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1、题 目：MOCVD系统的温度控制研究与设计学 院：信息电子技术学院年 级： 2006级专 业： 电气工程及其自动化姓 名：学 号：指导教师：摘 要GaN系列材料在光电、能量装置等方面有着广阔的应用范围和市场前景。采用MOCVD技术进行GaN系列材料生长具有明显优势。研发具有自主知识产权的MOCVD系统具有十分重要的战略意义。而温度是MOCVD系统中的极为关键的控制量。本文的工作就是设计一个能很好满足要求的温度控制器，主要工作包括了三方面。首先，设计了温度控制器的硬件，总体设计以简单和经济为基本出发点，尽量选用低价的高性能芯片以节省设计成本；并选择串行工作方式，最大程度的节约单片机I/O口。其次
2、，设计了温控器的软件，主要包括A/D采集模块子程序，D/A控制模块子程序、各种接口子程序，并完成了整个软、硬件系统的调试。最后，本文采用了Fuzzy-PID控制算法，该算法既具有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度，又具有Fuzzy控制器动态响应好，达到了上升时间快，超调小的要求，取得了较好的控制效果。关键词 MOCVD；温度控制器；STC单片机；模糊-PID控制AbstractGaN series in photoelectric materials,energy devices,has a good effect,a broadscope of application and market
3、 prospects.And MOCVD technology has obviousadvantages in growing GaN materials.R&D with independent intellectual propertyrights MOCVD system is of great strategic importance.The temperature of MOCVDsystem is crucial in the control volumes.Main work of this paper is to design atemperature controller
4、meeting the requirements perfectly;and the principal tasksinclude the following three aspects.Firstly,hardware of temperature controller should be designed.Economy&simpleare both the key points,using low-cost,high-performance chips to save design cost;serial methods of work is selected to minimum SC
5、M I/O port.Secondly,thetemperature controller on the basis of hardware designed for temperature controlsoftware.Including A/D acquisition module subroutine,D/A control modulesubroutine,the subroutine of other interfaces cicuits,and completed the entirehardware and software system debugging.Finally,t
6、his paper presents FUZZY-PIDcontrol algorithm,as well as with PID controller dynamic tracking quality and steadyprecision,but also has good dynamic response Fuzzy controller,fast rise time,theadvantages of small overshoot,and achieved better control effect.Keywords MOCVD; Temperature controller ;STC
