（机械电子工程专业论文）基于单片机的温度控制器设计与研究.pdf

摘要 g a n 系列材料在光电、能量装置等方面有着广阔的应用范围和市场前景。采 用m o c v d 技术进行g a n 系列材料生长具有明显优势。研发具有自主知识产权 的m o c v d 系统具有十分重要的战略意义。而温度是m o c v d 系统中的极为关 键的控制量。本文的工作就是设计一个能很好满足要求的温度控制器，主要工作 包括了三方面。 首先，设计了温度控制器的硬件，总体设计以简单和经济为基本出发点，尽 量选用低价的高性能芯片以节省设计成本；并选择串行工作方式，最大程度的节 约单片机i 01 ：1 。其次，设计了温控器的软件，主要包括m d 采集模块子程序， d a 控制模块子程序、各种接口子程序，并完成了整个软、硬件系统的调试。最 后，本文采用了f u z z y p i d 控制算法，该算法既具有p i d 控制器的动态跟踪品质 和稳念精度，又具有f u z z y 控制器动态响应好，达到了上升时日j 快，超调小的要 求，取得了较好的控制效果。 关键词：m o c v d 温度控制器s t c 单片机模糊p i d 控制 a b s t r a c t g a ns e r i e si np h o t o e l e c t r i cm a t e r i a l s ，e n e r g yd e v i c e s ，h a sag o o de f f e c t ，ab r o a d s c o p eo fa p p l i c a t i o na n dm a r k e tp r o s p e c t s a n dm o c v dt e c h n o l o g yh a so b v i o u s a d v a n t a g e si ng r o w i n gg a nm a t e r i a l s r dw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y r i g h t sm o c v ds y s t e mi so fg r e a ts t r a t e g i ci m p o r t a n c e t h et e m p e r a t u r eo fm o c v d s y s t e mi s c r u c i a li nt h ec o n t r o lv o l u m e s m a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st od e s i g na t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t sp e r f e c t l y ；a n dt h ep r i n c i p a lt a s k s i n c l u d et h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s f i r s t i y h a r d w a r eo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rs h o u l db ed e s i g n e d 。e c o n o m y & s i m p l e a r eb o t ht h ek e yp o i n t s ，u s i n gl o w - c o s t , h i g h p e r f o r m a n c ec m p st os a v ed e s i g nc o s t ； s e r i a lm e t h o d so fw o r ki ss e l e c t e dt om i n i m u ms c mi 0p o r t s e c o n d l y , t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ro nt h eb a s i so fh a r d w a r ed e s i g n e df o rt e m p e r a t u r ec o n t r o l s o f t w a r e i n c l u d i n ga da c q u i s i t i o n m o d u l e s u b r o u t i n e ，d ac o n t r o l m o d u l e s u b r o u t i n e ，t h es u b r o u t i n eo fo t h e ri n t e r f a c e sc i c u i t s ，a n dc o m p l e t e dt h ee n t i r e h a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e md e b u g g i n g f i n a l l y , t h i sp a p e rp r e