畢業(yè)設(shè)計論文基于單片機MOCVD溫度控制研究與設(shè)計

1、題 目：mocvd系統(tǒng)的溫度控制研究與設(shè)計學 院：信息電子技術(shù)學院年 級： 2006級專 業(yè)： 電氣工程及其自動化姓 名：學 號：指導教師：摘 要gan系列材料在光電、能量裝置等方面有著廣闊的應(yīng)用范圍和市場前景。采用mocvd技術(shù)進行g(shù)an系列材料生長具有明顯優(yōu)勢。研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的mocvd系統(tǒng)具有十分重要的戰(zhàn)略意義。而溫度是mocvd系統(tǒng)中的極為關(guān)鍵的控制量。本文的工作就是設(shè)計一個能很好滿足要求的溫度控制器，主要工作包括了三方面。首先，設(shè)計了溫度控制器的硬件，總體設(shè)計以簡單和經(jīng)濟為基本出發(fā)點，盡量選用低價的高性能芯片以節(jié)省設(shè)計成本；并選擇串行工作方式，最大程度的節(jié)約單片機i/o口。其次

2、，設(shè)計了溫控器的軟件，主要包括a/d采集模塊子程序，d/a控制模塊子程序、各種接口子程序，并完成了整個軟、硬件系統(tǒng)的調(diào)試。最后，本文采用了fuzzy-pid控制算法，該算法既具有pid控制器的動態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度，又具有fuzzy控制器動態(tài)響應(yīng)好，達到了上升時間快，超調(diào)小的要求，取得了較好的控制效果。關(guān)鍵詞 mocvd；溫度控制器；stc單片機；模糊-pid控制abstractgan series in photoelectric materials,energy devices,has a good effect,a broadscope of application and market

3、 prospects.and mocvd technology has obviousadvantages in growing gan materials.r&d with independent intellectual propertyrights mocvd system is of great strategic importance.the temperature of mocvdsystem is crucial in the control volumes.main work of this paper is to design atemperature control

4、ler meeting the requirements perfectly;and the principal tasksinclude the following three aspects.firstly,hardware of temperature controller should be designed.economy&simpleare both the key points,using low-cost,high-performance chips to save design cost;serial methods of work is selected to mi

5、nimum scm i/o port.secondly,thetemperature controller on the basis of hardware designed for temperature controlsoftware.including a/d acquisition module subroutine,d/a control modulesubroutine,the subroutine of other interfaces cicuits,and completed the entirehardware and software system debugging.f

6、inally,this paper presents fuzzy-pidcontrol algorithm,as well as with pid controller dynamic tracking quality and steadyprecision,but also has good dynamic response fuzzy controller,fast rise time,theadvantages of small overshoot,and achieved better control effect.keywords mocvd; temperature control

7、ler ;stc-scm ;fuzzy-pid目 錄摘 要iabstractii第 1 章緒 論11.1研究mocvd的目的及意義11.2mocvd的發(fā)展現(xiàn)狀11.3mocvd的基本原理21.4mocvd系統(tǒng)的溫度控制主要內(nèi)容3第 2 章mocvd溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)52.1mocvd溫度控制系統(tǒng)的硬件組成52.1.1mocvd溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)52.1.2溫度控制系統(tǒng)各組成部分及特點62.2mocvd系統(tǒng)溫度控制的特點72.2.1溫度控制系統(tǒng)通用特點72.2.2mocvd系統(tǒng)溫度控制的特點82.3mocvd溫度控制系統(tǒng)控制流程82.3.1感應(yīng)加熱原理82.3.2rf感應(yīng)加熱器的溫度調(diào)節(jié)92.3.3

8、溫度控制模式92.4本章小結(jié)11第 3 章溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計123.1stc89c516rd+芯片及其時鐘與復位電路123.1.1stc89系列芯片介紹123.1.2設(shè)計選型說明143.1.3時鐘電路設(shè)計153.1.4復位電路設(shè)計153.2溫度信號采集及放大電路163.2.1熱電偶測溫163.2.2冷端補償173.2.3熱電偶測溫與冷端補償線路183.2.4溫度信號放大電路193.3a/d轉(zhuǎn)換電路213.3.1雙積分adc工作原理213.3.2a/d轉(zhuǎn)換器icl7135的技術(shù)指標233.3.3a/d轉(zhuǎn)換芯片icl7125的電路設(shè)計233.4d/a口電路253.4.1d/a轉(zhuǎn)換器的基本原理2

9、53.4.2d/a轉(zhuǎn)換器dac7611的技術(shù)指標253.4.3d/a轉(zhuǎn)換芯片dac7611的電路設(shè)計263.5溫度控制器與上位機通信電路283.6本章小結(jié)29第 4 章溫度控制器的軟件與算法實現(xiàn)304.1溫度控制器系統(tǒng)軟件的設(shè)計304.1.1溫度控制器的主程序設(shè)計304.1.2a/d轉(zhuǎn)換模塊314.1.3d/a轉(zhuǎn)換模塊334.2溫度控制系統(tǒng)的控制算法的選擇344.2.1pid算法基礎(chǔ)知識344.2.2fuzzy（模糊）控制算法簡介354.2.3模糊控制的原理374.3fuzzy-pid復合控制算法374.4本章小結(jié)38結(jié)論39致 謝40參考文獻41附錄a 系統(tǒng)硬件連接圖42附錄b 程序43附錄

10、c 中英翻譯 the development semiconductor laser45第 1 章 緒 論本章主要介紹了半導體的發(fā)展歷程和發(fā)展方向、mocvd概況，mocvd的基本原理，溫度控制在mocvd中的位置，以及本文作者的工作和章節(jié)介紹。1.1 研究mocvd的目的及意義mocvd(metal organic chemical vapor deposition)，也叫omcvd(organmetallic chemical vapor deposition)，movpe(metal organic vapor phase epitaxy)，早在1960就被用于晶體生長。中文譯文通常為“