7、-SCM ;Fuzzy-PID目 录摘 要iAbstractii第 1 章绪 论11.1研究MOCVD的目的及意义11.2MOCVD的发展现状11.3MOCVD的基本原理21.4MOCVD系统的温度控制主要内容3第 2 章MOCVD温度控制系统结构52.1MOCVD温度控制系统的硬件组成52.1.1MOCVD温度控制系统结构52.1.2温度控制系统各组成部分及特点62.2MOCVD系统温度控制的特点72.2.1温度控制系统通用特点72.2.2MOCVD系统温度控制的特点82.3MOCVD温度控制系统控制流程82.3.1感应加热原理82.3.2RF感应加热器的温度调节92.3.3温度控制模式92
8、.4本章小结11第 3 章温度控制系统的硬件设计123.1STC89C516RD+芯片及其时钟与复位电路123.1.1STC89系列芯片介绍123.1.2设计选型说明143.1.3时钟电路设计153.1.4复位电路设计153.2温度信号采集及放大电路163.2.1热电偶测温163.2.2冷端补偿173.2.3热电偶测温与冷端补偿线路183.2.4温度信号放大电路193.3A/D转换电路213.3.1双积分ADC工作原理213.3.2A/D转换器ICL7135的技术指标233.3.3A/D转换芯片ICL7125的电路设计233.4D/A口电路253.4.1D/A转换器的基本原理253.4.2D/
9、A转换器DAC7611的技术指标253.4.3D/A转换芯片DAC7611的电路设计263.5温度控制器与上位机通信电路283.6本章小结29第 4 章温度控制器的软件与算法实现304.1温度控制器系统软件的设计304.1.1温度控制器的主程序设计304.1.2A/D转换模块314.1.3D/A转换模块334.2温度控制系统的控制算法的选择344.2.1PID算法基础知识344.2.2Fuzzy（模糊）控制算法简介354.2.3模糊控制的原理374.3Fuzzy-PID复合控制算法374.4本章小结38结论39致 谢40参考文献41附录A 系统硬件连接图42附录B 程序43附录C 中英翻译 T
10、he development Semiconductor Laser45第 1 章 绪 论本章主要介绍了半导体的发展历程和发展方向、MOCVD概况，MOCVD的基本原理，温度控制在MOCVD中的位置，以及本文作者的工作和章节介绍。1.1 研究MOCVD的目的及意义MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)，也叫OMCVD(OrganMetallic Chemical Vapor Deposition)，MOVPE(Metal Organic vapor phase epitaxy)，早在1960就被用于晶体生长。中文译文通常为“金属有机化合物化
11、学气相沉积”，MOCVD以MO化合物为材料源。MOCVD是一种高质量半导体材料生长技术，主要用于生长III-V族化合物半导体材料(如GaAs,AlGa，AsGaN,AlGaN等)、IV族半导体材料(如Si/Ge、金刚石和SiC等)、II-VI族化合物半导体材料(CdTe/HgCdTe、CdZnTe、ZnS、ZnSe、ZnMgSSe、ZnTe等)、以及铁电材料、金属合金、金属薄膜、太阳能电池材料、传感器材料和光学薄膜等。MOCVD是目前GaN及其合金最主要的生长技术。在所有半导体材料制备技术中，MOCVD得到的GaN器件、LED和LD的质量都是最高的。1.2 MOCVD的发展现状GaN的研究起步