s e n t sf u z z y p i d c o n t r o la l g o r i t h m ，a sw e l la sw i t hp i dc o n t r o l l e rd y n a m i ct r a c k i n gq u a l i t ya n ds t e a d y p r e c i s i o n ，b u ta l s oh a sg o o dd y n a m i cr e s p o n s ef u z z yc o n t r o l l e r , f a s tr i s et i m e ，t h e a d v a n t a g e so fs m a l lo v e r s h o o t ，a n da c h i e v e d b e t t e rc o n t r o le f f e c t k e y w o r d ：m o c v dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r s t c - s c m f u z z y li d 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：毯叠疰7 日期渺3 f z g 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：。煞叠痉 导师签名：丑丞虱丛 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍了半导体的发展历程和发展方向、m o c v d 概况，m o c v d 的 基本原理，温度控制在m o c v d 中的位置，以及本文作者的工作和章节介绍。 1 1m o c v d 概况 m o c v d ( m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) ，也叫o m c v d ( o r g 强 m e t a l l i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) ，m o v p e ( m e t a lo r g a n i cv a p o r p h a s ee p i t a x y ) ， 早在1 9 6 0 就被用于晶体生长。中文译文通常为“金属有机化合物化学气相沉积”， m o c v d 以m 0 化合物为材料源。 m o c v d 是一种高质量半导体材料生长技术，主要用于生长i i i - v 族化合物 半导体材料( 如g a a s ，a l g a ，a s g a n , ：d g a n 等) 、族半导体材料( 如s u g e 、金 刚石和s i c 等) 、i i - v i 族化合物半导体材料( c d t e h g c d t e 、c d z n t e 、z n s 、z n s e 、 z n m g s s e 、z n t e 等) 、以及铁电材料、金属合金、金属薄膜、太阳能电池材料、 传感器材料和光学薄膜等。 m o c v d 是目前g a n 及其合金最主要的生长技术。在所有半导体材料制备技 术中，m o c v d 得到的g a n 器件、l e d 和l d 的质量都是最高的。 g a n 的研究起步于6 0 年代末7 0 年代初，是由美国的h p m a r v s k a 及p a n k o v e 等人采用卤化物晶体生长法生长的。进入8 0 年代，分子束外延( m b e ) 、金属有 机化学气相外延( m o c v d ) 等生长技术的出现，对g a n 材料的发展起了很大的促 进作用，人们对g a n 材料的性质有了更深的了解，g a n 也就引起了更多的注意。 9 0 年代初，又出现了双气流m o c v d ( t f m o c v d ) 或等离子增强m b e 技术生长 g a n ，直接导致了具有优异结晶学特性和低背景电子浓度g a n 及合金材料的出 现，并且g a n 的p 型掺杂也得到了实现。在器件制备方面，不仅己制备出了包括 双异质结构和单量子阱蓝光二极管，多量子阱结构的激光二极管以及各种结构的 紫外光探测器，而且还部分实现了器件的商品化。 到目前为止，m o c v d 方法是生长i i i 族氮化物多层结构最主流的方法，也是 用来产业化生产i i i v 族半导体器件的唯一技术。i v 族半导体材料是在3 0 多年 前开始的，在8 0 年代比较成熟地应用于a i g a a s g a a s 和i i l 相关的系统，然而在 1 0 多年前才第一次报导了采用m o c v d 生长i i i 族氮化物。对于g a n 材料的生长， 一般用三甲基稼( t m g ) 和氮气分别作为g a 源和n 源，氢气和氮气则作为载气。 g a n 的m o c v d 生长的最适宜温度大约为1 0 5 0 ，典型的生长速率约为 2 i z m l h 【“。 2 基于单片机的温度控制器设计与研究 1 2m o c v d 的基本原理 在半导体和微电子领域中所谓生长得到的半导体材料都是半导体薄膜材料。 