11、金屬有機化合物化學氣相沉積”，mocvd以mo化合物為材料源。mocvd是一種高質(zhì)量半導體材料生長技術(shù)，主要用于生長iii-v族化合物半導體材料(如gaas,alga，asgan,algan等)、iv族半導體材料(如si/ge、金剛石和sic等)、ii-vi族化合物半導體材料(cdte/hgcdte、cdznte、zns、znse、znmgsse、znte等)、以及鐵電材料、金屬合金、金屬薄膜、太陽能電池材料、傳感器材料和光學薄膜等。mocvd是目前gan及其合金最主要的生長技術(shù)。在所有半導體材料制備技術(shù)中，mocvd得到的gan器件、led和ld的質(zhì)量都是最高的。1.2 mocvd的發(fā)展現(xiàn)狀

12、gan的研究起步于60年代末70年代初，是由美國的h.p.marvska及pankove等人采用鹵化物晶體生長法生長的。進入80年代，分子束外延(mbe)、金屬有機化學氣相外延(mocvd)等生長技術(shù)的出現(xiàn)，對gan材料的發(fā)展起了很大的促進作用，人們對gan材料的性質(zhì)有了更深的了解，gan也就引起了更多的注意。90年代初，又出現(xiàn)了雙氣流mocvd(tfmocvd)或等離子增強mbe技術(shù)生長gan，直接導致了具有優(yōu)異結(jié)晶學特性和低背景電子濃度gan及合金材料的出現(xiàn)，并且gan的p型摻雜也得到了實現(xiàn)。在器件制備方面，不僅己制備出了包括雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)和單量子阱藍光二極管，多量子阱結(jié)構(gòu)的激光二極管以及各種

13、結(jié)構(gòu)的紫外光探測器，而且還部分實現(xiàn)了器件的商品化。到目前為止，mocvd方法是生長iii族氮化物多層結(jié)構(gòu)最主流的方法，也是用來產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)iii-v族半導體器件的唯一技術(shù)。iii-v族半導體材料是在30多年前開始的，在80年代比較成熟地應(yīng)用于algaas/gaas和in相關(guān)的系統(tǒng)，然而在10多年前才第一次報導了采用mocvd生長iii族氮化物。對于gan材料的生長，一般用三甲基稼(tmg)和氮氣分別作為ga源和n源，氫氣和氮氣則作為載氣。gan的mocvd生長的最適宜溫度大約為1050，典型的生長速率約為2m /h。1.3 mocvd的基本原理在半導體和微電子領(lǐng)域中所謂生長得到的半導體材料都是半

14、導體薄膜材料。在材料生長以前，首先要有一片襯底圓片用于在其上生長薄膜材料，然后將襯底圓片放入反應(yīng)室內(nèi)的承片臺上，再通入生長源氣體，在一定的反應(yīng)室環(huán)境（如高溫、磁場、等離子體等）下，源材料發(fā)生化學反應(yīng)，生成需要生長薄膜材料的分子團，最后落在襯底圓片，不斷積累形成所需的晶體半導體薄膜材料。所謂的“金屬有機化合物化學氣相淀積”技術(shù)中，“金屬有機化合物”是指所用的生長源材料為金屬有機化合物，“化學”是指發(fā)生化學反應(yīng)，“氣相”是指原材料以氣相的狀態(tài)進入反應(yīng)室發(fā)生反應(yīng),“淀積”是指反應(yīng)后生長的半導體材料分子沉積在襯底表面的過程。金屬有機化合物(mo源)和載氣(氮氣或氫氣)形成稀釋混合物，以低壓氣流方式進入

15、高溫反應(yīng)室環(huán)境中，mo源和反應(yīng)氣體在反應(yīng)室中分解并沉積在高溫襯底表面，形成iii-v族化合物半導體晶體外延層(如algaas、inaasp、ingan和類似的化合物)，外延層可以為幾個nm到幾個m。由于金屬原子一般很重，主要以固相的方式存在，所以在cvd過程中需要用到mo源，即金屬有機化合物。mo源通常是揮發(fā)性的，因此可以利用mo的揮發(fā)性以氣相的方式攜帶通常不可揮發(fā)的金屬原子進入反應(yīng)室。通常在反應(yīng)室內(nèi)mo化合物和其它源材料及“氫化物”混合在一起發(fā)生化學反應(yīng)形成化合物半導體薄膜。在gan材料生長中，一般是將三稼基tmga和氨氣nh3同時引入反應(yīng)室發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后生長的gan材料沉積到高溫襯底上(

16、襯底通常為藍寶石，襯底溫度通常為800-1000)mocvd系統(tǒng)的主要特性和參數(shù)：(1)生長用源材料：mo源：tmga，tmal，tmin，n源：nh3，雜質(zhì)源：sih4（n型摻雜），mg源(p型摻雜)；(2)生長溫度：950-1025；(3)加熱源：rf感應(yīng)加熱器，ir(紅外)燈；(4)載氣：h2或n2；(5)圓片尺寸：2英寸，4英寸。mocvd生長系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示：圖1-1 mocvd生長系統(tǒng)原理圖1.4 mocvd系統(tǒng)的溫度控制主要內(nèi)容溫度是mocvd系統(tǒng)中材料生長的一個重要影響因素，升降溫的決慢、溫度的高低、保溫時間的長短等都對材料的生長有影響，所以溫度控制對mocvd系統(tǒng)至關(guān)

