一端叫做热端或工作端，温度低的一端叫冷端或自由端。在工程应用中常用实验的方法得出温度与热电势的关系，并列成表格或公式。

　　由式(5)得

　　2 系统的结构和功能

　　该系统的CPU 选用 16 比特微处理器MPS430F427，低功耗，有 32K Flash 存储器，能够驱动 128 段液晶、高精度三通道 16 位内置差动放大器和高速 AD 转换器。在使用过程中很方便，外围器件很少。系统的结构如图 2 所示。 温度探头为 K 型热电偶，使用温度范围为 -200℃到 1372℃。

　　MPS430F427 的 16 位 AD 输入为差动输入，范围为±600mv。AD 内部有放大器,放大的倍数可以为 1、2、4、8、16、32 倍，所以热电偶通过滤波电路时不需要另外加装放大电路而可直接使用它的内部放大器。在本系统中，可以将热电偶的输入信号在单片机内部放大 8 倍，那么热端的电压范围即为-47.128mV~439mV，在AD的输入范围内。此温度计的分辨率通过计算为 1372/(439÷600×32768)=0.03(℃), 分辨率非常高。测量热电偶冷端系统的结构电路使用的是 DS1624 温度集成芯片。