晶體生長(cháng)控制中的高精度控溫系統

High Precision Temperature Control System in the Crystal Growth Control

YANG Qi, YANG Xiaoling

(Physics and Information Engineering College, Fuzhou University,
Fuzh ou 350002, China)

　　Keywords: crystal growth; thermo?control; signal processing

1系統硬件組成
　　晶體生長(cháng)控溫系統如圖1所示，高精度溫度?變送器把檢測到的微弱溫差信號放大后經(jīng)A/D轉 換 ，由單片機系統進(jìn)行數據采集和分析處理，一方面由LED顯示現場(chǎng)采集溫度值，另一方面把 該采集信號與鍵盤(pán)設置的溫度值進(jìn)行比較，提取溫差量及溫差變化量，作為智能控制的輸入 參數。輸出量控制晶閘管驅動(dòng)電路，進(jìn)一步控制加熱棒的功率，達到控溫目的。由于晶體生 長(cháng)是在旋轉運動(dòng)下進(jìn)行的，因此，整個(gè)載晶裝置由一可逆電機控制其旋轉過(guò)程。此外系統還 設計了微打接口及溫度越限聲光報警電路。
1.1高精度溫度變送器
　　系統選用Pt100作為溫度傳感器。它的溫度系數α=0.00385/℃，對于0.001℃ 的微小溫差變化，Pt100的電阻值變化約為0.385mΩ，如此小的電阻變化量經(jīng)電橋轉 換后，電信號最大也只能達到0.5～1μV，因此處理微伏級弱信號的接口調理方法， 包括高精度不平衡直流電橋，低截頻模擬濾波器，低噪聲、低漂移、高靈敏度直流放大器及 接地體等環(huán)節的設計。

　　由圖2電路可知：
　　
　　?
當電橋平衡時(shí)有：R1R4=R2R3，RT=R1+ΔR 。代入上式并整理得：
　　?
　　對于具體溫度測控系統，R2、R3、R4均為已知，VREF 為T(mén)L431的內部基準電壓，是一恒值，因此電橋的輸出電壓ΔV與ΔR成線(xiàn)性關(guān)系，即電橋輸出實(shí)現線(xiàn)性化。電阻R2、R3、R4均選溫度系數小且同方向變化的線(xiàn)繞精密電阻，這樣電橋輸出信號達到高穩定度目的。
　　選擇AD524作為溫度變送器的放大電路，其增益可由外接電阻RG調整，RG的溫度效應將 引起AD524放大倍數漂移或精密度等級下降，在高精度控溫系統中，必須對增益電阻的溫度 效應進(jìn)行補償，具體設計方法見(jiàn)文獻［2］。
　　AD524放大的輸出信號經(jīng)其后接的二階低通濾波器濾除電源干擾，RC濾波器的通帶寬度設計 為1.4Hz，它適用于緩慢變化溫度信號的帶通要求，而對于高頻干擾信號，低通 濾波 器具有良好的抗干擾能力。此外，輸入信號采用雙絞屏蔽線(xiàn)連接，以降低外界電磁干擾，放 大器的輸入端采用緊密的對稱(chēng)布局，降低接點(diǎn)熱偶效應的影響，提高系統的穩定性。
1.2單片機系統及其接口
　　溫度變送電路的輸出信號，經(jīng)16位A/D轉換器AD976轉換和8031構成的智能控制系統分析處理 后，由LED顯示現場(chǎng)溫度值，同時(shí)輸出信號控制晶閘管電路工作情況，從而控制槽中加熱棒 的工作，達到控溫的目的。晶閘管采用過(guò)零觸發(fā)方式，輸出功率采用PWM脈寬調節，避免負 載電流產(chǎn)生瞬態(tài)浪涌過(guò)程，減少射頻干擾及延長(cháng)晶閘管的使用壽命。
　　為使晶體生長(cháng)均勻，要求載晶裝置處于旋轉運動(dòng)中，即要求其按正轉—?！崔D—?！D 規律不斷運行，這一過(guò)程由圖3的可逆小電機及其控制電路實(shí)現，系統要求電機轉速較慢， 扭矩有較大的動(dòng)力，因此選用10瓦ND-30型可逆電機，其中C1為電機起動(dòng)電容，T1、T 2、R、C2、RW組成雙向晶閘管電機調速電路，當8031使P1端輸出低電平、P2端輸出高 電平時(shí)，固態(tài)繼電器SSR1閉合，電機正轉；當P1端輸出高電平、P2端輸出低電平時(shí)，SSR2閉 合，電機反轉，其轉速通過(guò)調節R?W控制雙向晶閘管T?1的導通角來(lái)實(shí)現；當P1端及P2端均 輸出高電平時(shí)，可逆電機停止轉動(dòng)。?