17、重要。在自行研制的mocvd系統(tǒng)中，加熱系統(tǒng)是由高頻感應(yīng)加熱實現(xiàn)的。高頻感應(yīng)加熱是利用鐵磁物質(zhì)在交變磁場中因電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦流而達到自身加熱，可以在短時間內(nèi)獲得高的功率密度和負載功率，加熱速率可以達到每秒幾十度甚至幾百度，熱效率高達50-75%，具有節(jié)省電力，升溫速度快，溫升高，加熱效率高等特點。但是，目前國內(nèi)絕大多數(shù)使用單位仍然停留在自動測量顯示溫度，開環(huán)控制，手動調(diào)節(jié)的階段，即操作人員必須根據(jù)人工定值，以滿足溫度控制所需要的變化量。由于各種各樣的人為因素干擾以及操作人員的工作責任心和技術(shù)水平的限制，溫度的超調(diào)和大誤差難以避免。在各種工程系統(tǒng)，比如化學過程、氣動液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)中，

18、對溫度等這些具有大延時、大滯后的對象的控制，一直是個研究難題。大量資料顯示表明，若對象純滯后時間常數(shù)與過程慣性時間常數(shù)t之比，即/t0.3，則一般的控制規(guī)則難以有較好的控制效果，這種對象在工業(yè)控制界被稱為“難以控制的環(huán)節(jié)”。另外，除了上述因素，在自行研制的mocvd系統(tǒng)中，由于電網(wǎng)波動、石墨塊的“記憶”功能（輸出不但與初始輸入有關(guān)，還與以前的輸入和狀態(tài)有很大的關(guān)系）、石墨基座與測溫熱電偶之間的耦合等非線性因素，因此研究一種切實可行、能滿足各方面要求的溫度自動控制系統(tǒng)顯得尤為重要。所以研究工作的重點顯然就是設(shè)計一個具有可靠的硬件、控制效果好、工程實現(xiàn)方便的溫度控制器。本人的主要著手點即在于此。第

19、 2 章 mocvd溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前，mocvd控制系統(tǒng)采用集散控制方式，其中上位機采用工業(yè)控制計算機，下位機采用s7-300plc。上位機完成信號的采集、控制和數(shù)據(jù)處理功能，位機完成信號的轉(zhuǎn)換功能，直接與工藝現(xiàn)場相連。本文的目標就是設(shè)計一個新的具有很強處理能力的溫度控制器，它將居于個系統(tǒng)的核心地位。該溫控器既完成信號的轉(zhuǎn)換功能，直接與工藝現(xiàn)場相連，又能采集信號、控制過程和處理數(shù)據(jù)，取代相當部分本來由上位機處完成的功能。具體軟硬件設(shè)計將在三、四章進行詳細討論。2.1 mocvd溫度控制系統(tǒng)的硬件組成2.1.1 mocvd溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)mocvd溫度控制對象是生長晶片的反應(yīng)室內(nèi)的溫度。針對

20、材料生長需要快速的升溫和降溫的工藝，在mocvd設(shè)備的研制中使用高頻加熱器對反應(yīng)室的石墨塊進行加熱，在石墨塊的下端有一個熱電偶，用來測溫并在溫度控制器上顯示石墨塊的當前溫度。溫控器則通過調(diào)節(jié)rf感應(yīng)加熱器上的電壓，實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。其加熱原理圖如圖2-1所示。 圖2-1 mocvd加熱原理圖針對mocvd系統(tǒng)的工藝要求，本設(shè)計同樣采用上位機與下位機相結(jié)合的方式來控制gan材料的生長，其中上位機使用工業(yè)控制計算機，下位機采用以stc單片機為核心的溫度控制器。上位機完成軟件的編制，程序的下載，下位機直接與工藝現(xiàn)場相連采集溫度信號，該信號轉(zhuǎn)換后，運用合適的控制算法控制感應(yīng)加熱器的工作，從而達到控制反

21、應(yīng)室溫度的要求。紅外測溫儀測得的溫度則僅做監(jiān)測參考，由上位機接收，在緊急情況下做停機處理。 圖2-2 mocvd控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1.2 溫度控制系統(tǒng)各組成部分及特點本系統(tǒng)中，熱電偶負責溫度控制系統(tǒng)中的溫度信號采集，溫度控制器在溫度系統(tǒng)中居于核心地位，感應(yīng)加熱器則是gan材料生長的熱源，反應(yīng)室是材料生長的載體。四者都是mocvd系統(tǒng)的必要組成部分，以下就是它們的簡單介紹：1熱電偶熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，在工業(yè)中使用極為廣泛。熱電偶是根據(jù)熱電效應(yīng)來工作的，其優(yōu)點是：(1)測量精度高。熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。(2)測量范圍廣。常用的熱電偶從501600均可連續(xù)

22、測量。某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800（如鎢-錸）(3)構(gòu)造簡單、使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系及允許誤差，并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。標準化熱電偶有s、b、e、k、r、j、t七種，根據(jù)各種標準熱電偶的測溫范圍的不同。本系統(tǒng)中采用鉑銠13-鉑熱電偶r型熱電偶，它的測溫范圍是0-1700，輸出電壓為0-20mv。2溫控器系統(tǒng)中所用溫控器是本文設(shè)計的核心，它是以

23、mocvd系統(tǒng)為背景，兼顧了 通用性而設(shè)計的。溫控器具有顯示和控制的雙重功能，它提供了直流電壓和電流兩種輸入類型，可以進行溫度、壓力、流量及其它過程量的控制。該控制器具有fuzzy-pid控制功能，可以設(shè)定爬升時間并對過程量進行自動控制，提供模擬電壓輸出，設(shè)定值范圍內(nèi)電壓輸出為010v。另外，本溫控器提供了rs232串口通訊模式，可以實現(xiàn)與計算機之間的數(shù)據(jù)交換。3感應(yīng)加熱器感應(yīng)加熱來源于法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，長期以來，技術(shù)人員都對這一現(xiàn)象有較好地了解，并且在各種場合盡量抑止這種發(fā)熱現(xiàn)象，來減小損耗。比較常見的如開關(guān)電源中的變壓器設(shè)計，通常設(shè)計人員會用各種方法來減小渦流損耗，來提高效率。然而

