【摘要】本文介紹以MSP430系列單片機(jī)為核心的材料合成溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)中采用雙路鉑銠—鉑熱電偶溫度傳感器分別對(duì)鎵端和砷端溫度進(jìn)行時(shí)實(shí)檢測(cè)和控制，用超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器OP07進(jìn)行放大，由單片機(jī)運(yùn)算、處理，執(zhí)行控制電路采用光耦合雙向可控硅控制輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)砷化鎵合成溫度的精確控制。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);溫度控制;運(yùn)算放大

1.引言

在各種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的測(cè)量與控制成為工業(yè)控制對(duì)象中一個(gè)重要的被測(cè)控參數(shù)。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是單片機(jī)測(cè)量控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，利用單片機(jī)對(duì)溫度測(cè)控越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性。單片機(jī)具有功能強(qiáng)、體積小、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中。本文介紹以MSP430系列單片機(jī)單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料合成溫度的測(cè)量與控制。

2.系統(tǒng)功能

由Ga-As系統(tǒng)相圖得知，在GaAs材料合成過(guò)程中，要求溫度與組分相匹配。GaAs的化學(xué)比不同，其熔點(diǎn)不同，隨著砷的比例的增加，熔點(diǎn)升高。只有嚴(yán)格控制砷端和鎵端的溫度，才能保持整個(gè)合成過(guò)程為全熱相合成。在鎵端加熱的同時(shí)，也加熱砷端，使砷升華，砷蒸氣擴(kuò)散到液態(tài)鎵中與鎵化合生成砷化鎵。隨著Ga-As組分的變化，熔點(diǎn)不斷上升。合成完成后砷端615℃，GaAs熔體為1238℃，達(dá)到Ga-As體系相平衡，化學(xué)比為1：1。合成的關(guān)鍵是砷端和鎵端升溫速度要相匹配，整個(gè)合成過(guò)程要求全液相不結(jié)晶。需要鎵端升溫速度為22.5℃/min，砷端升溫速度為11.2℃/min，鎵端和砷端溫度比2：1，需70min完成合成。

3.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

材料合成溫度控制系統(tǒng)的核心是用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和程序控制。除單片機(jī)單元外其他部分由鎵端加熱器、砷端加熱器、熱偶溫度檢測(cè)電路、數(shù)據(jù)放大電路、雙路加熱控制電路、溫度LED顯示電路、鍵盤(pán)輸入、報(bào)警電路等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

合成爐由高溫端（Ga端）和低溫端（As端）兩部分構(gòu)成。加熱由氧化鋁螺紋管纏繞兩組電熱絲制成。鎵和砷分別放在石英反應(yīng)管的高溫端和低溫端并密封。

4.主控制單元設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由單片機(jī)完成對(duì)雙路電阻爐溫度信號(hào)的讀取，數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，給出加熱控制指令，溫度顯示及報(bào)警等功能。本設(shè)計(jì)采用MSP430F2232單片機(jī)。該單片機(jī)是一款超低功耗高性能新型單片機(jī)，電源電壓采取1.8-3.6V低電壓供電。內(nèi)核是16位處理器處理功能強(qiáng)。內(nèi)部集成模擬/數(shù)字、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器、比較器。如本系統(tǒng)中由熱電偶傳感器得到的電壓信號(hào)，放大后不需要模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，便可直接送單片機(jī)處理。大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)。片內(nèi)集成Flash ROM及ROM，可不擴(kuò)展外存儲(chǔ)器。由于內(nèi)部集成了大量的各種功能模塊，只要配置少量的基本的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源電路等外圍器件，就可滿足要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)和控制功能。豐富的片上外設(shè)，使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單實(shí)用，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的成本。

5.溫度檢測(cè)及信號(hào)放大

溫度檢測(cè)是將變化的溫度值轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)溫度變化的范圍及控溫的精度來(lái)選用檢測(cè)元件。合成最高溫度1238℃，這樣高的溫度測(cè)量，需要選用耐高溫的溫度傳感器。熱電偶傳感器電路簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣，在高溫中保持較高的精度。本設(shè)計(jì)選用鉑銠—鉑熱電偶，該熱電偶測(cè)溫上限為1300℃可長(zhǎng)期工作，最高可達(dá)1600℃。熱電動(dòng)勢(shì)與溫度為單值線性關(guān)系，測(cè)量精度高，穩(wěn)定。輸出電壓信號(hào)為mV級(jí)，滿足合成工藝要求。