12、于60年代末70年代初，是由美国的H.P.Marvska及Pankove等人采用卤化物晶体生长法生长的。进入80年代，分子束外延(MBE)、金属有机化学气相外延(MOCVD)等生长技术的出现，对GaN材料的发展起了很大的促进作用，人们对GaN材料的性质有了更深的了解，GaN也就引起了更多的注意。90年代初，又出现了双气流MOCVD(TFMOCVD)或等离子增强MBE技术生长GaN，直接导致了具有优异结晶学特性和低背景电子浓度GaN及合金材料的出现，并且GaN的p型掺杂也得到了实现。在器件制备方面，不仅己制备出了包括双异质结构和单量子阱蓝光二极管，多量子阱结构的激光二极管以及各种结构的紫外光探测
13、器，而且还部分实现了器件的商品化。到目前为止，MOCVD方法是生长III族氮化物多层结构最主流的方法，也是用来产业化生产III-V族半导体器件的唯一技术。III-V族半导体材料是在30多年前开始的，在80年代比较成熟地应用于AlGaAs/GaAs和In相关的系统，然而在10多年前才第一次报导了采用MOCVD生长III族氮化物。对于GaN材料的生长，一般用三甲基稼(TMG)和氮气分别作为Ga源和N源，氢气和氮气则作为载气。GaN的MOCVD生长的最适宜温度大约为1050，典型的生长速率约为2m /h。1.3 MOCVD的基本原理在半导体和微电子领域中所谓生长得到的半导体材料都是半导体薄膜材料。在
14、材料生长以前，首先要有一片衬底圆片用于在其上生长薄膜材料，然后将衬底圆片放入反应室内的承片台上，再通入生长源气体，在一定的反应室环境（如高温、磁场、等离子体等）下，源材料发生化学反应，生成需要生长薄膜材料的分子团，最后落在衬底圆片，不断积累形成所需的晶体半导体薄膜材料。所谓的“金属有机化合物化学气相淀积”技术中，“金属有机化合物”是指所用的生长源材料为金属有机化合物，“化学”是指发生化学反应，“气相”是指原材料以气相的状态进入反应室发生反应,“淀积”是指反应后生长的半导体材料分子沉积在衬底表面的过程。金属有机化合物(MO源)和载气(氮气或氢气)形成稀释混合物，以低压气流方式进入高温反应室环境中
15、，MO源和反应气体在反应室中分解并沉积在高温衬底表面，形成III-V族化合物半导体晶体外延层(如AlGaAs、InaAsP、InGaN和类似的化合物)，外延层可以为几个nm到几个m。由于金属原子一般很重，主要以固相的方式存在，所以在CVD过程中需要用到MO源，即金属有机化合物。MO源通常是挥发性的，因此可以利用MO的挥发性以气相的方式携带通常不可挥发的金属原子进入反应室。通常在反应室内MO化合物和其它源材料及“氢化物”混合在一起发生化学反应形成化合物半导体薄膜。在GaN材料生长中，一般是将三稼基TMGa和氨气NH3同时引入反应室发生反应，反应后生长的GaN材料沉积到高温衬底上(衬底通常为蓝宝石
16、，衬底温度通常为800-1000)MOCVD系统的主要特性和参数：(1)生长用源材料：MO源：TMGa，TMAl，TMIn，N源：NH3，杂质源：SiH4（N型掺杂），Mg源(P型掺杂)；(2)生长温度：950-1025；(3)加热源：RF感应加热器，IR(红外)灯；(4)载气：H2或N2；(5)圆片尺寸：2英寸，4英寸。MOCVD生长系统的结构如图1-1所示：图1-1 MOCVD生长系统原理图1.4 MOCVD系统的温度控制主要内容温度是MOCVD系统中材料生长的一个重要影响因素，升降温的决慢、温度的高低、保温时间的长短等都对材料的生长有影响，所以温度控制对MOCVD系统至关重要。在自行研制
17、的MOCVD系统中，加热系统是由高频感应加热实现的。高频感应加热是利用铁磁物质在交变磁场中因电磁感应产生涡流而达到自身加热，可以在短时间内获得高的功率密度和负载功率，加热速率可以达到每秒几十度甚至几百度，热效率高达50-75%，具有节省电力，升温速度快，温升高，加热效率高等特点。但是，目前国内绝大多数使用单位仍然停留在自动测量显示温度，开环控制，手动调节的阶段，即操作人员必须根据人工定值，以满足温度控制所需要的变化量。由于各种各样的人为因素干扰以及操作人员的工作责任心和技术水平的限制，温度的超调和大误差难以避免。在各种工程系统，比如化学过程、气动液压系统、生物系统和经济系统中，对温度等这些具有
