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        MSP430單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2014-10-21 12:55:13李慶輝
        電子世界 2014年23期
        關(guān)鍵詞:溫度控制單片機(jī)

        【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)過程中,溫度的測量與控制成為工業(yè)控制對(duì)象中一個(gè)重要的被測控參數(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)溫度測控越來越顯示出其優(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)更為簡單實(shí)用,同時(shí)也降低了系統(tǒng)的成本。

        5.溫度檢測及信號(hào)放大

        溫度檢測是將變化的溫度值轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號(hào)進(jìn)行測量。根據(jù)溫度變化的范圍及控溫的精度來選用檢測元件。合成最高溫度1238℃,這樣高的溫度測量,需要選用耐高溫的溫度傳感器。熱電偶傳感器電路簡單、測量范圍廣,在高溫中保持較高的精度。本設(shè)計(jì)選用鉑銠—鉑熱電偶,該熱電偶測溫上限為1300℃可長期工作,最高可達(dá)1600℃。熱電動(dòng)勢與溫度為單值線性關(guān)系,測量精度高,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)?,能在大電流場合使用,且可做無觸點(diǎn)開關(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)備開關(guān)過程產(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)共陽數(shù)碼管,也可驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管。通過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)合成過程為全液相不結(jié)晶,滿足了工藝的要求。系統(tǒng)溫度檢測準(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。

        參考文獻(xiàn)

        [1]謝楷.MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

        [2]李建忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008.

        [3]歐偉明.單片機(jī)原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

        作者簡介: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)用開發(fā)和教學(xué)工作。

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