在材料生长以前，首先要有一片树底圆片用于在其上生长薄膜材料，然后将衬底 圆片放入反应室内的承片台上，再通入生长源气体，在一定的反应室环境( 如高 温、磁场、等离子体等) 下，源材料发生化学反应，生成需要生长薄膜材料的分 子团，最后落在衬底圆片，不断积累形成所需的晶体半导体薄膜材料。 所谓的“金属有机化合物化学气相淀积”技术中，“金属有机化合物”是指所用 的生长源材料为金属有机化合物，“化学”是指发生化学反应，“气相”是指原材料 以气相的状态进入反应室发生反应，“淀积”是指反应后生长的半导体材料分子沉 积在衬底表面的过程。 金属有机化合物( m o 源) 和载气( 氮气或氢气) 形成稀释混合物，以低压气流 方式进入高温反应室环境中，m o 源和反应气体在反应室中分解并沉积在高温衬 底表面，形成i i i v 族化合物半导体晶体外延层( 如a l g a a s 、i n a a s p 、i n g a n 和类 似的化合物) ，外延层可以为几个n m 到几个a m 。 由于金属原子一般很重，主要以固相的方式存在，所以在c v d 过程中需要 用到m o 源，即金属有机化合物。m o 源通常是挥发性的，因此可以利用m o 的 挥发性以气相的方式携带通常不可挥发的金属原子进入反应室。通常在反应室内 m o 化合物和其它源材料及“氢化物”混合在一起发生化学反应形成化合物半导 体薄膜。 在g a n 材料生长中，一般是将三稼基t m g a 和氨气n h 3 同时引入反应室发 生反应，反应后生长的g a n 材料沉积到高温衬底上( 衬底通常为蓝宝石，衬底温 度通常为8 0 0 1 0 0 0 c ) 吲。 m o c v d 系统的主要特性和参判习： ( 1 ) 生长用源材料： m o 源：t m g a ，n i a l ，t m i n ， n 源：n h 3 ， 杂质源：s i l l 4 ( n 型掺杂) ，m g 源( p 型掺杂) ； ( 2 ) 生长温度：9 5 0 1 0 2 5 ； ( 3 ) 加热源：r f 感应加热器，i r ( 红外) 灯； ( 4 ) 载气：h 2 或n 2 ； ( 5 ) 圆片尺寸：2 英寸，4 英寸。 m o c v d 生长系统的结构如图l l 所示： 第一章绪论 图1 1m o c v d 生长系统原理图 1 3m o c v d 系统的温度控制 反应室 r f 感应加热是 ；茜墨基座 温度是m o c v d 系统中材料生长的一个重要影响因素，升降温的决慢、温度 的高低、保温时间的长短等都对材料的生长有影响，所以温度控制对m o c v d 系 统至关重要。 在自行研制的m o c v d 系统中，加热系统是由高频感应加热实现的。高频感 应加热是利用铁磁物质在交变磁场中因电磁感应产生涡流而达到自身加热，可以 在短时间内获得高的功率密度和负载功率，加热速率可以达到每秒几十度甚至几 百度，热效率高达5 0 7 5 ，具有节省电力，升温速度快，温升高，加热效率高等 特点 4 1 。但是，目前国内绝大多数使用单位仍然停留在自动测量显示温度，开环 控制，手动调节的阶段，即操作人员必须根据人工定值，以满足温度控制所需要 的变化量。由于各种各样的人为因素干扰以及操作人员的工作责任心和技术水平 的限制，温度的超调和大误差难以避免。 在各种工程系统，比如化学过程、气动液压系统、生物系统和经济系统中， 对温度等这些具有大延时、大滞后的对象的控制，一直是个研究难题。大量资料 显示表明，若对象纯滞后时间常数f 与过程惯性时间常数t 之比，即f ，眨0 3 ， 则一般的控制规则难以有较好的控制效果，这种对象在工业控制界被称为“难以 控制的环节”p j 。 另外，除了上述因素，在自行研制的m d c v d 系统中，由于电网波动、石墨 块的“记忆”功能( 输出不但与初始输入有关，还与以前的输入和状态有很大的关 系) 、石墨基座与测温热电偶之间的耦合等非线性因素，因此研究一种切实可行、 能满足各方面要求的温度自动控制系统显得尤为重要。 所以研究工作的重点显然就是设计一个具有可靠的硬件、控制效果好、工程 实现方便的温度控制器。本人的主要着手点即在于此。 4 基于单片机的温度控制器设计与研究 1 4 1 论文主要工作简述 1 4 主要工作和论文安排 针对西安电子科技大学的m o c v d 系统具体的工艺要求，进行了温度控制器 的研究和设计。在m o c v d 系统温度控制器的设计中，本人的主要工作有： 1 温度控制器的控制系统方案设计和优化。 2 基于s t c 8 9 c 5 1 6 r d + 单片机温度控制器的硬件设计与调试。 3 温度采集与放大电路的设计与实验。 4 ，温度控制器的软件设计以及理论仿真。 1 4 2 论文内容安排 第一章主要介绍m o c v d 概况和基本原理及其项目的意义。 第二章简要介绍了m o c v d 的温度控制系统的组成、特点及其控制流程。 第三章详细论述了硬件系统设计、硬件设备选型以及实验或理论设计的结果。 第四章详细设计编写了各模块程序，研究了控制系统控制算法，结合所设计 的系统进行了仿真分析。 第五章研究了温度控制器方案的可靠性设计要求。 