24、在19世紀末期，技術(shù)人員又發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的有利面，就是可以將之利用到加熱場合，來取代一些傳統(tǒng)的加熱方法。采用感應(yīng)加熱有以下優(yōu)點：(1)非接觸式加熱，熱源和受熱物件可以不直接接觸。(2)加熱效率高，速度快，可以減小表面氧化現(xiàn)象。(3)容易控制溫度，提高加工精度。(4)可實現(xiàn)自動化控制。(5)可減小占地、熱輻射、噪聲和灰塵。4反應(yīng)室反應(yīng)室是源材料在襯底上進行外延生長之處，它對外延層厚度、組分的均勻性、異質(zhì)結(jié)果的梯度、本底雜質(zhì)的濃度以及外延膜的產(chǎn)量都有極大的影響，是整個movcd系統(tǒng)的核心。一般對反應(yīng)室的基本要求是：無返混，能實現(xiàn)反應(yīng)氣體的瞬時切換，以保證能形成組成突變的異質(zhì)結(jié)；襯底上方處于層流區(qū)，無

25、任何形式的渦流，有均勻的溫度場及濃度場分布，以保證薄膜具有均勻的厚度與結(jié)構(gòu)。2.2 mocvd系統(tǒng)溫度控制的特點2.2.1 溫度控制系統(tǒng)通用特點溫度是工業(yè)控制中最常見最基本的過程參數(shù)之一，溫度控制系統(tǒng)有其自身的特點，大致說來有以下兩點：(1)系統(tǒng)的精確的物理模型難以得到；(2)系統(tǒng)中普遍存在著非線性、時變和大滯后現(xiàn)象。通常來說，如果控制系統(tǒng)的魯棒性比較好，可以較好的彌補系統(tǒng)中或者是系統(tǒng)外非線性、時變等因素對系統(tǒng)的影響。但是由于時滯現(xiàn)象的存在，使得對系統(tǒng)溫度的控制或者說是對具有大滯后特性的對象的控制，一直以來都是工業(yè)控制界的一個難題。2.2.2 mocvd系統(tǒng)溫度控制的特點在工業(yè)上，溫度控制有一

26、些通用的特點，比方說有延遲等等。但是針對該mocvd系統(tǒng)硬件的組成，其溫度控制有其自己的特點:(1)在生長材料的過程中，由于工程的需要，石墨基座是旋轉(zhuǎn)著的，但是用來測溫的熱電偶并沒有隨之旋轉(zhuǎn)。(2)熱電偶上端與石墨基座的下表面并不是緊密接觸的，而是有一段“空氣”間隙。所以所涉及到的“散熱”是充斥在其間的氣體的輻射散熱，而不是接觸散熱。(3)在實際生長材料的過程中，整個反應(yīng)室是密封的。因此，測溫熱電偶所反映出來的溫度與石墨塊基座下表面的實際溫度有一定的“延遲”。(4)用于生長材料的藍寶石襯底是放在石墨塊的上表面的。由于石墨塊是熱的不良導體，因此對石墨塊本身而言，其下表面的溫度相對于上表面的溫度也

27、有一定的“延遲”。(5)在實際生長材料的過程中，密封反應(yīng)室內(nèi)在不同階段有不同濃度、不同種類的載流氣體流過，所以上述兩種影響較大的“延遲”的精確的物理模型很難得到。由此可見，“大滯后”、“非線性”和“參數(shù)時變”是mocvd溫度控制系統(tǒng)的主要特點。2.3 mocvd溫度控制系統(tǒng)控制流程2.3.1 感應(yīng)加熱原理在mocvd系統(tǒng)的材料生長過程中，采用高頻感應(yīng)加熱器對反應(yīng)室進行加熱。把一個金屬工件放在一個強交變磁場中，交變磁場產(chǎn)生大渦流電流流過工件，與這個電流相關(guān)的阻抗損失引起工件加熱。交變磁場由感應(yīng)加熱線圈或感應(yīng)器中的交變電流產(chǎn)生。在感應(yīng)加熱線圈中的工件感應(yīng)功率依賴于給線圈提供的電壓和電流。感應(yīng)加熱器

28、的反向換流器（dc-ac）的輸出是可變頻率。交變電流源的輸出通過一個匝數(shù)比可變的高頻隔絕變壓器和一個調(diào)諧電容耦合到感應(yīng)加熱器線圈。高頻感應(yīng)電源主要由三個子系統(tǒng)組成：直流電源，隔絕門二極晶體反用換流器和控制系統(tǒng)。通過三相全波橋式整流器、直流扼流線圈以及電容濾波器把三相交流，60hz輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電。反用換流器子系統(tǒng)的功能是把直流電轉(zhuǎn)換為感應(yīng)加熱線圈所需的高頻交流電。通過改變控制系統(tǒng)產(chǎn)生的基礎(chǔ)驅(qū)動脈沖的頻率，控制提供給負載的功率?？刂谱酉到y(tǒng)監(jiān)控反饋信號，系統(tǒng)保護以及控制輸出功率等，這給裝置的功率調(diào)節(jié)和溫度控制的實現(xiàn)帶來了很大的方便。2.3.2 rf感應(yīng)加熱器的溫度調(diào)節(jié)rf感應(yīng)加熱器輸出功率由一

