单晶炉温度控制系统

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 微型计算机控制技术微型计算机控制技术课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：单晶炉温度控制系统设计单晶炉温度控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化093093 学学 号：号： 090302084090302084 学生姓名：学生姓名： 宋进帅宋进帅 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 课程设计（论文）报告的内容及其文本格式课程设计（论文）报告的内容及其文本格式 1、课程设计（论文）报告要求用 a4 纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括： 封面（包括题目、院系、专业班级、学生学

2、号、学生姓名、指导教师姓名、起止时间等） 设计(论文)任务及评语 中文摘要 （黑体小二，居中，不少于 200 字） 目录 正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等） 参考文献 2、课程设计（论文）正文参考字数：2000 字周数。 3、封面格式 4、设计（论文）任务及评语格式 5、目录格式 标题“目录”（ 小二号、黑体、居中） 章标题（四号字、黑体、居左） 节标题（小四号字、宋体） 页码（小四号字、宋体、居右） 6、正文格式 页边距：上 2.5cm，下 2.5cm，左 3cm，右 2.5cm，页眉 1.5cm，页脚 1.75cm，左侧装订； 字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级标题，黑体

3、小三、居左；三级标题，黑体四号；正 文文字，小四号字、宋体； 行距：20 磅行距； 页码：底部居中，五号、黑体； 7、参考文献格式 标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。 示例：（五号宋体） 期刊类：序号作者 1,作者 2,作者 n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:页次. 图书类：序号作者 1,作者 2,作者 n.书名.版本.出版地:出版社，出版年:页次. 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程题目电子计时器的设计 课程设计（论文）任

4、务 功能功能：计时器在工业生产、人民生活中具有重要的作用，计时器可分为指针式和数字 式两种类型。指针式计时器是传统的显示方式，指示的时间精确度较低；而数字式计时器 则直接用数字显示时间，读数直观，一般可精确到秒，并且具有较多的实用功能。设计要 求利用单片机完成较为精确的计时操作，并能根据情况对其功能进行扩展。 设计任务及要求设计任务及要求 1、分析系统功能，确定系统硬件组成； 2、设计系统的硬件电路图； 3、编写相应的软件，完成控制系统的控制要求； 4、上机调试、完善程序； 技术参数：技术参数：上电自动显示时、分、秒；设置一个控制按键，按下按键，则时钟以秒为 单位开始计时；运行状态下可通过控制

5、按键使时钟暂停，同时显示已计时数值；停止状态 下（已上电） ，按下复位按钮，时钟复位（清零） ，并进入下一次计时状态。 进度计划 1、布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1 天） 2、硬件设计（2 天） 3、按系统的控制要求，完成软件设计（2 天） 4、上机调试、修改程序（2 天） 5、撰写、打印设计说明书（2 天） 6、答辩（1天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 摘 要 单晶炉是以直拉法从熔化的多晶硅熔液中生长硅单晶的电子专用设备。而等 径控制是单晶炉自动控制的核心。单晶直径在生长过程中可受到温度、提拉速度 与转速、坩埚跟踪速度与转速、

6、保护气体的流速与温度等因素的影响。在忽略一 些干扰因素影响情况下，单晶等径生长主要受温度和拉速影响。因此，炉内热场 和生长速度的精确控制是单晶等径控制的重点，由于这种控制系统是一个缓慢时 变，并且具干扰严重的非最小相位系统。 关键词：单晶炉；炉内热场；温度； 拉速 目 录 第 1 章 绪论 .1 第 2 章 单晶炉温度控制的设计方案 .2 2.1 概述 .2 2.2 设计的任务.2 2.3 设计的要求.2 2.4 课程设计的方案.2 第 3 章 硬件设计 .4 3.1 硬件电路设计及元件选择.4 3.1.1 ad 转换器 .4 3.1.2 da 转换器 .5 3.1.3 控制器 .6 3.1.