第六章总结了m o c v d 温度控制器及发展方向。 第二章m o c v d 温度控制系统结构 第二章m o c v d 温度控制系统结构 目前，m o c v d 控制系统采用集散控制方式，其中上位机采用工业控制计算 机，下位机采用s 7 3 0 0 p l c 。上位机完成信号的采集、控制和数据处理功能，下 位机完成信号的转换功能，直接与工艺现场相连。 本文的目标就是设计一个新的具有很强处理能力的温度控制器，它将居于整 个系统的核心地位。该温控器既完成信号的转换功能，直接与工艺现场相连，又 能采集信号、控制过程和处理数据，取代相当部分本来由上位机处完成的功能。 具体软硬件设计将在三、四章进行详细讨论。 2 1m o c 温度控制系统的硬件组成 2 1 1m o c v d 温度控制系统结构 m o c v d 温度控制对象是生长晶片的反应室内的温度。针对材料生长需要快 速的升温和降温的工艺，在m o c v d 设备的研制中使用高频加热器对反应室的石 墨块进行加热，在石墨块的下端有一个热电偶，用来测温并在温度控制器上显示 石墨块的当前温度。温控器则通过调节r f 感应加热器上的电压，实现温度闭环 控制。其加热原理图如图2 1 所示1 6 1 。 陶 图2 1m o c v d 中的加热原理图 针对m o c v d 系统的工艺要求，本设计同样采用上位机与下位机相结合的方 式来控制g a n 材料的生长，其中上位机使用工业控制计算机，下位机采用以s t c 6 基于单片机的温度控制器设计与研究 单片机为核心的温度控制器。上位机完成软件的编制，程序的下载，下位机直接 与工艺现场相连采集温度信号，该信号转换后，运用合适的控制算法控制感应加 热器的工作，从而达到控制反应室温度的要求。红外测温仪测得的温度则仅做监 测参考，由上位机接收，在紧急情况下镣停机处理。m o c v d 控制系统结构如图 2 2 所示。 图2 2m o c v d 控制系统结构图 2 1 2 温度控制系统各组成部分及特点 本系统中，热电偶负责温度控制系统中的温度信号采集，温度控制器在温度 系统中居于核心地位，感应加热器则是g a n 材料生长的热源，反应室是材料生长 的载体。四者都是m o c v d 系统的必要组成部分，以下就是它们的简单介绍： 1 热电偶 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，在工业中使用极为广泛。热电 偶是根据热电效应来工作的，其优点是【h ： ( 1 ) 测量精度高。热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 ( 2 ) 测量范围广。常用的热电偶从一5 0 + 1 6 0 0 均可连续测量。某些特殊 热电偶最低可测到2 6 99 c ( 如金铁镍铬) ，最高可达+ 2 8 0 0 。c ( 如钨铼) ( 3 ) 构造简单、使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不 受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指 国家标准规定了其热电势与温度的关系及允许误差，并有统一的标准分度表的热 电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。标准化热电偶有s 、b 、e 、k 、r 、j 、 t 七种，根据各种标准热电偶的测温范围的不同。本系统中采用铂铑1 3 铂热电偶 r 型热电偶，它的测温范围是0 - 1 7 0 0 ，输出电压为0 - 2 0 m v 。 2 温控器 系统中所用温控器是本文设计的核心，它是以m o c v d 系统为背景，兼顾了 第二章m o c v d 温度控制系统结构 7 通用性而设计的。温控器具有显示和控制的双重功能，它提供了直流电压和电流 两种输入类型，可以进行温度、压力、流量及其它过程量的控制。该控制器具有 f u z z y p i d 控制功能，可以设定爬升时间并对过程量进行自动控制，提供模拟电 压输出，设定值范围内电压输出为o l o v 。另外，本温控器提供了r s - - 2 3 2 串 口通讯模式，可以实现与计算机之间的数据交换。 3 感应加热器 感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象，长期以来，技术人员都对这一 现象有较好地了解，并且在各种场合尽量抑止这种发热现象，来减小损耗。比较 常见的如开关电源中的变压器设计，通常设计人员会用各种方法来减小涡流损耗， 来提高效率。然而在1 9 世纪末期，技术人员又发现这一现象的有利面，就是可以 将之利用到加热场合，来取代一些传统的加热方法。采用感应加热有以下优点博j ： ( 1 ) 非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触。 ( 2 ) 加热效率高，速度快，可以减小表面氧化现象。 ( 3 ) 容易控制温度，提高加工精度。 ( 4 ) 可实现自动化控制。 ( 5 ) 可减小占地、热辐射、噪声和灰尘。 