29、個010v之間的直流電壓來調(diào)節(jié)。感應(yīng)加熱器調(diào)節(jié)功率方式包括由手工調(diào)節(jié)，自動控制程序調(diào)節(jié)兩種。即是操作者直接或者通過某個控制界面，依據(jù)經(jīng)驗，手工調(diào)節(jié)輸出電壓；或者是編寫自動控制程序，通過控制算法調(diào)節(jié)與rf值對應(yīng)的輸出電壓。為了在自動控制過程中不出現(xiàn)大的超調(diào)，同時給手動調(diào)節(jié)溫度模式提供一個參考，需要了解rf感應(yīng)加熱的基本特性，即調(diào)節(jié)功率的輸出電壓(0-10v)與溫度的近似關(guān)系。設(shè)0-1000的rf值，對應(yīng)0-10v的電壓。通過實驗獲得了rf值與溫度的粗略對應(yīng)關(guān)系，并繪制曲線圖如圖2-3所示。 圖2-3 溫度與rf值近似關(guān)系2.3.3 溫度控制模式相對而言，手動控制的實現(xiàn)比較容易一些，但是對操作人員

30、的要求比較高。一般是操作人員根據(jù)工藝配方表中的溫度要求，結(jié)合以往的操作經(jīng)驗或者是圖2-3中的溫度與rf電壓的對應(yīng)關(guān)系，將溫度要求轉(zhuǎn)換為rf控制電壓要求，直接在溫度控制部分的控制界面上輸入所期望的rf控制電壓值，系統(tǒng)會自動通過控制硬件將操作者的控制要求傳遞到感應(yīng)加熱器，從而實現(xiàn)溫度控制。但是由于電網(wǎng)波動等外界的干擾，穩(wěn)定后的控制精度很難保證在±1。介于手動控制模式的明顯缺點，需要實現(xiàn)溫度的自動控制，即溫度控制系統(tǒng)從工藝配方表中讀入期望溫度值以及達到期望溫度所需的時間、允許爬升的時間等參數(shù)，并由此計算爬升步數(shù)、爬升步長等中間變量，然后將rf電壓值逐漸調(diào)節(jié)為所期望的數(shù)值并根據(jù)檢測到的實際溫

31、度進行溫度誤差比較，當溫度誤差小到一定值時，進入溫度閉環(huán)控制。該溫度控制系統(tǒng)的控制流程圖如圖2-4所示。 圖2-4 mocvd系統(tǒng)自動控制流程圖d-temperature:自動-手動控制判斷位，其值為0時表示執(zhí)行自動控制程序。flag：溫度開環(huán)-閉環(huán)控制判斷位，若其值為0，執(zhí)行溫度爬升程序(開環(huán)控制)，執(zhí)行完后flag賦值為l。其值為1，則執(zhí)行微調(diào)控制程序(閉環(huán)控制)。整個控制程序采用周期運行的方式進行循環(huán)控制，控制周期的設(shè)定既要參考組態(tài)軟件的一般要求，又要考慮對系統(tǒng)資源的占用。在監(jiān)控系統(tǒng)中各路模擬量和數(shù)字量的數(shù)據(jù)采集與處理也是以一定的周期循環(huán)進行。根據(jù)實際操作經(jīng)驗，手動控制的時候，系統(tǒng)響應(yīng)較

32、快，操作人員根據(jù)經(jīng)驗，可以很快的將溫度調(diào)節(jié)到期望溫度的附近；但缺點是控制精度不高，實際溫度很難精確穩(wěn)定到期望溫度值上，而且抗干擾性較差，當電網(wǎng)波動時，系統(tǒng)不能相應(yīng)的調(diào)節(jié)輸出電壓，同時也對操作人員的要求較高，操作人員經(jīng)驗越豐富，控制效果越好。而自動控制時，系統(tǒng)的控制精度、抗干擾性較好，較少依賴操作人員的經(jīng)驗，但是當實際溫度與期望溫度的差值較大時，系統(tǒng)響應(yīng)速度比較慢。所以在實際控制時進行手動和自動控制模式相互切換，系統(tǒng)性能可以大大提高?？刂颇Ｊ角袚Q主要由手動與自動控制切換開關(guān)d-temperature參數(shù)決定，默認狀態(tài)為d-temperature=0，即自控模式。這樣在沒有操作人員的干預(yù)的情況下，

33、系統(tǒng)完全按照上述的自動控制模式來運行。當切換到手動模式時，系統(tǒng)會顯示當前的當操作人員點擊操作面板上的切換按電壓值和實際溫度，然后操作人員在此基礎(chǔ)上，根據(jù)手動調(diào)節(jié)規(guī)律來修改調(diào)節(jié)rf值。當從手動切換到自動模式時，自動控制程序會自動讀入當前的rf電壓值和實際溫度值，由控制算法來計算、決定rf電壓的調(diào)節(jié)大小和方向等，從而實現(xiàn)溫度自動控制。2.4 本章小結(jié)本章主要介紹了mocvd溫度控制系統(tǒng)的組成，mocvd系統(tǒng)溫度控制的特點以及mocvd溫度控制系統(tǒng)控制流程。由于mocvd溫度控制系統(tǒng)“大滯后”、“非線”、“參數(shù)時變”等特點，而且在電網(wǎng)波動等外界干擾下，手動控制很難保證穩(wěn)定后的控制精度在±1

34、，需要實現(xiàn)溫度的自動控制，即對溫度控制系統(tǒng)進行閉環(huán)控制。因此設(shè)計具有較強處理能力的溫度控制器是非常必要的。第 3 章 溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計以stc單片機溫度為核心的硬件設(shè)計是mocvd系統(tǒng)溫度控制器設(shè)計的基礎(chǔ)，可充分發(fā)揮軟件的特長而使系統(tǒng)的性能指標達到最優(yōu)。對溫度控制器系統(tǒng)的設(shè)計而言，其硬件系統(tǒng)設(shè)計的重要性主要體現(xiàn)在，系統(tǒng)做到簡單、緊湊、數(shù)據(jù)傳輸通道盡量的短。本文以stc89c516rd+芯片作為溫溫度控制器系統(tǒng)的核心器件，完成了mocvd溫度控制系統(tǒng)各個模塊的硬件設(shè)計，為溫度控制器模型的建立提供了基礎(chǔ)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。 圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.1 stc89c516rd+芯

