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(tǒng)硬件組成
　　晶體生長控溫系統(tǒng)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(zhuǎn) 換 ，由單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和分析處理，一方面由LED顯示現(xiàn)場采集溫度值，另一方面把 該采集信號與鍵盤設(shè)置的溫度值進行比較，提取溫差量及溫差變化量，作為智能控制的輸入 參數(shù)。輸出量控制晶閘管驅(qū)動電路，進一步控制加熱棒的功率，達到控溫目的。由于晶體生 長是在旋轉(zhuǎn)運動下進行的，因此，整個載晶裝置由一可逆電機控制其旋轉(zhuǎn)過程。此外系統(tǒng)還 設(shè)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(tǒng)選用Pt100作為溫度傳感器。它的溫度系數(shù)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(zhuǎn) 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(diào)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(jié)的設(shè)計。

　　由圖2電路可知：
　　
　　?
當電橋平衡時有：R1R4=R2R3，RT=R1+ΔR 。代入上式并整理得：
　　?
　　對于具體溫度測控系統(tǒng)，R2、R3、R4均為已知，VREF 為TL431的內(nèi)部基準電壓，是一恒值，因此電橋的輸出電壓ΔV與ΔR成線性關(guān)系，即電橋輸出實現(xiàn)線性化。電阻R2、R3、R4均選溫度系數(shù)小且同方向變化的線繞精密電阻，這樣電橋輸出信號達到高穩(wěn)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(diào)整，RG的溫度效應(yīng)將 引起AD524放大倍數(shù)漂移或精密度等級下降，在高精度控溫系統(tǒng)中，必須對增益電阻的溫度 效應(yīng)進行補償，具體設(shè)計方法見文獻［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(shè)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布局，降低接點熱偶效應(yīng)的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
1.2單片機系統(tǒng)及其接口
　　溫度變送電路的輸出信號，經(jīng)16位A/D轉(zhuǎn)換器AD976轉(zhuǎn)換和8031構(gòu)成的智能控制系統(tǒng)分析處理 后，由LED顯示現(xiàn)場溫度值，同時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。晶閘管采用過零觸發(fā)方式，輸出功率采用PWM脈寬調(diào)節(jié)，避免負 載電流產(chǎn)生瞬態(tài)浪涌過程，減少射頻干擾及延長晶閘管的使用壽命。
　　為使晶體生長均勻，要求載晶裝置處于旋轉(zhuǎn)運動中，即要求其按正轉(zhuǎn)—?！崔D(zhuǎn)—停—正轉(zhuǎn) 規(guī)律不斷運行，這一過程由圖3的可逆小電機及其控制電路實現(xiàn)，系統(tǒng)要求電機轉(zhuǎn)速較慢， 扭矩有較大的動力，因此選用10瓦ND-30型可逆電機，其中C1為電機起動電容，T1、T 2、R、C2、RW組成雙向晶閘管電機調(diào)速電路，當8031使P1端輸出低電平、P2端輸出高 電平時，固態(tài)繼電器SSR1閉合，電機正轉(zhuǎn)；當P1端輸出高電平、P2端輸出低電平時，SSR2閉 合，電機反轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)R?W控制雙向晶閘管T?1的導通角來實現(xiàn)；當P1端及P2端均 輸出高電平時，可逆電機停止轉(zhuǎn)動。?

　　系統(tǒng)的軟件包括兩大部分：鍵盤管理系統(tǒng)和智能控制器。鍵盤管理系統(tǒng)提供的功能包括數(shù)據(jù) 設(shè)定、現(xiàn)場溫度顯示、時間顯示、重新啟動、停止控制、數(shù)據(jù)打印等，提供一個人機交互的 簡單界面。
　　智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，智能控制算法以及受控過程的輸出控制等，其原理框圖如 圖4所示。人工晶體生長環(huán)境存在受控環(huán)境變化大，工藝曲線不確實，真實信號難采集等特 點，因此采用二級智能控制策略：一級為主控制級，也稱內(nèi)環(huán)控制，一級為參數(shù)校正控制級 ，也稱外環(huán)控制。綜合數(shù)據(jù)庫為內(nèi)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(shù)的先驗值及系統(tǒng)運行過程的有關(guān)動態(tài)值等，它為內(nèi)環(huán)和外環(huán)提供有效的 控制數(shù)據(jù)。?

　　內(nèi)環(huán)控制過程同時受到外環(huán)監(jiān)測，當環(huán)境相對穩(wěn)定，主控制級控制效果較好時，參數(shù)校正級 就無需調(diào)整主控制級的控制參數(shù)，一旦受控過程或用戶設(shè)定參數(shù)變化較大時，主控制級的控 制指標達不到用戶要求時，參數(shù)校正級就要投入調(diào)整過程，通過調(diào)整主控制級的控制參數(shù)來 改善主控制級的性能。
　　參數(shù)校正級的核心也是一個智能控制器，其輸入?yún)?shù)是受控現(xiàn)場數(shù)據(jù)、用戶設(shè)定、內(nèi)環(huán)控制 情況等，受控對象是主控制級的控制參數(shù)，其變化范圍較小。輸入?yún)?shù)經(jīng)數(shù)據(jù)規(guī)范化處理后 ，作為參數(shù)校正推理系統(tǒng)的推理條件，根據(jù)參數(shù)校正的相應(yīng)規(guī)則，對綜合數(shù)據(jù)庫中主控制級 的控制參數(shù)進行調(diào)整，這個參數(shù)調(diào)整過程也可多次進行，直到主控制級的控制效果得到改善 ，參數(shù)校正才停止對主控制級控制參數(shù)的調(diào)整。參數(shù)校正控制采用的規(guī)則是IFTHEN 的形式，規(guī)則集也是按照“分類分層”的原理進行構(gòu)造，其推理系統(tǒng)核心也 是啟發(fā)式子樹分離算法。推理系統(tǒng)的輸出決定內(nèi)環(huán)控制參數(shù)的調(diào)整情況，從而提高主控制級 的控制質(zhì)量。系統(tǒng)設(shè)計主控制級的控制參數(shù)可動態(tài)調(diào)整(由參數(shù)校正級來完成)，而 參數(shù)校正 級的控制參數(shù)不能動態(tài)調(diào)整。?

　　本控溫系統(tǒng)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(wěn)定可靠 。表1是控溫過程的部分測試數(shù)據(jù)。
　　采用本控溫系統(tǒng)，不僅可提高控溫質(zhì)量，而且可以 實現(xiàn)溫度自動報警，參數(shù)制表，數(shù)據(jù)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。?