　　系統的軟件包括兩大部分：鍵盤(pán)管理系統和智能控制器。鍵盤(pán)管理系統提供的功能包括數據 設定、現場(chǎng)溫度顯示、時(shí)間顯示、重新啟動(dòng)、停止控制、數據打印等，提供一個(gè)人機交互的 簡(jiǎn)單界面。
　　智能控制系統實(shí)現現場(chǎng)數據采集，智能控制算法以及受控過(guò)程的輸出控制等，其原理框圖如 圖4所示。人工晶體生長(cháng)環(huán)境存在受控環(huán)境變化大，工藝曲線(xiàn)不確實(shí)，真實(shí)信號難采集等特 點(diǎn)，因此采用二級智能控制策略：一級為主控制級，也稱(chēng)內環(huán)控制，一級為參數校正控制級 ，也稱(chēng)外環(huán)控制。綜合數據庫為內環(huán)和外環(huán)所共享，存貯了受控對象的先驗知識、所要求的 品質(zhì)指標、控制參數的先驗值及系統運行過(guò)程的有關(guān)動(dòng)態(tài)值等，它為內環(huán)和外環(huán)提供有效的 控制數據。?

　　內環(huán)控制過(guò)程同時(shí)受到外環(huán)監測，當環(huán)境相對穩定，主控制級控制效果較好時(shí)，參數校正級 就無(wú)需調整主控制級的控制參數，一旦受控過(guò)程或用戶(hù)設定參數變化較大時(shí)，主控制級的控 制指標達不到用戶(hù)要求時(shí)，參數校正級就要投入調整過(guò)程，通過(guò)調整主控制級的控制參數來(lái) 改善主控制級的性能。
　　參數校正級的核心也是一個(gè)智能控制器，其輸入參數是受控現場(chǎng)數據、用戶(hù)設定、內環(huán)控制 情況等，受控對象是主控制級的控制參數，其變化范圍較小。輸入參數經(jīng)數據規范化處理后 ，作為參數校正推理系統的推理條件，根據參數校正的相應規則，對綜合數據庫中主控制級 的控制參數進(jìn)行調整，這個(gè)參數調整過(guò)程也可多次進(jìn)行，直到主控制級的控制效果得到改善 ，參數校正才停止對主控制級控制參數的調整。參數校正控制采用的規則是IFTHEN 的形式，規則集也是按照“分類(lèi)分層”的原理進(jìn)行構造，其推理系統核心也 是啟發(fā)式子樹(shù)分離算法。推理系統的輸出決定內環(huán)控制參數的調整情況，從而提高主控制級 的控制質(zhì)量。系統設計主控制級的控制參數可動(dòng)態(tài)調整(由參數校正級來(lái)完成)，而 參數校正 級的控制參數不能動(dòng)態(tài)調整。?

　　本控溫系統經(jīng)多家單位投入使用，多年運行表明控溫精度均達0.01℃，工作穩定可靠 。表1是控溫過(guò)程的部分測試數據。
　　采用本控溫系統，不僅可提高控溫質(zhì)量，而且可以 實(shí)現溫度自動(dòng)報警，參數制表，數據打印 ，資料存檔等功能，有效地提高了晶體生產(chǎn)的技術(shù)及管理水平.