35、片及其時鐘與復位電路3.1.1 stc89系列芯片介紹stc89系列單片機是mcs-51系列單片機的派生產(chǎn)品。它們在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標準8052單片機完全兼容，dip40封裝系列與8051為pin-to-pin兼容。stc89系列單片機高速(最高時鐘頻率80mhz)、低功耗，具有在系統(tǒng)和在應(yīng)用可編程(isp，iap)，不占用戶資源。主要性能包括有：(1)80c51核心處理器單元，故80c51的匯編語言可以直接移植到這里；(2)3v/5v工作電壓，操作頻率033mhz；5v工作電壓，操作頻率040mhz（stc89c516rd+實際最高可達80mhz）；(3)大容量內(nèi)部數(shù)據(jù)ram

36、，1k字節(jié)ram；(4)64/32/16/8kb片內(nèi)flash程序存儲器，具有在應(yīng)用可編程(iap),在系統(tǒng)可編程(isp)，可實現(xiàn)遠程軟件升級，無需編程器；(5)支持12時鐘(默認)或6時鐘模式；(6)雙dptr數(shù)據(jù)指針；(7)spi(串行外圍接口)和增強型uart；(8)pca(可編程計數(shù)器陣列)，具有pwm的捕獲/比較功能；(9)4個8位i/o口，含3個高電流p1口，可直接驅(qū)動led；(10)3個16位定時器/計數(shù)器；(11)可編程看門狗定時器(wdt)；(12)低emi方式(ale禁止)；(13)兼容ttl和coms邏輯電平；(14)掉電檢測和低功耗模式等。而其中stc單片機最大的優(yōu)勢

37、在于以下四點：1最大可擁有1k bit片內(nèi)ram(數(shù)據(jù)存儲器)普通的8051系列單片及片內(nèi)ram只有128(8051)或256(8052)字節(jié)，低128字節(jié)(地址：00h7fh)，可直接或間接尋址，高128字節(jié)(地址：80hffh)，只可間接尋址。stc89系列單片機另外增加了768字節(jié)的片內(nèi)擴展ram，以解決眾多技術(shù)人員在編程時的ram資源嚴重缺乏的問題。768字節(jié)的片內(nèi)擴展ram(地址：000h2ffh)與外部擴展ram地址重疊，單片機可通過軟件設(shè)置auxr.1，決定是否使用片內(nèi)擴展ram，以防止可能的與外部擴展ram的沖突，默認為使用片內(nèi)擴展ram。264k片內(nèi)flash(程序存儲器)s

38、tc89系列單片機按芯片型號分別有64/32/16/8k片內(nèi)flash，分為2個flash存儲塊：block0和block1。2個flash存儲塊在物理上block0在前，block1在后。通過remap功能可以將flash塊重定位。3isp技術(shù)isp主要應(yīng)用于在線(或遠程)升級，通過執(zhí)行isp引導碼改寫用戶程序，無須編程器，無須親臨現(xiàn)場。stc89系列單片機在出廠時，片內(nèi)已經(jīng)燒錄有isp引導碼，占用block1的程序空間前2k字節(jié)，并設(shè)置為從block1啟動。啟動時，首先執(zhí)行isp引導碼，確認是程序下載，還是正常啟動。無論是程序下載還是正常啟動，isp引導碼最后總是將remap取消，恢復bl

39、ock0在前8k的地址空間，進而執(zhí)行block0中的用戶程序，即用戶程序總是放在block0的00h開始的單元，除非用戶自行修改了isp引導碼。4stc89系列單片機iap技術(shù)iap功能就是在應(yīng)用可編程，利用該功能，就可將本不具有eeprom的單片機具有相當于eeprom的功能，而且存儲空間遠大于eeprom。iap不能對自身所在的block編程，即當程序運行在block0時，可編程的是block1；當程序運行在block1時，可編程的是block0。根據(jù)這個特點，通過remap功能可設(shè)置在應(yīng)用編程的flash的大小。stc89由美國設(shè)計，在臺灣生產(chǎn)，是目前在相同性能條件下價格最優(yōu)的一個品種。

40、stc89的高性能及低價格能為設(shè)計帶來相當?shù)拇蠹夹g(shù)改進和經(jīng)濟的效益。3.1.2 設(shè)計選型說明考慮到本設(shè)計涉及任務(wù)較多、所需的程序存儲空間較大、a/d轉(zhuǎn)換要求較高，再考到成本和功耗等因素，故在本設(shè)計中選擇了stc89c516rd，其結(jié)構(gòu)模塊如圖3-2所示。 圖3-2 stc89c516rd結(jié)構(gòu)模塊其基本性能如下：(1)加密性強（程序?qū)懭氲耐瑫r由硬件加密），無法解密。(2)擁有64k程序存儲空間和1k字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間，無須擴展外部存儲器，既能節(jié)省成本又可以簡化設(shè)計。(3)超強抗干擾：高抗靜電；輕松通過2kv/4kv脈沖干擾（eft測試）；寬電壓，不怕電源抖動；寬溫度范圍，-4085；i/o口經(jīng)過特