18、大延时、大滞后的对象的控制，一直是个研究难题。大量资料显示表明，若对象纯滞后时间常数与过程惯性时间常数T之比，即/T0.3，则一般的控制规则难以有较好的控制效果，这种对象在工业控制界被称为“难以控制的环节”。另外，除了上述因素，在自行研制的MOCVD系统中，由于电网波动、石墨块的“记忆”功能（输出不但与初始输入有关，还与以前的输入和状态有很大的关系）、石墨基座与测温热电偶之间的耦合等非线性因素，因此研究一种切实可行、能满足各方面要求的温度自动控制系统显得尤为重要。所以研究工作的重点显然就是设计一个具有可靠的硬件、控制效果好、工程实现方便的温度控制器。本人的主要着手点即在于此。第 2 章 MOC
19、VD温度控制系统结构目前，MOCVD控制系统采用集散控制方式，其中上位机采用工业控制计算机，下位机采用S7-300PLC。上位机完成信号的采集、控制和数据处理功能，位机完成信号的转换功能，直接与工艺现场相连。本文的目标就是设计一个新的具有很强处理能力的温度控制器，它将居于个系统的核心地位。该温控器既完成信号的转换功能，直接与工艺现场相连，又能采集信号、控制过程和处理数据，取代相当部分本来由上位机处完成的功能。具体软硬件设计将在三、四章进行详细讨论。2.1 MOCVD温度控制系统的硬件组成2.1.1 MOCVD温度控制系统结构MOCVD温度控制对象是生长晶片的反应室内的温度。针对材料生长需要快速
20、的升温和降温的工艺，在MOCVD设备的研制中使用高频加热器对反应室的石墨块进行加热，在石墨块的下端有一个热电偶，用来测温并在温度控制器上显示石墨块的当前温度。温控器则通过调节RF感应加热器上的电压，实现温度闭环控制。其加热原理图如图2-1所示。 图2-1 MOCVD加热原理图针对MOCVD系统的工艺要求，本设计同样采用上位机与下位机相结合的方式来控制GaN材料的生长，其中上位机使用工业控制计算机，下位机采用以STC单片机为核心的温度控制器。上位机完成软件的编制，程序的下载，下位机直接与工艺现场相连采集温度信号，该信号转换后，运用合适的控制算法控制感应加热器的工作，从而达到控制反应室温度的要求。
21、红外测温仪测得的温度则仅做监测参考，由上位机接收，在紧急情况下做停机处理。 图2-2 MOCVD控制系统结构图2.1.2 温度控制系统各组成部分及特点本系统中，热电偶负责温度控制系统中的温度信号采集，温度控制器在温度系统中居于核心地位，感应加热器则是GaN材料生长的热源，反应室是材料生长的载体。四者都是MOCVD系统的必要组成部分，以下就是它们的简单介绍：1热电偶热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，在工业中使用极为广泛。热电偶是根据热电效应来工作的，其优点是：(1)测量精度高。热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。(2)测量范围广。常用的热电偶从501600均可连续测量。某些特殊热
22、电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）(3)构造简单、使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系及允许误差，并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。标准化热电偶有S、B、E、K、R、J、T七种，根据各种标准热电偶的测温范围的不同。本系统中采用铂铑13-铂热电偶R型热电偶，它的测温范围是0-1700，输出电压为0-20mV。2温控器系统中所用温控器是本文设计的核心，它是以MOCVD系统为
23、背景，兼顾了 通用性而设计的。温控器具有显示和控制的双重功能，它提供了直流电压和电流两种输入类型，可以进行温度、压力、流量及其它过程量的控制。该控制器具有Fuzzy-PID控制功能，可以设定爬升时间并对过程量进行自动控制，提供模拟电压输出，设定值范围内电压输出为010V。另外，本温控器提供了RS232串口通讯模式，可以实现与计算机之间的数据交换。3感应加热器感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象，长期以来，技术人员都对这一现象有较好地了解，并且在各种场合尽量抑止这种发热现象，来减小损耗。比较常见的如开关电源中的变压器设计，通常设计人员会用各种方法来减小涡流损耗，来提高效率。然而在19世纪末期，