7、4 温度传感器 .7 3.1.5 温度控制系统 .7 3.1.6 键盘模块 .8 3.1.7 led 显示模块 .8 第 4 章 软件设计 .9 4.1 程序流程图.9 4.1.1 主程序流程图.9 4.2 程序.9 4.3 最小拍算法控制的设计.12 第 5 章 mtlab 仿真.14 第 6 章 课程设计总结 .16 参考文献 .17 第 1 章 绪论 20 世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗 透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高， 同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品跟新换代的节奏也越来越快。 直拉式单晶炉是以直拉法从熔

8、化的多晶硅熔液中生长硅单晶的电子专用设备。 而等径控制是单晶炉自动控制的核心。单晶直径在生长过程中可受到温度、提拉 速度与转速、坩埚跟踪速度与转速、保护气体的流速与温度等因素的影响。在忽 略一些干扰因素影响情况下，单晶等径生长主要受温度和拉速影响。因此，炉内 热场和生长速度的精确控制是单晶等径控制的重点，由于这种控制系统是一个缓 慢时变，并且具干扰严重的非最小相位系统，用一般常规仪表控制手段来实现自 动控径极为困难。本文从硬件和软件设计方面介绍了以 80ci96 单片机作为核心 部件的单晶炉等径生长控制系统，此系统有效地实现了单晶炉的等径控制。 第 2 章 单晶炉温度控制的设计方案 2.1 概

9、述 单晶直径在生长过程中可受到温度、提拉速度与转速、坩埚跟踪速度与转速、 保护气体的流速与温度等因素的影响。在忽略一些干扰因素影响情况下，单晶等 径生长主要受温度和拉速影响。因此，炉内热场和生长速度的精确控制是单晶等 径控制的重点，由于这种控制系统是一个缓慢时变，并且具干扰严重的非最小相 位系统，用一般常规仪表控制手段来实现自动控径极为困难。 2.2 设计的任务 单晶硅生产过程中，硅片的直径大小和晶体生长过程的自动化程度，对生 产效率和产品质量有很大的影响。设计单晶炉温度控制系统，根据长晶各个阶 段炉内热场分布控制温度变化，控温精度达到预期要求，使整个晶体生长阶段 将直径控制在了允许的误差范围

10、内。本设计要求采用单片机作为控制器，控制 算法采用常规的 pid 控制，由键盘进行温度控制值的选择，并显示温度。 2.3 设计的要求 1、确定系统设计方案，包括控制器的选择，输入输出通道，键盘显示电路； 2、建立被控对象的数学模型； 3、设计 pid 算法的程序流程图； 4、仿真研究，验证设计结果； 2.4 课程设计的方案 系统主要由拉速控径单元和温度控径单元组成。每个单元都包括各自独 立的数据采集、pid 控制模块、参数设置、工艺曲线设置、电路控制输出、与上 位机串行通信等模块。在拉速控径单元中，直径测量模块以模拟电压形式将现场 直径量传至单片机；单片机通过自身集成的 a/d 转换器将模拟电

11、压转化为控制系 统可用的数字量；单片机结合现场采集的直径与用户设定的目标直径，按照已经 编程固化的增量式 pid 控制算法计算出实时控制量；以此控制量通过 da 电路和 功放电路改变输出驱动直流电机，调节拉速与埚升速度，使直径逐步稳定于用户 设定的目标值。温度控制单元是为了保证单晶正常生长所需的极严格的过冷度要 求(如硅单晶生长过冷度（24005)，采用了欧陆 818818p 温度控制器。在温 度校正控制单元中，输入偏差信号是由晶升测速机测得的拉速与温校曲线的设定 拉速相比较产生的，再由 pid 算法得到温度校正升温速率输出值，改变炉温达到 控径的目的，同时也限制了拉速的大范围波动与变化。温度

12、校正主要是用来补偿 因单晶长度改变而引起固液交界面热稳态发生变化的。 设计方案结构图，如图 2.1 所示。 da 转换模块 80c196kc入 口 模拟信号 模拟信号 显示键盘 rom eprom ad 转换模块 温度控制加热炉传感器 看门狗 eprom 图 2.1 设计方案结构图 加热炉温度控制实现过程是：首先温度传感器将加热炉的温度传回单片机， 然后 196kc 芯片将给定的温度值和反馈回来的温度值进行比较并且经过最小拍无 纹波算法运算处理后，传给温度控制系统，判断加热器材输出端导通与否从而使 加热炉开始加热或停止加热。即加热炉温度控制得到实现，其中单片机的 196kc 系统为加热炉控制系