4 反应室 反应室是源材料在衬底上进行外延生长之处，它对外延层厚度、组分的均匀 性、异质结果的梯度、本底杂质的浓度以及外延膜的产量都有极大的影响，是整 个m o v c d 系统的核心。一般对反应室的基本要求是：无返混，能实现反应气体的 瞬时切换，以保证能形成组成突变的异质结；衬底上方处于层流区，无任何形式 的涡流，有均匀的温度场及浓度场分布，以保证薄膜具有均匀的厚度与结构。 2 2m o c v d 系统温度控制的特点 2 2 1 温度控制系统通用特点 温度是工业控制中最常见最基本的过程参数之一，温度控制系统有其自身的 特点，大致说来有以下两点： ( 1 ) 系统的精确的物理模型难以得到； ( 2 ) 系统中普遍存在着非线性、时变和大滞后现象。 通常来说，如果控制系统的鲁棒性比较好，可以较好的弥补系统中或者是系 统外非线性、时变等因素对系统的影响。但是由于时滞现象的存在，使得对系统 温度的控制或者说是对具有大滞后特性的对象的控制，一直以来都是工业控制界 的一个难题。 8 基于单片机的温度控制器设计与研究 2 2 2m o c v d 系统温度控制的特点 在工业上，温度控制有一些通用的特点，比方说有延迟等等。但是针对该 m o c v d 系统硬件的组成，其温度控制有其自己的特点【2 】： ( 1 ) 在生长材料的过程中，由于工程的需要，石墨基座是旋转着的，但是用 来测温的热电偶并没有随之旋转。 ( 2 ) 热电偶上端与石墨基座的下表面并不是紧密接触的，而是有一段“空气” 间隙。所以所涉及到的“散热”是充斥在其问的气体的辐射散热，而不是接触散 热。 ( 3 ) 在实际生长材料的过程中，整个反应室是密封的。因此，测温热电偶所 反映出来的温度与石墨块基座下表面的实际温度有一定的“延迟”。 ( 4 ) 用于生长材料的蓝宝石衬底是放在石墨块的上表面的。由于石墨块是热 的不良导体，因此对石墨块本身而言，其下表面的温度相对于上表面的温度也有 一定的“延迟”。 ( 5 ) 在实际生长材料的过程中，密封反应室内在不同阶段有不同浓度、不同 种类的载流气体流过，所以上述两种影响较大的“延迟”的精确的物理模型很难 得到。 由此可见，“大滞后”、“非线性”和“参数时变”是m o c v d 温度控制系统 的主要特点。 2 3m o c v d 温度控制系统控制流程 2 3 1 感应加热原理 在m o c v d 系统的材料生长过程中，采用高频感应加热器对反应室迸行加热。 把一个金属工件放在一个强交变磁场中，交变磁场产生大涡流电流流过工件，与 这个电流相关的阻抗损失引起工件加热。交变磁场由感应加热线圈或感应器中的 交变电流产生。 在感应加热线圈中的工件感应功率依赖于给线圈提供的电压和电流。感应加 热器的反向换流器( d c a c ) 的输出是可变频率。交变电流源的输出通过一个匝 数比可变的高频隔绝变压器和一个调谐电容耦合到感应加热器线圈。 高频感应电源主要由三个子系统组成：直流电源，隔绝n - - 极晶体反用换流 器和控制系统。通过三相全波桥式整流器、直流扼流线圈以及电容滤波器把三相 交流，6 0 h z 输入电压转换为直流电。反用换流器子系统的功能是把直流电转换为 感应加热线圈所需的高频交流电。通过改变控制系统产生的基础驱动脉冲的频率， 第二章m o c v d 温度控制系统结构9 控制提供给负载的功率。控制子系统监控反馈信号，系统保护以及控制输出功率 等，这给装置的功率调节和温度控制的实现带来了很大的方便。 2 3 2r f 感应加热器的温度调节 i 强感应加热器输出功率由一个o 1 0 v 之间的直流电压来调节。感应加热器 调节功率方式包括由手工调节，自动控制程序调节两种。即是操作者直接或者通 过某个控制界面，依据经验，手工调节输出电压；或者是编写自动控制程序，通 过控制算法调节与r f 值对应的输出电压。 为了在自动控制过程中不出现大的超调，同时给手动调节温度模式提供一个 参考，需要了解r f 感应加热的基本特性，即调节功率的输出电压( 0 - 1 0 v ) 与温度 的近似关系。设0 1 0 0 0 的r f 值，对应0 - 1 0 v 的电压。通过实验获得了r f 值与 温度的粗略对应关系，并绘制曲线图如图2 3 所示。 2 3 3 温度控制模式 图2 - 3 温度与r f 值近似关系 相对而言，手动控制的实现比较容易一些，但是对操作人员的要求比较高。 一般是操作人员根据工艺配方表中的温度要求，结合以往的操作经验或者是图2 3 中的温度与r f 电压的对应关系，将温度要求转换为r f 控制电压要求，直接在温 度控制部分的控制界面上输入所期望的r f 控制电压值，系统会自动通过控制硬 件将操作者的控制要求传递到感应加热器，从而实现温度控制。但是由于电网波 动等外界的干扰，稳定后的控制精度很难保证在士l 。 介于手动控制模式的明显缺点，需要实现温度的自动控制，即温度控制系统 从工艺配方表中读入期望温度值以及达到期望温度所需的时间、允许爬升的时间 等参数，并由此计算爬升步数、爬升步长等中间变量，然后将r f 电压值逐渐调 节为所期望的数值并根据检测到的实际温度进行温度误差比较，当温度误差小到 一定值时，进入温度闭环控制。该温度控制系统的控制流程图如图2 4 所示。 