MSP430單片機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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

【關(guān)鍵詞】單片機;溫度控制;運算放大

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)控制對象中一個重要的被測控參數(shù)。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是單片機測量控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，利用單片機對溫度測控越來越顯示出其優(yōu)越性。單片機具有功能強、體積小、速度快、價格低等特點，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)測控系統(tǒng)中。本文介紹以MSP430系列單片機單片機為核心，實現(xiàn)對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，其熔點不同，隨著砷的比例的增加，熔點升高。只有嚴(yán)格控制砷端和鎵端的溫度，才能保持整個合成過程為全熱相合成。在鎵端加熱的同時，也加熱砷端，使砷升華，砷蒸氣擴散到液態(tài)鎵中與鎵化合生成砷化鎵。隨著Ga-As組分的變化，熔點不斷上升。合成完成后砷端615℃，GaAs熔體為1238℃，達到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

材料合成溫度控制系統(tǒng)的核心是用單片機來進行數(shù)據(jù)處理和程序控制。除單片機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

系統(tǒng)由單片機完成對雙路電阻爐溫度信號的讀取，數(shù)據(jù)運算處理，給出加熱控制指令，溫度顯示及報警等功能。本設(shè)計采用MSP430F2232單片機。該單片機是一款超低功耗高性能新型單片機，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。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，放大后不需要模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，便可直接送單片機處理。大大簡化了外圍電路的設(shè)計。片內(nèi)集成Flash ROM及ROM，可不擴展外存儲器。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、時鐘電路、電源電路等外圍器件，就可滿足要求，實現(xiàn)對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)更為簡單實用，同時也降低了系統(tǒng)的成本。

5.溫度檢測及信號放大

溫度檢測是將變化的溫度值轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號進行測量。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1600℃。熱電動勢與溫度為單值線性關(guān)系，測量精度高，穩(wěn)定。輸出電壓信號為mV級，滿足合成工藝要求。

由于熱電偶溫度傳感器得到的電信號幅度較低，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，此信號不能直接送給單片機處理，需要放大100-200倍，才能達到要求。本設(shè)計采用低漂移高精度運算放大器 OP07將溫度電壓信號進行放大后送單片機處理。由于MSP430F2232單片機內(nèi)部集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可直接進行數(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)計的調(diào)零措施，同時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。

圖2 放大電路

6.控制執(zhí)行電路設(shè)計

單片機根據(jù)合成溫度上升速率的要求和對溫度檢測的數(shù)據(jù)進行運算，分別由I/O端口輸出鎵端和砷端電熱絲加熱控制信號。單片機I/O口驅(qū)動能力有限，不足以直接驅(qū)動大功率加熱設(shè)備。雙向可控硅可作為功率驅(qū)動器件，其具有雙向?qū)ǎ茉诖箅娏鲌龊鲜褂?，且可做無觸點開關(guān)。本設(shè)計采用光耦合雙向可控硅驅(qū)動器作為輸出控制接口，單片機發(fā)出的觸發(fā)信號，經(jīng)光電耦合器加到雙向可控硅的控制極。電路設(shè)計如圖3所示。為防止大功率設(shè)備開關(guān)過程產(chǎn)生強電磁干擾，用光耦合器進行隔離，并驅(qū)動雙向可控硅。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)單片機輸出高電平時，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)單片機輸出低電平時，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)通的時間即可改變加熱功率，達到調(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)，溫度值需要實時顯示。通常一個數(shù)碼管就要站用CPU的8個I/O端口，本系統(tǒng)顯示溫度值等需要多個數(shù)碼管，CPU不可能提供那么多的I/O端口。本設(shè)計采用74HC595驅(qū)動多只數(shù)碼管，74HC595是一個串入/8位并行輸出驅(qū)動器。帶鎖存器、移位寄存器，可直接驅(qū)動發(fā)光二極管。具有拉電流和灌電流驅(qū)動能力。故可驅(qū)動共陽數(shù)碼管，也可驅(qū)動共陰極數(shù)碼管。通過Q7引腳進行級聯(lián)。實現(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)通斷會產(chǎn)生大量電磁干擾，容易使單片機程序失控。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)定運行。本系統(tǒng)采用IMP706看門狗電路設(shè)計，單片機定時喂狗，WDI接單片機一個I/O接口，檢測單片機狀態(tài)，當(dāng)單片機受干擾失控時，IMP706的腳輸出一個低電平，送單片機腳，使單片機復(fù)位，重新進入正常運行狀態(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高性能單片機進行溫度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運算處理、輸出控制，實現(xiàn)了對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

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作者簡介：李慶輝（1957—），男，高級工程師，主要從事電子及單片機技術(shù)應(yīng)用開發(fā)和教學(xué)工作。