24、技术人员又发现这一现象的有利面，就是可以将之利用到加热场合，来取代一些传统的加热方法。采用感应加热有以下优点：(1)非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触。(2)加热效率高，速度快，可以减小表面氧化现象。(3)容易控制温度，提高加工精度。(4)可实现自动化控制。(5)可减小占地、热辐射、噪声和灰尘。4反应室反应室是源材料在衬底上进行外延生长之处，它对外延层厚度、组分的均匀性、异质结果的梯度、本底杂质的浓度以及外延膜的产量都有极大的影响，是整个MOVCD系统的核心。一般对反应室的基本要求是：无返混，能实现反应气体的瞬时切换，以保证能形成组成突变的异质结；衬底上方处于层流区，无任何形式的涡流，
25、有均匀的温度场及浓度场分布，以保证薄膜具有均匀的厚度与结构。2.2 MOCVD系统温度控制的特点2.2.1 温度控制系统通用特点温度是工业控制中最常见最基本的过程参数之一，温度控制系统有其自身的特点，大致说来有以下两点：(1)系统的精确的物理模型难以得到；(2)系统中普遍存在着非线性、时变和大滞后现象。通常来说，如果控制系统的鲁棒性比较好，可以较好的弥补系统中或者是系统外非线性、时变等因素对系统的影响。但是由于时滞现象的存在，使得对系统温度的控制或者说是对具有大滞后特性的对象的控制，一直以来都是工业控制界的一个难题。2.2.2 MOCVD系统温度控制的特点在工业上，温度控制有一些通用的特点，比
26、方说有延迟等等。但是针对该MOCVD系统硬件的组成，其温度控制有其自己的特点:(1)在生长材料的过程中，由于工程的需要，石墨基座是旋转着的，但是用来测温的热电偶并没有随之旋转。(2)热电偶上端与石墨基座的下表面并不是紧密接触的，而是有一段“空气”间隙。所以所涉及到的“散热”是充斥在其间的气体的辐射散热，而不是接触散热。(3)在实际生长材料的过程中，整个反应室是密封的。因此，测温热电偶所反映出来的温度与石墨块基座下表面的实际温度有一定的“延迟”。(4)用于生长材料的蓝宝石衬底是放在石墨块的上表面的。由于石墨块是热的不良导体，因此对石墨块本身而言，其下表面的温度相对于上表面的温度也有一定的“延迟”
27、。(5)在实际生长材料的过程中，密封反应室内在不同阶段有不同浓度、不同种类的载流气体流过，所以上述两种影响较大的“延迟”的精确的物理模型很难得到。由此可见，“大滞后”、“非线性”和“参数时变”是MOCVD温度控制系统的主要特点。2.3 MOCVD温度控制系统控制流程2.3.1 感应加热原理在MOCVD系统的材料生长过程中，采用高频感应加热器对反应室进行加热。把一个金属工件放在一个强交变磁场中，交变磁场产生大涡流电流流过工件，与这个电流相关的阻抗损失引起工件加热。交变磁场由感应加热线圈或感应器中的交变电流产生。在感应加热线圈中的工件感应功率依赖于给线圈提供的电压和电流。感应加热器的反向换流器（D
28、C-AC）的输出是可变频率。交变电流源的输出通过一个匝数比可变的高频隔绝变压器和一个调谐电容耦合到感应加热器线圈。高频感应电源主要由三个子系统组成：直流电源，隔绝门二极晶体反用换流器和控制系统。通过三相全波桥式整流器、直流扼流线圈以及电容滤波器把三相交流，60Hz输入电压转换为直流电。反用换流器子系统的功能是把直流电转换为感应加热线圈所需的高频交流电。通过改变控制系统产生的基础驱动脉冲的频率，控制提供给负载的功率。控制子系统监控反馈信号，系统保护以及控制输出功率等，这给装置的功率调节和温度控制的实现带来了很大的方便。2.3.2 RF感应加热器的温度调节RF感应加热器输出功率由一个010V之间的
29、直流电压来调节。感应加热器调节功率方式包括由手工调节，自动控制程序调节两种。即是操作者直接或者通过某个控制界面，依据经验，手工调节输出电压；或者是编写自动控制程序，通过控制算法调节与RF值对应的输出电压。为了在自动控制过程中不出现大的超调，同时给手动调节温度模式提供一个参考，需要了解RF感应加热的基本特性，即调节功率的输出电压(0-10V)与温度的近似关系。设0-1000的RF值，对应0-10V的电压。通过实验获得了RF值与温度的粗略对应关系，并绘制曲线图如图2-3所示。 图2-3 温度与RF值近似关系2.3.3 温度控制模式相对而言，手动控制的实现比较容易一些，但是对操作人员的要求比较高。一