由于熱電偶溫度傳感器得到的電信號(hào)幅度較低，溫度在0-1238℃范圍內(nèi)，鉑銠—鉑熱電偶輸出的電壓在0-13mV范圍，此信號(hào)不能直接送給單片機(jī)處理，需要放大100-200倍，才能達(dá)到要求。本設(shè)計(jì)采用低漂移高精度運(yùn)算放大器 OP07將溫度電壓信號(hào)進(jìn)行放大后送單片機(jī)處理。由于MSP430F2232單片機(jī)內(nèi)部集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。具體放大電路如圖2所示。OP07是一種低噪聲、低功耗運(yùn)算放大器，具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以不需要額外設(shè)計(jì)的調(diào)零措施，同時(shí)具有輸入偏置電流低和開(kāi)環(huán)增益高的特性，使OP07特別適用于高增益的放大傳感器弱信號(hào)。

圖2 放大電路

6.控制執(zhí)行電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)根據(jù)合成溫度上升速率的要求和對(duì)溫度檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，分別由I/O端口輸出鎵端和砷端電熱絲加熱控制信號(hào)。單片機(jī)I/O口驅(qū)動(dòng)能力有限，不足以直接驅(qū)動(dòng)大功率加熱設(shè)備。雙向可控硅可作為功率驅(qū)動(dòng)器件，其具有雙向?qū)ǎ茉诖箅娏鲌?chǎng)合使用，且可做無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。本設(shè)計(jì)采用光耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器作為輸出控制接口，單片機(jī)發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)光電耦合器加到雙向可控硅的控制極。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。為防止大功率設(shè)備開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，用光耦合器進(jìn)行隔離，并驅(qū)動(dòng)雙向可控硅。R9為觸發(fā)限流電阻，R10為雙向可控硅門(mén)極電阻，防止誤觸發(fā)，提高抗干擾能力。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通，交流接通使加熱器電路閉合，開(kāi)始加熱。反之，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，光耦不導(dǎo)通，雙向可控硅截止，斷開(kāi)交流通路，停止加熱。改變導(dǎo)通的時(shí)間即可改變加熱功率，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

圖3 控制執(zhí)行電路

7.顯示電路及看門(mén)狗

系統(tǒng)中加熱器的工作狀態(tài)，溫度值需要實(shí)時(shí)顯示。通常一個(gè)數(shù)碼管就要站用CPU的8個(gè)I/O端口，本系統(tǒng)顯示溫度值等需要多個(gè)數(shù)碼管，CPU不可能提供那么多的I/O端口。本設(shè)計(jì)采用74HC595驅(qū)動(dòng)多只數(shù)碼管，74HC595是一個(gè)串入/8位并行輸出驅(qū)動(dòng)器。帶鎖存器、移位寄存器，可直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。具有拉電流和灌電流驅(qū)動(dòng)能力。故可驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)數(shù)碼管，也可驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管。通過(guò)Q7引腳進(jìn)行級(jí)聯(lián)。實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼管連接，完成多位溫度值的顯示。

由于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)長(zhǎng)期工作于有干擾環(huán)境中，尤其是加熱器交流系統(tǒng)的反復(fù)通斷會(huì)產(chǎn)生大量電磁干擾，容易使單片機(jī)程序失控。因此，系統(tǒng)必須采取有力的抗干擾措施，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)采用IMP706看門(mén)狗電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)定時(shí)喂狗，WDI接單片機(jī)一個(gè)I/O接口，檢測(cè)單片機(jī)狀態(tài)，當(dāng)單片機(jī)受干擾失控時(shí)，IMP706的腳輸出一個(gè)低電平，送單片機(jī)腳，使單片機(jī)復(fù)位，重新進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。使系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

8.小結(jié)

材料合成溫度控制系統(tǒng)，采用MSP430高性能單片機(jī)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、輸出控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鎵端和砷端溫度的測(cè)量、控制和顯示等功能。完成了鎵端和砷端升溫速率的控制及匹配。使整個(gè)合成過(guò)程為全液相不結(jié)晶，滿足了工藝的要求。系統(tǒng)溫度檢測(cè)準(zhǔn)確，溫度控制靈活，電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化，運(yùn)行穩(wěn)定，投入到材料合成溫度控制作業(yè)中，收到了良好的效果。

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作者簡(jiǎn)介：李慶輝（1957—），男，高級(jí)工程師，主要從事電子及單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)和教學(xué)工作。