13、统的核心部分起着重要作用。 第 3 章 硬件设计 3.1 硬件电路设计及元件选择 控制器部分有 ad 转换器，da 转换器和 80c196kc 组成。模数转换芯片采 用 adc0809，数模转换芯片采用 dac0832。 3.1.1 ad 转换器 ad 转换器选 adc0809，adc0809 是一种逐次比较式的 8 路模拟输入，内部 具有所存功能，故不需加地址锁存器。ale 脚为地址所存信号，高电平有效，三 根地址线固定接地，由于地址信号已经固定，固将 ale 接高电平。 系统只需要一路信号，选择 in-0 作为输入。 start 脚为 ad 转换启动信号，高电平有效，程序控制。ad 采样值

14、为系统 的偏差信号，固选择 adc0809 的 vref 接+5v 和-5v。 由于 adc0809 的时钟所限，ad 转换器的时钟信号由单片机 p2.1 脚产生， 将 clock 接单片机的 p2.1，由单片机产生 500khz 的时钟信号。单片机晶振可 选择为 12mhz。 eoc 为转换结束信号，当 eoc 为高电平时，表明转换结束；否侧，表示正 在进行 a/d 转换，设计将其接单片机 p2.2 脚由程序读入，判断 ad 是否转换完 成。ad 转换结果由 p0 口读入，故将 ad 转换器的输出与单片机 p0 口相连，高 地位依次相连。 设计 ad 转换器的接口电路如图 图 3.1 ad

15、转换器接口电路 3.1.2 da 转换器 da 转换器选择 dac0832，dac0832 是具有两个输入数据寄存器的 8 位 dac，可以直接与 51 单片机相连，参考电压为+5v，直接与供电电源相连。因此 输出 c（t）可能有负的情况，固选择 dac 为双极性电压输出，da 输出值为 dac0832 的引脚接法如下： cs：片选端，直接接低电平。 ile：数据所存允许控制端，直接接高电平。 wr2：dac 寄存器写选通控制端，固直接接地。 xfer：数据传送控制，低电平有效，固直接接地。 wr1：第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效，其输入为上升沿时，将 输入数据锁存到 dac 寄存器，

16、故将该脚与单片机 p2.3 相连接，由程序控制 da 转换的时间。 电路图如下： 图 3.2 da 转换接口电路 3.1.3 控制器 控制器选择 at89c51 单片机，根据 adc0809 和 dac0832 的特性，及上述 分析设计 ad，da 的接口电路图如下： 图 3.3 控制器接口电路 单片机选择 12mhz 晶振，按键复位模式。 3.1.4 温度传感器 温度传感器系统部分，选择了 k 型热电阻传感器。 k 型热电偶的测温原理：热电传感器是利用转换元件的参数随温度变化的特 性，将温度和温度有关的参数的变化转换为电量变化输出的装置，两种不同的导 体或半导体组成的闭合回路就构成了热电偶，

17、热电偶两端为两个热电极，温度高 的极点为热端，测量端或自由端；温度低的接点为冷端，参考端或自由端。测量 时将工作端置于被测温度场中，自由端恒定在某一温度。热电偶是基于热电效应 工作的，热点效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成。 图 3.4 温度传感器 3.1.5 温度控制系统 在温度控制系统中选择了固态继电器，固态继电器是由微电子电路，分立电 子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载 端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。 图 3.5 温度控制系统 3.1.6 键盘模块 在本次设计当中，输入设备用 4*4 矩阵键盘，当“

18、设定”键按下时触发键盘 中断服务程序，由程序程控扫描法确定那个键按下并执行相应的动作。程控扫描 的任务是首先判断是否有键按下、去键除抖动、若有键闭合。则求出闭合键的键 值、程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。 3.1.7 led 显示模块 8 段 led 显示屏是最常用的显示器件，分为共阴极和共阳极两种形式。共阳 极 led 将所有发光二级管的阳极接在一起作为公共端，当公共端接高电平，某 一段的发光二级管阴极接低电平时，相应的字段就被点亮。 led 数码管的显示方法 动态显示：动态扫描，分时循环 静态显示：一次输出，结果保持 动态显示，就是微型机定时的对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分