30、般是操作人员根据工艺配方表中的温度要求，结合以往的操作经验或者是图2-3中的温度与RF电压的对应关系，将温度要求转换为RF控制电压要求，直接在温度控制部分的控制界面上输入所期望的RF控制电压值，系统会自动通过控制硬件将操作者的控制要求传递到感应加热器，从而实现温度控制。但是由于电网波动等外界的干扰，稳定后的控制精度很难保证在1。介于手动控制模式的明显缺点，需要实现温度的自动控制，即温度控制系统从工艺配方表中读入期望温度值以及达到期望温度所需的时间、允许爬升的时间等参数，并由此计算爬升步数、爬升步长等中间变量，然后将RF电压值逐渐调节为所期望的数值并根据检测到的实际温度进行温度误差比较，当温度误
31、差小到一定值时，进入温度闭环控制。该温度控制系统的控制流程图如图2-4所示。 图2-4 MOCVD系统自动控制流程图D-Temperature:自动-手动控制判断位，其值为0时表示执行自动控制程序。Flag：温度开环-闭环控制判断位，若其值为0，执行温度爬升程序(开环控制)，执行完后flag赋值为l。其值为1，则执行微调控制程序(闭环控制)。整个控制程序采用周期运行的方式进行循环控制，控制周期的设定既要参考组态软件的一般要求，又要考虑对系统资源的占用。在监控系统中各路模拟量和数字量的数据采集与处理也是以一定的周期循环进行。根据实际操作经验，手动控制的时候，系统响应较快，操作人员根据经验，可以很
32、快的将温度调节到期望温度的附近；但缺点是控制精度不高，实际温度很难精确稳定到期望温度值上，而且抗干扰性较差，当电网波动时，系统不能相应的调节输出电压，同时也对操作人员的要求较高，操作人员经验越丰富，控制效果越好。而自动控制时，系统的控制精度、抗干扰性较好，较少依赖操作人员的经验，但是当实际温度与期望温度的差值较大时，系统响应速度比较慢。所以在实际控制时进行手动和自动控制模式相互切换，系统性能可以大大提高。控制模式切换主要由手动与自动控制切换开关D-Temperature参数决定，默认状态为D-Temperature=0，即自控模式。这样在没有操作人员的干预的情况下，系统完全按照上述的自动控制模
33、式来运行。当切换到手动模式时，系统会显示当前的当操作人员点击操作面板上的切换按电压值和实际温度，然后操作人员在此基础上，根据手动调节规律来修改调节RF值。当从手动切换到自动模式时，自动控制程序会自动读入当前的RF电压值和实际温度值，由控制算法来计算、决定RF电压的调节大小和方向等，从而实现温度自动控制。2.4 本章小结本章主要介绍了MOCVD温度控制系统的组成，MOCVD系统温度控制的特点以及MOCVD温度控制系统控制流程。由于MOCVD温度控制系统“大滞后”、“非线”、“参数时变”等特点，而且在电网波动等外界干扰下，手动控制很难保证稳定后的控制精度在1，需要实现温度的自动控制，即对温度控制系
34、统进行闭环控制。因此设计具有较强处理能力的温度控制器是非常必要的。第 3 章 温度控制系统的硬件设计以STC单片机温度为核心的硬件设计是MOCVD系统温度控制器设计的基础，可充分发挥软件的特长而使系统的性能指标达到最优。对温度控制器系统的设计而言，其硬件系统设计的重要性主要体现在，系统做到简单、紧凑、数据传输通道尽量的短。本文以STC89C516RD+芯片作为温温度控制器系统的核心器件，完成了MOCVD温度控制系统各个模块的硬件设计，为温度控制器模型的建立提供了基础。该系统结构框图如图3-1所示。 图3-1 系统结构框图3.1 STC89C516RD+芯片及其时钟与复位电路3.1.1 STC8
