单晶炉温度控制系统解读

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1、辽宁工业大学微型计算机控制技术课程设计（论文）题目：单晶炉温度控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化093学 号： 090302084学生姓名： 宋进帅指导教师： （签字）起止时间：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

2、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

3、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）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化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 务1iCE 普功能：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

4、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：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i e 卜 JJ1、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f攵F号Z 戈平时：论文质量：答辩：总成绩： 指导教师签字：年 月 日

5、注：成绩：平时20%论文质量60% 答辩20%以百分制计算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、坩蜗跟踪速度与转速、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。关键词：单晶炉；炉内热场；温度；拉速目录第1章绪论6第2章单晶炉温度控制的设计方案72.1概述72.2设计的任务72.3设计的要求72.4课程设计的方

6、案7第3章硬件设计93.1硬件电路设计及元件选择93.1.1 AD转换器93.1.2 DA 转换器103.1.3控制器113.1.4温度传感器123.1.5温度控制系统123.1.6键盘模块133.1.7 LED显示模块13第4章软件设计144.1程序流程图144.1.1主程序流程图 144.2程序154.3最小拍算法控制的设计17第5章MTLAB仿真20第6章课程设计总结24参考文献25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

7、也越来越快。直拉式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、坩蜗跟踪速度与转速、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

8、控制的设计方案2.1概述单晶直径在生长过程中可受到温度、提拉速度与转速、坩蜗跟踪速度与转速、 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

9、允许的误差范围内。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转换器将模拟电压转化为控制系 统

10、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，调节拉速与蜗升速度，使直径逐步稳定于用户本科生课程设计（论文） 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（240C0. 5C）,采用了欧陆818P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。温度校正主要是

11、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。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D

12、AC0832。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采样值为系统 的偏差信号，固选择ADC0809的VREF接+5V 和-5VO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12Mh

13、z。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

14、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，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

15、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，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“设定”键按下时触发