1 0 基于单片机的温度控制器设计与研究 周 期 运 行 图2 4m o c v d 系统自动控制流程图 d t e m p e r a t u r e ：自动手动控制判断位，其值为0 时表示执行自动控制程序。 f l a g ：温度开环一闭环控制判断位，若其值为0 ，执行温度爬升程序( 开环控制) ， 执行完后f l a g 赋值为l 。其值为1 ，则执行微调控制程序( 闭环控制) 。 整个控制程序采用周期运行的方式进行循环控制，控制周期的设定既要参考 组态软件的一般要求，又要考虑对系统资源的占用。在监控系统中各路模拟量和 数字量的数据采集与处理也是以一定的周期循环进行。 基本控制思想：在初始温度误差较大时，采用开环控制，而在设定值爬升完 毕而且温度误差较小的情形下进入闭环控制程序，目的是加快温度的调节速度、 第二章m o c v d 温度控制系统结构 减小温度控制的超调量。 擞据实际操作经验，手动控制的时候，系统响应较快，操作人员根据经验， 可以很快的将温度调节到期望温度的附近；但缺点是控制精度不高，实际温度很 难精确稳定到期望温度值上，而且抗干扰性较差，当电网波动时，系统不能相应 的调节输出电压，同时也对操作人员的要求较高，操作人员经验越丰富，控制效 果越好。而自动控制时，系统的控制精度、抗干扰性较好，较少依赖操作人员的 经验，但是当实际温度与期望温度的差值较大时，系统响应速度比较慢。所以在 实际控制时进行手动和自动控制模式相互切换，系统性能可以大大提高。 控制模式切换主要由手动与自动控制切换开关d t e m p e r a t u r e 参数决定，默 认状态为d t e m p e r a t u r e = o ，即自控模式。这样在没有操作人员的干预的情况下， 系统完全按照上述的自动控制模式来运行。当切换到手动模式时，系统会显示当 前的当操作人员点击操作面板上的切换按电压值和实际温度，然后操作人员在此 基础上，根据手动调节规律来修改调节r f 值。当从手动切换到自动模式时，自 动控制程序会自动读入当前的r f 电压值和实际温度值，由控制算法来计算、决 定r f 电压的调节大小和方向等，从而实现温度自动控制。 2 4 本章小结 本章主要介绍了m o c v d 温度控制系统的组成，m o c v d 系统温度控制的特 点以及m o c v d 温度控制系统控制流程。 由于m o c v d 温度控制系统“大滞后”、“非线”、“参数时变”等特点，而且 在电网波动等外界干扰下，手动控制很难保证稳定后的控制精度在士1 ，需要实 现温度的自动控制，即对温度控制系统进行闭环控制。因此设计具有较强处理能 力的温度控制器是非常必要的。 第三章温度控制系统的硬件设计 第三章温度控制系统的硬件设计 以s t c 单片机温度为核心的硬件设计是m o c v d 系统温度控制器设计的基 础，可充分发挥软件的特长而使系统的性能指标达到最优。对温度控制器系统的 设计而言，其硬件系统设计的重要性主要体现在，系统做到简单、紧凑、数据传 输通道尽量的短。 本文以s t c 8 9 c 5 1 6 i + 芯片作为温温度控制器系统的核心器件，完成了 m o c v d 温度控制系统各个模块的硬件设计，为温度控制器模型的建立提供了基 础。该系统结构框图如图3 1 所示。 i 时钟卜 母羹净 i 复位电路 一 反应室 l 键盘 s t c 8 9 c 5 1 6 r d + 单片机 l e d 显示 令 i 上位机总令d 图3 1 系统结构框图 3 1s t c 8 9 c 5 1 6 ) + 芯片及其时钟与复位电路 3 i 1s t c 8 9 系列芯片介绍 s t c 8 9 系列单片机是m c s 5 1 系列单片机的派生产品。它们在指令系统、硬 件结构和片内资源上与标准8 0 5 2 单片机完全兼容，d i p 4 0 封装系列与8 0 5 1 为 p i n t o p i n 兼容。s t c 8 9 系列单片机高速( 最高时钟频率8 0 m h z ) 、低功耗，具有在 系统和在应用可编程( i s p ，l a p ) ，不占用户资源。主要性能包括有 9 1 ： ( 1 ) 8 0 c 5 1 核心处理器单元，故8 0 c 5 1 的汇编语言可以直接移植到这里； ( 2 ) 3 w 5 v 工作电压，操作频率o 3 3 m h z ；5 v 工作电压，操作频率0 - - 4 0 m h z ( s t c 8 9 c 5 1 6 r d + 实际最高可达8 0 m h z ) ； ( 3 ) 大容量内部数据r a m ，i k 字节r a m ； ( 4 ) 6 4 3 2 1 6 8 k b 片内f l a s h 程序存储器，具有在应用可编程( 1 a p ) ，在系统可 编程( i s p ) ，可实现远程软件升级，无需编程器； ( 5 ) 支持1 2 时钟( 默认) 或6 时钟模式； 1 4基于单片机的温度控制器设计与研究 ( 6 ) 双d p t r 数据指针； ( 7 ) s p i ( 串行外围接口) 和增强型u a r t ； ( 8 ) p c a ( 可编程计数器阵列) ，具有p w m 的捕获比较功能； ( 9 ) 4 个8 位i o 口，含3 个高电流p l 口，可直接驱动l e d ； ( 1 0 ) 3 个1 6 位定时器计数器； ( 1 1 ) 可编程看门狗定时器( w d t ) ； ( 1 2 ) 低e m i 方式( a l e 禁止) ； ( 1 3 ) 兼容1 v r l 和c o m s 逻辑电平； ( 1 4 ) 掉电检测和低功耗模式等。 