41、殊處理。(4)采取了降低單片機時鐘對外部電磁輻射的措施：可以禁止ale輸出；選用6時鐘/機器周期，可以外部時鐘頻率可降一半；單片機時鐘震蕩器增益可設(shè)為1/2gain。(5)超低功耗：正常工作模式的典型功耗僅為4ma-7ma。(6)在系統(tǒng)可編程，無須編程器，還可以遠程升級，方便操作。(7)價格低廉，擁有如此多功能的stc89c516rd+，報價僅為人民幣18元。3.1.3 時鐘電路設(shè)計xtal1和xtal2分別用就能夠提供振蕩電路的反相器輸入和輸出端。在使用內(nèi)部振蕩電路時，這兩個端子用來外接時鐘石英晶體，振蕩頻率為晶振頻率，振蕩信號送至內(nèi)部時鐘電路產(chǎn)生時鐘脈沖信號，電路圖如3-3(a)所示；若采

42、用外部振蕩電路，側(cè)xtal1用于輸入外部振蕩脈沖，該信號直接送至內(nèi)部時鐘電路，而xtal2懸空，電路圖如3-3 (b)所示。在本設(shè)計中，使用的是如圖3-3 (a)的設(shè)計。 圖3-3 系統(tǒng)時鐘電路3.1.4 復位電路設(shè)計51系列片內(nèi)的復位電路圖3-4所示，復位引腳rst/vpd通過片內(nèi)的施密特觸發(fā)器（濾除噪音）與片內(nèi)的復位電路相連。復位電路在每個機器周期的s5p2去采樣期的施密特觸發(fā)器的輸出。欲使單片機可靠復位，要求rst/vpd復位端保持2個機器周期（24個時鐘周期）以上的高電平。復位不影響內(nèi)部ram中的數(shù)據(jù)。復位后pc=0000h，指向程序存儲器，0000h地址單元，使cpu從首地址0000

43、h單元開始重新執(zhí)行程序。所以單片機系統(tǒng)在運行出錯或進入死循環(huán)時，可按復位鍵重新啟動。 圖3-4 按鍵手動復位電路3.2 溫度信號采集及放大電路在2.2.1已經(jīng)提及，熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，有測量精度高，測量范圍廣，構(gòu)造簡單，使用方便的優(yōu)點。而本系統(tǒng)中采用鉑銠13-鉑熱電偶r型熱電偶，它的測溫范圍是0-1700，輸出電壓為0-20mv。本節(jié)中將再對熱電偶的工作原理、分度表、冷端補償以及使用過程中需要注意的問題進行討論。3.2.1 熱電偶測溫把兩根不同質(zhì)的導體或半導體(a和b)聯(lián)接起來組成一個閉合回路，該閉合回路叫熱電回路。當兩導體兩個接點1和2處于不同溫度t和t0時，回路中就有一

44、定的電流流過，表明回路有電勢產(chǎn)生，該電勢稱為熱電勢，這種產(chǎn)生熱電勢的效應(yīng)叫作熱電效應(yīng)。常用的熱電偶由兩根化學成分不同的金屬導線組成，它們的一端焊接在一起，放入被測介質(zhì)中，叫做熱端。與測量儀表相聯(lián)的那一端叫冷端。當熱端與冷端有溫差時，測量儀表便能測出被測介質(zhì)的溫度。熱電偶由溫差產(chǎn)生的熱電勢是隨介質(zhì)溫度變化而變化的，其關(guān)系可由下式表示，即： (3-1)式中：et熱電偶的熱電勢(v);溫度為t時的接觸電勢(v)；溫度度為t0時的接觸電勢(v)。當熱電偶的材料均勻時，熱電偶的熱電勢大小與電極的幾何尺寸無關(guān)，僅與熱電偶材料的成分和熱、冷端的溫差有關(guān)。在通常的測量中要求冷端的溫度恒定，此時熱電偶的熱電勢就

45、是被測介質(zhì)溫度的單值函數(shù)，即e =f (t)。我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按iec國際標準生產(chǎn)，并指定s、b、e、k、r、j、t七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。其中對r型熱電偶的分度表解釋如表3-1，3-2所示：表3-1鉑銠13-鉑熱電偶（r型）熱電偶分度表（its-90） 分度表：r 參考端溫度：0t,-0 +0 100 200 300 400 500e.mvt,e.mvt,e.mv0.000 0.000 0.647 1.469 20401 30408 4.471600 700 800 900 1000 1100 12005.583 6.743 7.950 9.20

46、8 10.506 11.850 13.2281300 1400 1500 1600 170014.629 16.040 17.451 18.849 20.222表3-2 r型熱電偶參考溫度非0時矯正表t,0 10 20 30 40 50e.mv0.000 0.054 0.111 0.171 0.232 0.2963.2.2 冷端補償由熱電偶測溫原理可知，只有當熱電偶的冷端溫度保持不變，熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)，而且，在工程技術(shù)上使用的熱電偶分度表和根據(jù)分度表刻劃的測溫顯示儀表的刻度都是根據(jù)冷端溫度為0而制作的。另外在實際使用時，由于熱電偶的熱端(測量端)與冷端離得很近，冷端又暴露于空氣中，

47、容易受到環(huán)境溫度的影響，因而冷端溫度很難保持恒定。為此采用下列幾種處理方法進行溫度補償。1補償導線法為了使熱電偶的冷端溫度保持恒定(最好是0)，一般采用補償導線將熱電偶的冷端延伸出來，使其置于恒溫環(huán)境中進行測量。延伸用的導線在一定溫度范圍內(nèi)(0-100)又具有和所連熱電偶相同的熱電性能。使用補償導線時應(yīng)當注意：(1)不同的熱電偶要配用不同的補償導線，不能用錯，更不能用銅導線代替，否則就達不到補償目的。(2)補償導線的正、負極不能接錯。(3)熱電偶與補償導線連接處的溫度不應(yīng)超出100，否則將會產(chǎn)生一定的測量誤差。2冷端溫度校正法盡管采用補償導線可使熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，但只要冷端溫度不

