于佩伶 呂英俊 張廣林 劉卓偉 黃 旭

（1.山東科技大學(xué)（青島校區(qū)）電氣工程及其自動化學(xué)院 青島 266590）（2.山東科技大學(xué)（濟(jì)南校區(qū)）電氣信息系 濟(jì)南 250031）

1 引言

在半導(dǎo)體制造行業(yè)，溫度對產(chǎn)品的影響十分重要，細(xì)小的溫度變化，直接影響產(chǎn)品成品率。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)品在我們的日常生活中扮演著越來越重要的作用，其品質(zhì)至關(guān)重要［1］。各大半導(dǎo)體制造企業(yè)也早已認(rèn)識到只有高品質(zhì)、低成本的產(chǎn)品才能保證企業(yè)的持續(xù)競爭力。二十一世紀(jì)以來，信息化技術(shù)以及高集成化［2］、高自動化［3］的密閉技術(shù)的飛速進(jìn)步，使得各大半導(dǎo)體制造企業(yè)的生產(chǎn)水平顯著提高，企業(yè)之間的技術(shù)差異也日益消減，市場的競爭力越來越激烈，若不能在產(chǎn)品的品質(zhì)和成本上做出突破，必將淹沒在飛速發(fā)展的時代聲浪中。如Freescale、Infineon等大型高度自動化和高密度型的半導(dǎo)體芯片制造企業(yè)均提出了零缺陷目標(biāo)［4］。而在生產(chǎn)過程中，溫度對成品品質(zhì)的影響不容小視。因此，各大企業(yè)在密閉系統(tǒng)中對溫度的控制提出了更高的要求。

本文在采用STM32單片機(jī)系統(tǒng)為主控芯片構(gòu)建了密閉系統(tǒng)溫度控制的系統(tǒng)框架，并運用高精度電壓溫壓芯片REF和部分調(diào)整電路，確保系統(tǒng)的溫度分辨率能達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。通過MOC3021驅(qū)動雙向可控硅BTA41600B的方法達(dá)到升溫控制效果，并結(jié)合PWM控制制冷片的方式進(jìn)行降溫，穩(wěn)控部分運用庫函數(shù)的方式實現(xiàn)分段PID控制算法的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所提方案采用了STM32單片機(jī)［5］系統(tǒng)為主控芯片，STM32內(nèi)部含有2個12位μs級A/D轉(zhuǎn)換器，最多多達(dá)11個定時器（4個16位普通定時器，2個高級控制定時器，2個基本定時器，2個看門狗定時器和1個Systick定時器），同時還具有其他豐富的外設(shè)接口，可以滿足用戶多樣性的需求。在溫度控制方面，為了使系統(tǒng)在運行時更加的穩(wěn)定可靠且精度達(dá)標(biāo)，本文采用了通過控制可控硅［6］的相角來實現(xiàn)加熱升溫以及PWM控制直流電壓實現(xiàn)降溫。同時，通過實現(xiàn)分段PID控制算法來保證系統(tǒng)的精確性。

2.2 工作原理

該溫度控制系統(tǒng)主要是對系統(tǒng)內(nèi)部的溫度進(jìn)行精確采集，控制，儲存和顯示，圖1所示。通過高精度溫度傳感器感應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部溫度并進(jìn)行溫度采集，采集到的電信號再經(jīng)過信號處理電路的處理之后以電壓信號的方式傳送給STM32主控芯片，STM32芯片內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器將處理過后的電壓信號轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量［7］，通過信號傳輸模塊將處理過的數(shù)字信號實時的傳送給上位機(jī)，上位機(jī)通過清晰明了的界面將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時人性化的上位機(jī)界面也可以讓工作人員操作更加快捷便利。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 硬件電路設(shè)計

3.1 溫度采樣

為了使采集到的溫度信號更加精確，系統(tǒng)采用了橋式電路，溫度傳感器選用PT1000鉑電阻溫度傳感器。傳感器采集到的信號傳輸?shù)接蓛x表運算放大器AD620和OP07組成的信號調(diào)理電路［8］。經(jīng)過調(diào)理電路之后，信號被傳輸至STM32內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換。同時，采用了高精度電壓溫壓芯片REF和部分的調(diào)整電路，確保系統(tǒng)的溫度分辨率能達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。電路圖如圖2所示。

圖2 溫度采集電路

3.2 升溫驅(qū)動電路

升溫控制驅(qū)動電路如圖3所示，MOC3021是即時觸發(fā)的可控硅輸出的光電耦合器［9］，MOC3021內(nèi)部有一個小功率的雙向可控硅。系統(tǒng)采用了通過MOC3021驅(qū)動雙向可控硅BTA41600B的方法達(dá)到升溫控制效果［10］。在MOC3021中還存在一個發(fā)光二極管，可以通過發(fā)光二極管的亮暗來確認(rèn)加熱控制是否輸入。加熱設(shè)備均使用220V交流供電。

圖3 升溫驅(qū)動電路

3.3 降溫驅(qū)動電路

降溫電路如圖4所示，采用了通過PWM控制制冷片的方式進(jìn)行降溫，制冷片采用了12V的直流供電。PWM占空比將由PID控制算法計算得出，同時周期采用0.01s。并且降溫驅(qū)動電路采用了光耦隔離的方式隔斷電氣連接上的傳導(dǎo)干擾。

圖4 降溫驅(qū)動電路

4 軟件設(shè)計

由于STM32微控制器擁有的寄存器較多，以往采用的配置寄存器方法操作芯片過于復(fù)雜，雖然使用配置寄存器的方法可以更加地了解程序的流程和底層的實現(xiàn)，但是開發(fā)周期過長而且提高了后期移植和維護(hù)的難度。所以采用了庫函數(shù)法［11］進(jìn)行嵌入式編程。為了推廣庫函數(shù)法，意法半導(dǎo)體公司提供了完整而細(xì)致的官方固件開發(fā)包。開發(fā)包完成了所有的底層操作，免去了配置寄存器的麻煩，從而大大提高了STM32用戶的開發(fā)編程效率。