19、 时工作，每次只能一个器件显示，但由于人视觉的暂留现象，所以，仍感觉所有 的器件仍在显示。 静态显示，是由微机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新 的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠。 通过比较及对程序的分析本设计中三组数码管均采用共阴极静态显示。 图 3.6 led 显示器 第 4 章 软件设计 4.1 程序流程图 4.1.1 主程序流程图 开始 中断 大于 highlevel 小于 highlevel 亮红灯 打开加热器 呼叫显示 亮绿灯 返回 4.2 程序 count equ 5000 cnt_0.2 equ 04h cnt_1 equ 05h cnt_5 equ

20、06h flag1 equ 42h flag2 equ 43h seg_7_1 equ 30h seg_7_2 equ 31h seg_7_3 equ 32h set_h equ 33h set_l equ 34h store_h1 equ 35h store_h2 equ 36h store_l1 equ 37h store_l2 equ 38h binary: equ 39h status1 equ 07h dsp1 reg p0.2 dsp2 reg p0.1 dsp3 reg p0.0 sw1 reg p1.2 sw2 reg p1.1 sw1 reg p1.0 led_h reg p

21、1.3 led_l reg p1.4 led_alm reg p1.5 rly_h reg p3.6 ply_l reg p3.7; thrm reg p1.7 org 00h jmp start org 003h reti org 00bh reti org 0023h reti org 30h start:clr rs0 clr rs1 mov r0,#00h djnz r0,$ mov sp,#60h setb tro mov tmod,#00h setb ie.7 setb ie.e mov th0,#(8192_count)/32 mov tl0,(#8192_count)/.mod

22、.32 initial: mov cnt_0.2sec counter mov cnt_1,#5 mov cnt_5,#25 set led_h set led_l set led_alm set rly_l mov seg_7_1,#3fh set flag1.0 table:db 3fh;0 db 06h;1 db 5bh;2 db 4fh;3 db 66h;4 db 6dh;5 db 7dh;6 db 27h;7 db 7fh;8 db 6fh;9 db 06h;h db 06h;l output: cpl a mov p2，a ret end 4.3 最小拍算法控制的设计 有波纹系统虽

23、然在采样点上的误差为 0，但不能保证采样点之间的误差值也 为 0，所以采用无波纹算法控制来设计此温度控制系统。 在本控制对象电子加热炉功率为 800w，由 220v 交流电供电，采用双向可控 硅进行控制。设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围 50 到 150， 保温阶段温度控制精度为正负 1 度。选择合适的传感器，计算机输出信号经转换 后通过双向可控硅控制器加热电阻两端的电压，齐对象温控数学模型为： 由上述模型知，该系统为一阶惯性加纯滞后环节，为实验仿真，本文将其等 效成两个一阶惯性环节。 要使系统的稳态输出无波纹，就要求稳态时的控制信号 u(k)为常数或者 0， 控制信号 u(k

24、)的 z 变换为 最小拍设计中， 若 g（z）中有 j 个极点在单位圆上，当时，有qj 若 g（z）中有 j 个极点在单位圆上，jq 时，有 假设传递函数为 g（s）= ) 1( 5 ss 令采样周期 t=1s 当系统为单位阶跃输入时，d=0，w=0，v=0，j=1，q=1，则有 m=w+d=1，n=v-j+q=1 于是 于是有， 所以， 所以 第 5 章 mtlab 仿真 5.15.1 串级控制系统串级控制系统 matlabmatlab 仿真分析仿真分析 图 5.1 串行控制系统图 图 5.2 串行控制系统仿真图 图 5.3 图 5.4 这里 kc=10 ，ti=1，d=0 采用 pid 控制器，有仿真图可看出随着 p 的增大，系 统稳定性增强，振荡幅度降低。 4.24.2 单晶炉控制系统仿真分析单晶炉控制系统仿真分析 图 5.5 图 5.6 图 5.7 图 5.8 第 6 章 课程设计总结 我通过这次计算机控制课程设计的完成，让我对计算机其及单片机的理论有 了更深入的了解，特别是计算机控制在工业温度上的