48、等于0，就必須對測溫儀表指示值加以修正。例如，冷端溫度高于0，但恒定于t0，則測得的熱電勢要小于該熱電偶的分度值，這時不能對照分度表查出被測溫度。為求得真實溫度可利用式(3-2)進行修正，即中間溫度定律： (3-2)式中：被測介質(zhì)實際溫度對應(yīng)的熱電勢；在恒溫t0條件下測得的熱電勢；在恒溫t0條件下熱電偶產(chǎn)生的熱電勢，可查分度表求得。經(jīng)修正后的實際熱電勢，再由分度表中查出與其對應(yīng)的實際被測介質(zhì)溫度。3電橋補償法電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度不在0時引起的熱電勢變化值。使用補償電橋時，應(yīng)當注意以下幾點：(1)不同分度號的熱電偶要配用與熱電偶同型號的補償電橋。(2)補償電

49、橋與熱電偶、電源和測量儀表連接時，要接線正確，特別是電源正負極不可接反。(3)只能在規(guī)定的溫度氛圍使用，一般為040。4冷端恒溫法。目前采用的冷端恒溫法有冰浴法、鐵匣法、油浸法、埋地法、加熱恒溫法等，目的都在于保持冷端溫度的恒定。但應(yīng)當指出，除了冰浴法以外，其它幾種恒溫法都不是將冷端保持在0，因此還必須進行校正。3.2.3 熱電偶測溫與冷端補償線路綜合考慮r型熱電偶的特性和實驗室的實際情況，熱電偶冷端補償時，將熱電偶通過補償導線與補償電橋相連，控制冷端溫度在2030，并加以冷端溫度校正。首先，選擇補償導線。截取常用熱電偶配用補償導線材料及主要特性表得到表3-3。 表3-3 r 型熱電偶配用補償

50、導線材料及主要特性熱電偶名稱 補 償 導 線 正 極 負極 熱端100，冷端0時的材料 顏色 材料 顏色 標準熱電勢（mv）鉑銠13-鉑 銅 紅 銅鎳 綠 0.647+-0.003然后，將熱電偶與補償電橋相連。設(shè)計熱電偶測溫與冷端補償?shù)木唧w線路如圖3-5所示。 圖3-5 熱電偶冷端溫度補償線路電橋的輸出端與熱電偶串聯(lián)，并將熱電偶的冷端與電橋置于同一溫場tm中，橋臂電阻rh是由電阻溫度系數(shù)較大的鎳線繞成，其余橋臂電阻均由電阻溫度數(shù)較小的錳銅線繞成，設(shè)計時調(diào)節(jié)r0，選擇20為電橋平衡溫度。當tm=20時，電橋平衡，a、c兩點電位相等，電橋輸出電壓為零。當tm20時，若熱電偶由于冷端溫度變化使熱電勢

51、產(chǎn)生的變化量為e，此時由于rh阻值變化使a、c兩點電位不等，電橋輸出電壓不為零，自動給出一個補償電勢e'。因為e'和e大小相等、方向相反，這樣便達到自動補償目的。最后，采取補償導線，補償電橋法后，仍需控制冷端在規(guī)定范圍內(nèi)。而在室內(nèi)空調(diào)的調(diào)節(jié)下，使室內(nèi)溫度控制在2030是容易達到的。但仍需對r型熱電偶分度表進行修正，按中間溫度定律(3-2)得到r型熱電偶分度修正表3.4。 表3-4 r型熱電偶分度修正表 分度表：r 參考端溫度：20t,-0 +0 100 200 300 400 500e.mvt,e.mvt,e.mv0.000 0.000 0.758 1.570 2.512 3.

52、519 4.582600 700 800 900 1000 1100 12005.694 6.854 8.061 9.319 10.617 11.961 13.3391300 1400 1500 1600 170014.740 16.151 17.562 18.960 20.3333.2.4 溫度信號放大電路熱電偶測得的溫度信號很?。?-20mv），同時存在強大的干擾，如工頻50hz電壓；而溫度信號設(shè)計放大倍數(shù)為250倍，難于以一級放大電路實現(xiàn)。所以必須設(shè)計具有高性能的放大電路，本文采用了如圖3-6所示的電路結(jié)構(gòu)。另外，為了保證放大的精度，電阻選擇高精度電阻，電容則選聚丙乙烯（cbb無感）電容

53、。圖3-6溫度信號放大電路圖如圖3-6所示，整個放大電路由低通濾波，前置放大器，后置放大器組成。設(shè)計放大倍數(shù)為250倍。為了便于分析，將前置放大器和后置放大器分開進行討論。1前置放大器前置放大器由兩個運放組成的差動放大器，具有高共模抑制比、高輸入阻抗和可變增益等優(yōu)點，是目前儀表儀器中最典型的前置放大器。前置放大器采用運放a1和a2組成并聯(lián)型差動放大器。理論上不難證明，在運算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為無窮大。更值得一提的是，在理論上并聯(lián)型差動放大器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無關(guān)。由a1,a2組成的一級放大器的差模增益為： 2后置放大器由于前置放大器已經(jīng)放大了25倍，后置放大器只需放大10倍就可以達到設(shè)計要求，選用普通差動比例運算放大電路即可。電路中電阻選擇滿足平衡條件r8/r10=r9/r11，得到差模電壓增益由于工頻50hz電壓主要以共模形式存在，幅值可達幾v甚至幾十v，所以必要有很高的共模抑制比。從理論上計算整個電路的共模抑制比： （3-3）或 （3-4） 放大器的總共模抑制比式中：cmrtotal放大器的總共模抑制比；第一級放大器的共模抑制比；第二級放大器的共模抑制