MSP430單片機溫度控制系統的設計與實現

【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的設計與實現。該設計中采用雙路鉑銠—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，執行控制電路采用光耦合雙向可控硅控制輸出，實現了對砷化鎵合成溫度的精確控制。

【關鍵詞】單片機;溫度控制;運算放大

1.引言

在各種工業生產過程中，溫度的測量與控制成為工業控制對象中一個重要的被測控參數。隨著電子信息技術的發展，尤其是單片機測量控制技術的迅速發展和廣泛應用，利用單片機對溫度測控越來越顯示出其優越性。單片機具有功能強、體積小、速度快、價格低等特點，廣泛應用于各種工業測控系統中。本文介紹以MSP430系列單片機單片機為核心，實現對材料合成溫度的測量與控制。

2.系統功能

由Ga-As系統相圖得知，在GaAs材料合成過程中，要求溫度與組分相匹配。GaAs的化學比不同，其熔點不同，隨著砷的比例的增加，熔點升高。只有嚴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，化學比為1：1。合成的關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.系統總體設計

材料合成溫度控制系統的核心是用單片機來進行數據處理和程序控制。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、數據放大電路、雙路加熱控制電路、溫度LED顯示電路、鍵盤輸入、報警電路等模塊構成。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

合成爐由高溫端（Ga端）和低溫端（As端）兩部分構成。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管的高溫端和低溫端并密封。

4.主控制單元設計

系統由單片機完成對雙路電阻爐溫度信號的讀取，數據運算處理，給出加熱控制指令，溫度顯示及報警等功能。本設計采用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。內核是16位處理器處理功能強。內部集成模擬/數字、數字/模擬轉換器、比較器。如本系統中由熱電偶傳感器得到的電壓信號，放大后不需要模擬/數字轉換，便可直接送單片機處理。大大簡化了外圍電路的設計。片內集成Flash ROM及ROM，可不擴展外存儲器。由于內部集成了大量的各種功能模塊，只要配置少量的基本的復位電路、時鐘電路、電源電路等外圍器件，就可滿足要求，實現對溫度的檢測和控制功能。豐富的片上外設，使系統整體結構更為簡單實用，同時也降低了系統的成本。

5.溫度檢測及信號放大

溫度檢測是將變化的溫度值轉化為變化的電壓信號進行測量。根據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系，測量精度高，穩定。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，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單片機內部集成了模/數轉換器，可直接進行數據處理。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電壓，所以不需要額外設計的調零措施，同時具有輸入偏置電流低和開環增益高的特性，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.控制執行電路設計

單片機根據合成溫度上升速率的要求和對溫度檢測的數據進行運算，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口驅動能力有限，不足以直接驅動大功率加熱設備。雙向可控硅可作為功率驅動器件，其具有雙向導通，能在大電流場合使用，且可做無觸點開關。本設計采用光耦合雙向可控硅驅動器作為輸出控制接口，單片機發出的觸發信號，經光電耦合器加到雙向可控硅的控制極。電路設計如圖3所示。為防止大功率設備開關過程產生強電磁干擾，用光耦合器進行隔離，并驅動雙向可控硅。R9為觸發限流電阻，R10為雙向可控硅門極電阻，防止誤觸發，提高抗干擾能力。當單片機輸出高電平時，光耦導通，觸發雙向可控硅導通，交流接通使加熱器電路閉合，開始加熱。反之，當單片機輸出低電平時，光耦不導通，雙向可控硅截止，斷開交流通路，停止加熱。改變導通的時間即可改變加熱功率，達到調節溫度的目的。

圖3 控制執行電路

7.顯示電路及看門狗

系統中加熱器的工作狀態，溫度值需要實時顯示。通常一個數碼管就要站用CPU的8個I/O端口，本系統顯示溫度值等需要多個數碼管，CPU不可能提供那么多的I/O端口。本設計采用74HC595驅動多只數碼管，74HC595是一個串入/8位并行輸出驅動器。帶鎖存器、移位寄存器，可直接驅動發光二極管。具有拉電流和灌電流驅動能力。故可驅動共陽數碼管，也可驅動共陰極數碼管。通過Q7引腳進行級聯。實現多位數碼管連接，完成多位溫度值的顯示。

由于單片機溫度控制系統長期工作于有干擾環境中，尤其是加熱器交流系統的反復通斷會產生大量電磁干擾，容易使單片機程序失控。因此，系統必須采取有力的抗干擾措施，以保證系統穩定運行。本系統采用IMP706看門狗電路設計，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，當單片機受干擾失控時，IMP706的腳輸出一個低電平，送單片機腳，使單片機復位，重新進入正常運行狀態。使系統具有良好的抗干擾能力，大大提高了系統的穩定性。

8.小結

材料合成溫度控制系統，采用MSP430高性能單片機進行溫度數據采集、數據運算處理、輸出控制，實現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晶，滿足了工藝的要求。系統溫度檢測準確，溫度控制靈活，電路結構優化，運行穩定，投入到材料合成溫度控制作業中，收到了良好的效果。

參考文獻

[1]謝楷.MSP430系列單片機系統工程設計與實踐[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]李建忠.單片機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[3]歐偉明.單片機原理與應用系統設計[M].北京：電子工業出版社，2009.

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應用開發和教學工作。