4.1 主程序設(shè)計

主程序是軟件設(shè)計的中樞，負(fù)責(zé)整個程序的流程，系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時鐘的開啟、I/O口初始化、串口和ADC的初始化，同時給出程序執(zhí)行所需變量的定義，其流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

4.2 PID控制算法

PID控制［12］即為按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制。PID控制的優(yōu)點在于其原理通俗易懂，實現(xiàn)快捷方便，適用范圍廣泛，各控制參數(shù)相互獨立且參數(shù)選定沒有過多或者過于復(fù)雜的限定，與此同時，在面對控制過程中兩大典型的對象——“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對象時，PID控制器也早已被證明是最優(yōu)控制。因此，PID控制器是現(xiàn)今應(yīng)用范圍最廣的自動控制器。

該系統(tǒng)升溫和降溫部分均采用PID控制算法。經(jīng)過計算和結(jié)果驗證，在升溫控制算法中將電壓的有效值作為PID控制量，在降溫控制算法中將PWM作為控制量。同時，該溫控系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此采用PID增量型控制算法。數(shù)字PID增量控制算法的表達(dá)式如下所示。

其中，e(k-1)與e(k-2)分別代表一階滯后與二階滯后，KP為比例系數(shù)；KI=KPT/TI為積分系數(shù)；KD=KPTD/T為調(diào)整系數(shù)。

5 功能測試

為了驗證本研究所提出的基于STM32的密閉系統(tǒng)溫度控制有效性，課題組所購煎炸油構(gòu)造油封無氧的密閉系統(tǒng)，鑒于煎炸油溫度的10℃～200℃中均為液體狀態(tài)，因此重點檢測了溫度控制系統(tǒng)在各溫度界定值處的準(zhǔn)確度和誤差精度。測量電路實物如圖6所示，其中USB充電電路可微制冷片提供12V的直流供電。

系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件調(diào)試后，能正常實現(xiàn)溫度的采集，控制，監(jiān)控。溫控系統(tǒng)實驗結(jié)果如表1所示。

圖6 電路實物圖

表1 控溫系統(tǒng)實驗結(jié)果

圖7 實驗數(shù)據(jù)采樣圖

根據(jù)表1所示實驗結(jié)果進(jìn)行分析，得到圖7，可以看出溫控系統(tǒng)在10℃～140℃內(nèi)，控溫最大誤差在0.7℃，小于1℃，誤差率在0.1%～3.5%，小于4%，當(dāng)溫度設(shè)定值達(dá)到60℃以上時，誤差率均低于1%，滿足設(shè)計需求。

6 結(jié)語

本文設(shè)計了一種密閉系統(tǒng)內(nèi)部的溫度控制系統(tǒng)，采用了高性能的STM32F103ZET6作為主控芯片，硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，采用了兩種不同的方案實現(xiàn)控溫的上升和下降，同時也采用了如高精度電壓溫壓芯片REF和光耦隔離等方式，簡化電路的同時屏蔽了干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。軟件方面，通過庫函數(shù)的方式實現(xiàn)分段PID控制算法，大大提高了溫度控制的精確度和可靠性。

參考文獻(xiàn)

［1］邵虹幃，朱凌云.基于模糊PID的染色機(jī)溫控系統(tǒng)設(shè)計［J］.石油化工自動化，2017，53（06）：28-32.

［2］Kurita K L，Glassey E，Linington R G.Integration of high-content screening and untargeted metabolomics for comprehensive functional annotation of natural product li?braries［J］.Proceedings of the National Academy of Sci?ences，2015，112（39）：11999-12004.

［3］Lansaat L，de Kleijn B J，Hilgers F J M，et al.A prospec?tive multicenter clinical feasibility study of a new automat?ic speaking valve for postlaryngectomy voice rehabilitation［J］. European ArchivesofOto-Rhino-Laryngology，2017，274（2）：1005-1013.

［4］端點星.半導(dǎo)體芯片工藝節(jié)點演變路徑分析［J］.集成電路應(yīng)用，2017，34（10）：53-60.

［5］王豐元，鐘健，楊立超，等.基于STM32單片機(jī)的卡車制動器溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2017（06）：65-69.

［6］王坤，安寧.大功率可控硅整流柜的散熱分析與計算［J］.機(jī)電信息，2017（36）：136-137.

［7］王勤湧，許明海，章雙磊.基于STM32的多網(wǎng)絡(luò)人防警報終端設(shè)計［J］.計算機(jī)測量與控制，2016，24（01）：237-239.

［8］韓冬.氮氧化物檢測傳感器信號處理裝置設(shè)計［J］.電子世界，2017（15）：121-122.

［9］杜言魯，丁亞林，許永森，等.機(jī)載光電平臺隔振系統(tǒng)振動 耦 合 分 析［J］.中 國 機(jī) 械 工 程 ，2015，26（21）：2880-2884.

［10］王西亞.直線式空調(diào)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的研究設(shè)計［J］.自動化與儀器儀表，2017（09）：111-113.

［11］張辛，郭紹忠，曹代，等.國產(chǎn)CPU基礎(chǔ)數(shù)學(xué)庫函數(shù)測試數(shù)據(jù)生成研究［J］.信息工程大學(xué)學(xué)報，2017，18（02）：227-230，235.

［12］張金玲，蘇海軍，傅正財.基于ARM的無位置傳感器BLDCM控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電氣自動化，2017，39（06）：85-87，90.