而其中s t c 单片机最大的优势在于以下四点： 1 最大可拥有1 kb i t 片内r a m ( 数据存储器) 普通的8 0 5 1 系列单片及片内r a m 只有1 2 8 ( 8 0 5 1 ) 或2 5 6 ( 8 0 5 2 ) 字节，低1 2 8 字节( 地址：0 0 h - 7 f h ) ，可直接或间接寻址，高1 2 8 字节( 地址：8 0 h - f f h ) ，只可 间接寻址。s t c 8 9 系列单片机另外增加了7 6 8 字节的片内扩展r a m ，以解决众 多技术人员在编程时的r a m 资源严重缺乏的问题。7 6 8 字节的片内扩展r a m ( 地 址：0 0 0 h 2 f f h ) 与外部扩展r a m 地址重叠，单片机可通过软件设置a u x r 1 ， 决定是否使用片内扩展r a m ，以防止可能的与外部扩展r a m 的冲突，默认为使 用片内扩展r a m 。 2 6 4 k 片内f l a s h ( 程序存储器、 s t c 8 9 系列单片机按芯片型号分别有6 4 3 2 1 6 8 k 片内f l a s h ，分为2 个f l a s h 存储块：b l o c k 0 和b l o c k l 。2 个f l a s h 存储块在物理上b l o c k 0 在前，b l o c k l 在后。 通过r e m a p 功能可以将f l a s h 块重定位。图3 2 所示是s t c 8 9 c 5 1 6 ) + 的程序 存储器结构1 9 j 。 e “t o 。器；：。$ r 嚣；：m* c 毒篙：。 ：固：圉 ：圉二国 图3 2s t c s 9 9 c 5 1 6 r d + 程序存储器结构 第三章温度控制系统的硬件设计 3 i s p 技术 i s p 主要应用于在线( 或远程) 升级，通过执行i s p 引导码改写用户程序，无须 编程器，无须亲临现场。s t c 8 9 系列单片机在出厂时，片内已经烧录有i s p 引导 码，占用b l o c k l 的程序空间前2 k 字节，并设置为从b l o c k l 启动。启动时，首先 执行i s p 引导码，确认是程序下载，还是正常启动。无论是程序下载还是下常启 动，i s p 引导码最后总是将r e m a p 取消，恢复b l o c k 0 在前8 k 的地址空间，进 而执行b l o c k 0 中的用户程序，即用户程序总是放在b l o c k 0 的0 0 h 开始的单元， 除非用户自行修改了i s p 引导码。 图3 3 足s t c 单片机的i s p 在线下载应用程序的工作界面，此软件最新版本 为v 3 1 版，可以在s t c 官方网站上免费下载。 幽3 3 s t ci s pv 3 1 软件运行界 4 s t c 8 9 系列单片机i a p 技术 l a p 功能就是在应用可编程，利用该功能，就可将本不具有e e p r o m 的啦片 机具有相当于e e p r o m 的功能，而且存储空间远大于e e p r o m 。i a p 不能对自 身所在的b l o c k 编程，即当程序运行在b l o c k 0 时，可编程的是b l o c k l ；当程序运 行在b l o c k l 时，可编程的是b l o c k 0 。根据这个特点，通过r e m a p 功能可设置在 应用编程的f l a s h 的大小。 s t c 8 9 由美国设计，在台湾生产，是目前在相同性能条件下价格最优的一个 品种。s t c 8 9 的高性能及低价格能为设计带来相当的大技术改进和经济的效益。 1 6 基于单片机的温度控制器设计与研究 3 1 2 设计选型说明 考虑到本设计涉及任务较多、所需的程序存储空间较大、a d 转换要求较高， 再考虑到成本和功耗等因素，故在本设计中选择了s t c 8 9 c 5 1 6 r d + ，其结构模块 如图3 4 所示。 p o p l p 2 p 3 图3 4s t c 8 9 c 5 1 6 r d + 机构模块 其基本性能如下： ( 1 ) 加密性强( 程序写入的同时由硬件加密) ，无法解密。 ( 2 ) 拥有6 4 k 程序存储空间和l k 字节数据存储空间，无须扩展外部存储器， 既能节省成本又可以简化设计。 ( 3 ) 超强抗干扰：高抗静电；轻松通过2 k v 4 k v 脉冲干扰( e f t 测试) ；宽 电压，不怕电源抖动；宽温度范围，- 4 0 8 5 ；i o 口经过特殊处理。 ( 4 ) 采取了降低单片机时钟对外部电磁辐射的措旄：可以禁止a l e 输出；选 用6 时钟机器周期，可以外部时钟频率可降一半；单片机时钟震荡器增益可设为 1 2 9 a i n 。 ( 5 ) 超低功耗：正常工作模式的典型功耗仅为4 m a - 7 m a 。 ( 6 ) 在系统可编程，无须编程器，还可以远程升级，方便操作。 ( 7 ) 价格低廉，拥有如此多功能的s t c 8 9 c 5 1 6 r d + ，报价仅为人民币1 8 元。 3 1 3 时钟电路设计 x t a l i 和x t a l 2 分别用就能够提供振荡电路的反相器输入和输出端。在使 用内部振荡电路时，这两个端子用来外接时钟石英晶体，振荡频率为晶振频率， 第三章温度控制系统的硬件设计 1 7 振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号，电路图如3 5 ( a ) 所示；若采用外 部振荡电路，侧x t a l l 用于输入外部振荡脉冲，该信号直接送至内部时钟电路， 而x t a l 2 悬空，电路图如3 5 所示。在本设计中，使用的是如图3 5 ( a ) 的设计。 s t c 8 9 c 5 1 6 r p + 1 8 耵 l i ln l 撮il r 甜l 右 喜刖 l 。 中品毳 r ”l ，。盯札： 至内部时钟档 ( a ) 3 1 4 复位电路设计 图3 5 系统时钟电路 5 1 系列片内的复位电路图3 6 所示，复位引脚r s l p d 通过片内的施密特触 发器( 滤除噪音) 与片内的复位电路相连。复位电路在每个机器周期的$ 5 p 2 去 采样期的施密特触发器的输出。欲使单片机可靠复位，要求r s t n p o 复位端保持 2 个机器周期( 2 4 个时钟周期) 以上的高电平。 复位不影响内部r a m 中的数据。复位后p c = 0 0 0 0 h ，指向程序存储器，0 0 0 0 h 地址单元，使c p u 从首地址0 0 0 0 h 单元开始重新执行程序。所以单片机系统在 运行出错或进入死循环时，可按复位键重新启动。 图3 6 按键手动复位电路 1 8 基于单片机的温度控制器设计与研究 3 2 温度信号采集及放大电路 在2 2 1 已经提及，热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，有测量精度 高，测量范围广，构造简单，使用方便的优点。丽本系统中采用铂铑1 3 一铂热电 偶r 型热电偶，它的测温范围是0 - 1 7 0 0 c ，输出电压为o - 2 0 m v 。本节中将再对 热电偶的工作原理、分度表、冷端补偿以及使用过程中需要注意的问题进行讨论。 3 2 1 热电偶测温 把两根不同质的导体或半导体( a 和b ) 联接起来组成一个闭合回路，该闭合 回路叫热电回路。当两导体两个接点1 和2 处于不同温度t 和t o 时，回路中就有 一定的电流流过，表明回路有电势产生，该电势称为热电势，这种产生热电势的 效应叫作热电效应。常用的热电偶由两根化学成分不同的金属导线组成，它们的 一端焊接在一起，放入被测介质中，叫做热端。与测量仪表相联的那一端叫冷端。 当热端与冷端有温差时，测量仪表便能测出被测介质的温度。热电偶由温差产生 的热电势是随介质温度变化而变化的，其关系可由下式表示，即i l o j ： 县= ( ，) 一e ( r o )( 3 - 1 ) 式中：且热电偶的热电势( v ) ； 跚( z ) 韫度为r 时的接触电势6 9 , 跚( r o ) 温度度为r o 时的接触电势( v ) 。 当热电偶的材料均匀时，热电偶的热电势大小与电极的几何尺寸无关，仅与 热电偶材料的成分和热、冷端的温差有关。在通常的测量中要求冷端的温度恒定， 此时热电偶的热电势就是被测介质温度的单值函数，即e = 厂( r ) 。 我国从1 9 8 8 年1 月1 日起，熟电偶和热电阻全部按i e c 国际标准生产，并 指定s 、b 、e 、k 、r 、j 、t 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。其中 对r 型热电偶的分度表解释如表3 1 ，3 2 所示【l l l ： 表3 1铂铑1 3 铂热电偶( r 型) 热电偶分度表( i t s - 9 0 ) 分度表：r参考端温度：o l o+ o1 0 02 0 03 0 04 0 0 5 0 0 e ，m v o o o o0 0 0 00 6 4 71 4 6 92 4 0 13 4 0 84 4 7 l l 6 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0l 1 0 01 2 0 0 e m v5 5 8 36 7 4 37 9 5 09 2 0 81 0 5 0 61 1 8 5 01 3 2 2 8 l 1 3 0 01 4 0 01 5 0 01 6 0 01 7 0 0 e m v1 4 6 2 91 6 0 4 01 7 4 5 l1 8 8 4 92 0 2 2 2 第三章温度控制系统的硬件设计1 9 表3 2r 型热电偶参考端温度非0 c 时的校正表( 修正值加上所查的热电势) l o1 02 03 04 05 0 e ，m v 0 0 0 00 0 5 4o 1 1 1o 1 7 l 0 2 3 2 0 2 9 6 为了便于了解r 型热电偶的线性性，将分度表制成图3 7 所示曲线，从图3 7 所示的铂铑1 3 铂热电偶(