35、9系列芯片介绍STC89系列单片机是MCS-51系列单片机的派生产品。它们在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051为pin-to-pin兼容。STC89系列单片机高速(最高时钟频率80MHz)、低功耗，具有在系统和在应用可编程(ISP，IAP)，不占用户资源。主要性能包括有：(1)80C51核心处理器单元，故80C51的汇编语言可以直接移植到这里；(2)3V/5V工作电压，操作频率033MHz；5V工作电压，操作频率040MHz（STC89C516RD+实际最高可达80MHz）；(3)大容量内部数据RAM，1K字节RAM；(4)64/32/16
36、/8KB片内Flash程序存储器，具有在应用可编程(IAP),在系统可编程(ISP)，可实现远程软件升级，无需编程器；(5)支持12时钟(默认)或6时钟模式；(6)双DPTR数据指针；(7)SPI(串行外围接口)和增强型UART；(8)PCA(可编程计数器阵列)，具有PWM的捕获/比较功能；(9)4个8位I/O口，含3个高电流P1口，可直接驱动LED；(10)3个16位定时器/计数器；(11)可编程看门狗定时器(WDT)；(12)低EMI方式(ALE禁止)；(13)兼容TTL和COMS逻辑电平；(14)掉电检测和低功耗模式等。而其中STC单片机最大的优势在于以下四点：1最大可拥有1k bit片
37、内RAM(数据存储器)普通的8051系列单片及片内RAM只有128(8051)或256(8052)字节，低128字节(地址：00H7FH)，可直接或间接寻址，高128字节(地址：80HFFH)，只可间接寻址。STC89系列单片机另外增加了768字节的片内扩展RAM，以解决众多技术人员在编程时的RAM资源严重缺乏的问题。768字节的片内扩展RAM(地址：000H2FFH)与外部扩展RAM地址重叠，单片机可通过软件设置AUXR.1，决定是否使用片内扩展RAM，以防止可能的与外部扩展RAM的冲突，默认为使用片内扩展RAM。264K片内Flash(程序存储器)STC89系列单片机按芯片型号分别有64/
38、32/16/8K片内Flash，分为2个Flash存储块：Block0和Block1。2个Flash存储块在物理上Block0在前，Block1在后。通过REMAP功能可以将Flash块重定位。3ISP技术ISP主要应用于在线(或远程)升级，通过执行ISP引导码改写用户程序，无须编程器，无须亲临现场。STC89系列单片机在出厂时，片内已经烧录有ISP引导码，占用Block1的程序空间前2K字节，并设置为从Block1启动。启动时，首先执行ISP引导码，确认是程序下载，还是正常启动。无论是程序下载还是正常启动，ISP引导码最后总是将REMAP取消，恢复Block0在前8K的地址空间，进而执行Bl
39、ock0中的用户程序，即用户程序总是放在Block0的00H开始的单元，除非用户自行修改了ISP引导码。4STC89系列单片机IAP技术IAP功能就是在应用可编程，利用该功能，就可将本不具有EEPROM的单片机具有相当于EEPROM的功能，而且存储空间远大于EEPROM。IAP不能对自身所在的Block编程，即当程序运行在Block0时，可编程的是Block1；当程序运行在Block1时，可编程的是Block0。根据这个特点，通过REMAP功能可设置在应用编程的Flash的大小。STC89由美国设计，在台湾生产，是目前在相同性能条件下价格最优的一个品种。STC89的高性能及低价格能为设计带来相
40、当的大技术改进和经济的效益。3.1.2 设计选型说明考虑到本设计涉及任务较多、所需的程序存储空间较大、A/D转换要求较高，再考到成本和功耗等因素，故在本设计中选择了STC89C516RD，其结构模块如图3-2所示。 图3-2 STC89C516RD结构模块其基本性能如下：(1)加密性强（程序写入的同时由硬件加密），无法解密。(2)拥有64K程序存储空间和1K字节数据存储空间，无须扩展外部存储器，既能节省成本又可以简化设计。(3)超强抗干扰：高抗静电；轻松通过2KV/4KV脉冲干扰（EFT测试）；宽电压，不怕电源抖动；宽温度范围，-4085；I/O口经过特殊处理。(4)采取了降低单片机时钟对外部
