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A/D轉 換 ，由單片機系統進行數據采集和分析處理，一方面由LED顯示現場采集溫度值，另一方面把 該采集信號與鍵盤設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。輸出量控制晶閘管驅動電路，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過程。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 接地體等環節的設計。

　　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，R2、R3、R4均為已知，VREF 為TL431的內部基準電壓，是一恒值，因此電橋的輸出電壓ΔV與ΔR成線性關系，即電橋輸出實現線性化。電阻R2、R3、R4均選溫度系數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 效應進行補償，具體設計方法見文獻［2］。
　　AD524放大的輸出信號經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方式，輸出功率采用PWM脈寬調節，避免負 載電流產生瞬態浪涌過程，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運動中，即要求其按正轉—停—反轉—停—正轉 規律不斷運行，這一過程由圖3的可逆小電機及其控制電路實現，系統要求電機轉速較慢， 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速電路，當8031使P1端輸出低電平、P2端輸出高 電平時，固態繼電器SSR1閉合，電機正轉；當P1端輸出高電平、P2端輸出低電平時，SSR2閉 合，電機反轉，其轉速通過調節R?W控制雙向晶閘管T?1的導通角來實現；當P1端及P2端均 輸出高電平時，可逆電機停止轉動。?

　　系統的軟件包括兩大部分：鍵盤管理系統和智能控制器。鍵盤管理系統提供的功能包括數據 設定、現場溫度顯示、時間顯示、重新啟動、停止控制、數據打印等，提供一個人機交互的 簡單界面。
　　智能控制系統實現現場數據采集，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。人工晶體生長環境存在受控環境變化大，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，也稱內環控制，一級為參數校正控制級 ，也稱外環控制。綜合數據庫為內環和外環所共享，存貯了受控對象的先驗知識、所要求的 品質指標、控制參數的先驗值及系統運行過程的有關動態值等，它為內環和外環提供有效的 控制數據。?

　　內環控制過程同時受到外環監測，當環境相對穩定，主控制級控制效果較好時，參數校正級 就無需調整主控制級的控制參數，一旦受控過程或用戶設定參數變化較大時，主控制級的控 制指標達不到用戶要求時，參數校正級就要投入調整過程，通過調整主控制級的控制參數來 改善主控制級的性能。
　　參數校正級的核心也是一個智能控制器，其輸入參數是受控現場數據、用戶設定、內環控制 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 的控制參數進行調整，這個參數調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“分類分層”的原理進行構造，其推理系統核心也 是啟發式子樹分離算法。推理系統的輸出決定內環控制參數的調整情況，從而提高主控制級 的控制質量。系統設計主控制級的控制參數可動態調整(由參數校正級來完成)，而 參數校正 級的控制參數不能動態調整。?

　　本控溫系統經多家單位投入使用，多年運行表明控溫精度均達0.01℃，工作穩定可靠 。表1是控溫過程的部分測試數據。
　　采用本控溫系統，不僅可提高控溫質量，而且可以 實現溫度自動報警，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的技術及管理水平。?