MSP430单片机温度控制系统的设计与实现

【摘要】本文介绍以MSP430系列单片机为核心的材料合成温度控制系统的设计与实现。该设计中采用双路铂铑—铂热电偶温度传感器分别对镓端和砷端温度进行时实检测和控制，用超低温漂移高精度运算放大器OP07进行放大，由单片机运算、处理，执行控制电路采用光耦合双向可控硅控制输出，实现了对砷化镓合成温度的精确控制。

【关键词】单片机;温度控制;运算放大

1.引言

在各种工业生产过程中，温度的测量与控制成为工业控制对象中一个重要的被测控参数。随着电子信息技术的发展，尤其是单片机测量控制技术的迅速发展和广泛应用，利用单片机对温度测控越来越显示出其优越性。单片机具有功能强、体积小、速度快、价格低等特点，广泛应用于各种工业测控系统中。本文介绍以MSP430系列单片机单片机为核心，实现对材料合成温度的测量与控制。

2.系统功能

由Ga-As系统相图得知，在GaAs材料合成过程中，要求温度与组分相匹配。GaAs的化学比不同，其熔点不同，随着砷的比例的增加，熔点升高。只有严格控制砷端和镓端的温度，才能保持整个合成过程为全热相合成。在镓端加热的同时，也加热砷端，使砷升华，砷蒸气扩散到液态镓中与镓化合生成砷化镓。随着Ga-As组分的变化，熔点不断上升。合成完成后砷端615℃，GaAs熔体为1238℃，达到Ga-As体系相平衡，化学比为1：1。合成的关键是砷端和镓端升温速度要相匹配，整个合成过程要求全液相不结晶。需要镓端升温速度为22.5℃/min，砷端升温速度为11.2℃/min，镓端和砷端温度比2：1，需70min完成合成。

3.系统总体设计

材料合成温度控制系统的核心是用单片机来进行数据处理和程序控制。除单片机单元外其他部分由镓端加热器、砷端加热器、热偶温度检测电路、数据放大电路、双路加热控制电路、温度LED显示电路、键盘输入、报警电路等模块构成。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

合成炉由高温端（Ga端）和低温端（As端）两部分构成。加热由氧化铝螺纹管缠绕两组电热丝制成。镓和砷分别放在石英反应管的高温端和低温端并密封。

4.主控制单元设计

系统由单片机完成对双路电阻炉温度信号的读取，数据运算处理，给出加热控制指令，温度显示及报警等功能。本设计采用MSP430F2232单片机。该单片机是一款超低功耗高性能新型单片机，电源电压采取1.8-3.6V低电压供电。内核是16位处理器处理功能强。内部集成模拟/数字、数字/模拟转换器、比较器。如本系统中由热电偶传感器得到的电压信号，放大后不需要模拟/数字转换，便可直接送单片机处理。大大简化了外围电路的设计。片内集成Flash ROM及ROM，可不扩展外存储器。由于内部集成了大量的各种功能模块，只要配置少量的基本的复位电路、时钟电路、电源电路等外围器件，就可满足要求，实现对温度的检测和控制功能。丰富的片上外设，使系统整体结构更为简单实用，同时也降低了系统的成本。

5.温度检测及信号放大

温度检测是将变化的温度值转化为变化的电压信号进行测量。根据温度变化的范围及控温的精度来选用检测元件。合成最高温度1238℃，这样高的温度测量，需要选用耐高温的温度传感器。热电偶传感器电路简单、测量范围广，在高温中保持较高的精度。本设计选用铂铑—铂热电偶，该热电偶测温上限为1300℃可长期工作，最高可达1600℃。热电动势与温度为单值线性关系，测量精度高，稳定。输出电压信号为mV级，满足合成工艺要求。

由于热电偶温度传感器得到的电信号幅度较低，温度在0-1238℃范围内，铂铑—铂热电偶输出的电压在0-13mV范围，此信号不能直接送给单片机处理，需要放大100-200倍，才能达到要求。本设计采用低漂移高精度运算放大器 OP07将温度电压信号进行放大后送单片机处理。由于MSP430F2232单片机内部集成了模/数转换器，可直接进行数据处理。具体放大电路如图2所示。OP07是一种低噪声、低功耗运算放大器，具有非常低的输入失调电压，所以不需要额外设计的调零措施，同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特性，使OP07特别适用于高增益的放大传感器弱信号。

图2 放大电路

6.控制执行电路设计

单片机根据合成温度上升速率的要求和对温度检测的数据进行运算，分别由I/O端口输出镓端和砷端电热丝加热控制信号。单片机I/O口驱动能力有限，不足以直接驱动大功率加热设备。双向可控硅可作为功率驱动器件，其具有双向导通，能在大电流场合使用，且可做无触点开关。本设计采用光耦合双向可控硅驱动器作为输出控制接口，单片机发出的触发信号，经光电耦合器加到双向可控硅的控制极。电路设计如图3所示。为防止大功率设备开关过程产生强电磁干扰，用光耦合器进行隔离，并驱动双向可控硅。R9为触发限流电阻，R10为双向可控硅门极电阻，防止误触发，提高抗干扰能力。当单片机输出高电平时，光耦导通，触发双向可控硅导通，交流接通使加热器电路闭合，开始加热。反之，当单片机输出低电平时，光耦不导通，双向可控硅截止，断开交流通路，停止加热。改变导通的时间即可改变加热功率，达到调节温度的目的。

图3 控制执行电路

7.显示电路及看门狗

系统中加热器的工作状态，温度值需要实时显示。通常一个数码管就要站用CPU的8个I/O端口，本系统显示温度值等需要多个数码管，CPU不可能提供那么多的I/O端口。本设计采用74HC595驱动多只数码管，74HC595是一个串入/8位并行输出驱动器。带锁存器、移位寄存器，可直接驱动发光二极管。具有拉电流和灌电流驱动能力。故可驱动共阳数码管，也可驱动共阴极数码管。通过Q7引脚进行级联。实现多位数码管连接，完成多位温度值的显示。

由于单片机温度控制系统长期工作于有干扰环境中，尤其是加热器交流系统的反复通断会产生大量电磁干扰，容易使单片机程序失控。因此，系统必须采取有力的抗干扰措施，以保证系统稳定运行。本系统采用IMP706看门狗电路设计，单片机定时喂狗，WDI接单片机一个I/O接口，检测单片机状态，当单片机受干扰失控时，IMP706的脚输出一个低电平，送单片机脚，使单片机复位，重新进入正常运行状态。使系统具有良好的抗干扰能力，大大提高了系统的稳定性。

8.小结

材料合成温度控制系统，采用MSP430高性能单片机进行温度数据采集、数据运算处理、输出控制，实现了对镓端和砷端温度的测量、控制和显示等功能。完成了镓端和砷端升温速率的控制及匹配。使整个合成过程为全液相不结晶，满足了工艺的要求。系统温度检测准确，温度控制灵活，电路结构优化，运行稳定，投入到材料合成温度控制作业中，收到了良好的效果。

参考文献

[1]谢楷.MSP430系列单片机系统工程设计与实践[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]李建忠.单片机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[3]欧伟明.单片机原理与应用系统设计[M].北京：电子工业出版社，2009.

作者简介：李庆辉（1957—），男，高级工程师，主要从事电子及单片机技术应用开发和教学工作。

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