41、电磁辐射的措施：可以禁止ALE输出；选用6时钟/机器周期，可以外部时钟频率可降一半；单片机时钟震荡器增益可设为1/2gain。(5)超低功耗：正常工作模式的典型功耗仅为4mA-7mA。(6)在系统可编程，无须编程器，还可以远程升级，方便操作。(7)价格低廉，拥有如此多功能的STC89C516RD+，报价仅为人民币18元。3.1.3 时钟电路设计XTAL1和XTAL2分别用就能够提供振荡电路的反相器输入和输出端。在使用内部振荡电路时，这两个端子用来外接时钟石英晶体，振荡频率为晶振频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号，电路图如3-3(a)所示；若采用外部振荡电路，侧XTAL1用于输入外部
42、振荡脉冲，该信号直接送至内部时钟电路，而XTAL2悬空，电路图如3-3 (b)所示。在本设计中，使用的是如图3-3 (a)的设计。 图3-3 系统时钟电路3.1.4 复位电路设计51系列片内的复位电路图3-4所示，复位引脚RST/VPD通过片内的施密特触发器（滤除噪音）与片内的复位电路相连。复位电路在每个机器周期的S5P2去采样期的施密特触发器的输出。欲使单片机可靠复位，要求RST/VPD复位端保持2个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平。复位不影响内部RAM中的数据。复位后PC=0000H，指向程序存储器，0000H地址单元，使CPU从首地址0000H单元开始重新执行程序。所以单片机系统在
43、运行出错或进入死循环时，可按复位键重新启动。 图3-4 按键手动复位电路3.2 温度信号采集及放大电路在2.2.1已经提及，热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，有测量精度高，测量范围广，构造简单，使用方便的优点。而本系统中采用铂铑13-铂热电偶R型热电偶，它的测温范围是0-1700，输出电压为0-20mV。本节中将再对热电偶的工作原理、分度表、冷端补偿以及使用过程中需要注意的问题进行讨论。3.2.1 热电偶测温把两根不同质的导体或半导体(A和B)联接起来组成一个闭合回路，该闭合回路叫热电回路。当两导体两个接点1和2处于不同温度T和T0时，回路中就有一定的电流流过，表明回路有电势产生，该电势
44、称为热电势，这种产生热电势的效应叫作热电效应。常用的热电偶由两根化学成分不同的金属导线组成，它们的一端焊接在一起，放入被测介质中，叫做热端。与测量仪表相联的那一端叫冷端。当热端与冷端有温差时，测量仪表便能测出被测介质的温度。热电偶由温差产生的热电势是随介质温度变化而变化的，其关系可由下式表示，即： (3-1)式中：Et热电偶的热电势(V);温度为T时的接触电势(V)；温度度为T0时的接触电势(V)。当热电偶的材料均匀时，热电偶的热电势大小与电极的几何尺寸无关，仅与热电偶材料的成分和热、冷端的温差有关。在通常的测量中要求冷端的温度恒定，此时热电偶的热电势就是被测介质温度的单值函数，即E =f (
45、T)。我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。其中对R型热电偶的分度表解释如表3-1，3-2所示：表3-1铂铑13-铂热电偶（R型）热电偶分度表（ITS-90） 分度表：R 参考端温度：0t,-0 +0 100 200 300 400 500E.mVt,E.mVt,E.mV0.000 0.000 0.647 1.469 20401 30408 4.471600 700 800 900 1000 1100 12005.583 6.743 7.950 9.208 10.506 11.850 13.2281300 1400 1500 1600 170014.629 16.040 17.451 18.849 20.222表3-2 R型热电偶参考温度非0时矫正表t,0 10 20 30 40 50E.mV0.000 0.054 0.111 0.171 0.232 0.2963.2.2 冷端补偿由热电偶测温原理可知，只有当热电偶的冷端温度保持不变，热电势才是被测温度的单值函数，而且，在工程技术上使用的热电偶分度表和根据分度表刻划的测温显示仪表的刻度都是根据冷端温度为0而制作的。另外在实际使用时，由于
