單晶爐溫度控制系統(tǒng)

1、單晶爐溫度控制系統(tǒng)遼寧工業(yè)大學微型計算機控制技術(shù)課程設(shè)計（論文）0:單晶爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計院（系）：電氣工程學院專業(yè)班級：自動化093學 號： 090302084學生姓名： 宋進帥指導教師： （簽字）起止時間：遼寧工業(yè)大學課程設(shè)計說明書（論文）課程設(shè)計（論文）報吿的內(nèi)容及其文本格式1、課程設(shè)計（論文）報告要求用A4紙排版，單面打印，并裝訂成冊，內(nèi)容包括： 封面（包括懸目、院系、專業(yè)班級、學生學號、學生姓名、指導教師姓名、起止時間等） 設(shè)計（論文）任務及評語 中文摘更（黑體小二，居中，不少于200字） 目錄 正文（設(shè)計計算說明書、研究報告、研憲論文等） 參考文獻2、課程設(shè)計（論文）正文參考字數(shù)：

2、2000字 周數(shù).8、封面格式4、設(shè)計（論文）任務及評語格式5、目錄格式 標題“目錄”（小二號、黑體、居中） 章標題（四號字、黑體、居左） 節(jié)標題（小四號字、宋體） 頁碼（小四號字、宋體、居右）6、正文格式 頁邊距：上2. 5cm,下2. 5cm,左3cm,右2. 5cm,頁眉1. 5cm,頁腳1. 75cm,左側(cè)裝訂； 字體：一級標題，小二號字、黑體、居中；二級標題，黑體小三、居左；三級標題，黑體四號：正 文文字，小四號字、宋體； 行距：20磅行距； 頁碼：底部居中，五號、黑體；7、參考文獻格式 標題：“參考文獻”，小二，黑體，居中. 示例：（五號宋體）期刊類：序號作者1,作者2, 作者n文

3、章名.期刊名（版本）出版年，卷次（期次）：頁次.圖書類：序號作者1,作者2,作者n.書名.版本.出版地:出版社，出版年:頁次.i經(jīng)/咪乂尊院（系）：電氣工程學院本科生課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）任務及評語教研室：自動化學生姓名專業(yè)班級課程題目電子計時器的設(shè)計功能：計時器在工業(yè)生產(chǎn)、人民生活中具有重要的作用，計時器可分為指針式和數(shù)字式兩種 類型。指針式計時器是傳統(tǒng)的顯示方式，指示的 時間精確度較低；而數(shù)字式計時器則直接用數(shù)字 顯示時間，讀數(shù)直觀，一般可精確到秒，并且具 有較多的實用功能。設(shè)計要求利用單片機完成較 為精確的計時操作，并能根據(jù)情況對其功能進行擴展。課程設(shè)計(論文)任務統(tǒng)硬敝務及要

4、求I、分析系統(tǒng)功能確定系圖;2、3、成控制系統(tǒng)的控制要求;設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路編寫相應的軟件，完上機調(diào)試、完善程序; 技術(shù)參數(shù)：上電自動顯示時、分、秒；設(shè)置 一個控制按鍵，按下按鍵，則時鐘以秒為單位開 始計時；運行狀態(tài)下可通過控制按鍵使時鐘暫 停，同時顯示已計時數(shù)值;停止狀態(tài)下（已上電）, 按下復位按鈕，時鐘復位（清零），并進入下一4、次計時狀態(tài)。（1天）1、布置任務，查閱資料，確定系統(tǒng)的組成進度計劃天）2、3、黔聽闔星求，完成軟件設(shè)計（24、5、6、答辯（1天）平時：論文質(zhì)量：答辯:總成績：指導教師簽字：年月日本科生課程設(shè)計（論文）4纟/戲/尊注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20%以

5、百分制計算單晶爐是以直拉法從熔化的多晶硅熔液中生長硅單晶的電子專用設(shè)備。而等徑控制是單晶爐自動控制的核心。單晶直徑在生長過程中可受到溫度.提拉速度與轉(zhuǎn)速.圮竭跟蹤速度與轉(zhuǎn)速、保護氣體的流速與溫度等因素的影響。在忽略一些干擾因素影響情況下，單晶等徑生長主要受溫度和拉速影響。因此，爐內(nèi)熱場 和生長速度的精確控制是單晶等徑控制的重點，由于這種控制系統(tǒng)是一個緩慢時 變，并且具干擾嚴重的非最小相位系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：單晶爐；爐內(nèi)熱場；溫度；拉速本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊第章緒論1第2章單晶爐溫度控制的設(shè)計方案 22.1概述22. 2設(shè)計的任務22. 3設(shè)計的要求22. 4課程設(shè)計的方案2第3章硬件設(shè)計

6、3.1硬件電路設(shè)計及元件選擇3.1.1 AD轉(zhuǎn)換器43.12 DA轉(zhuǎn)換器53.1.3控制器63.1.4溫度傳感器7 3. 1. 5溫度控制系統(tǒng)3.1.6鍵盤模塊83.1. 7 LED顯示模塊8第4章軟件設(shè)計4.1程序流程圖94.11主程序流程圖94.2辭94. 3最小拍算法控制的設(shè)計12第5章MTLAB仿真14第6章課程設(shè)計總結(jié)16參考文獻17本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊20世紀末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲 透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高, 同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高，產(chǎn)品跟新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。直拉式單晶

7、爐是以直拉法從熔化的多晶硅熔液中生長硅單晶的電子專用設(shè) 備。而等徑控制是單晶爐自動控制的核心。單晶直徑在生長過程中可受到溫度、提拉速度與轉(zhuǎn)速.圮竭跟蹤速度與轉(zhuǎn)速.保護氣體的流速與溫度等因素的影響。在忽略一些干擾因素影響情況下，單晶等徑生長主要受溫度和拉速影響。因此,爐內(nèi)熱場和生長速度的精確控制是單晶等徑控制的重點，由于這種控制系統(tǒng)是一個緩慢時變，并且具干擾嚴重的非最小相位系統(tǒng)，用一般常規(guī)儀表控制手段來實現(xiàn)自動控徑極為困難。本文從硬件和軟件設(shè)計方面介紹了以80CI96單片機作為核心部件的單晶爐等徑生長控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)有效地實現(xiàn)了單晶爐的等徑控制。25本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊第2章單晶爐

8、溫度控制的設(shè)計方案2.1概述單晶直徑在生長過程中可受到溫度、提拉速度與轉(zhuǎn)速、圮塀跟蹤速度與轉(zhuǎn)速、 保護氣體的流速與溫度等因素的影響。在忽略一些干擾因素影響情況下，單晶等 徑生長主要受溫度和拉速影響。因此，爐內(nèi)熱場和生長速度的精確控制是單晶等 徑控制的重點，由于這種控制系統(tǒng)是一個緩慢時變，并且具干擾嚴重的非最小相 位系統(tǒng)，用一般常規(guī)儀表控制手段來實現(xiàn)自動控徑極為困難。2.2設(shè)計的任務單晶硅生產(chǎn)過程中，硅片的直徑大小和晶體生長過程的自動化程度，對生 產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響。設(shè)計單晶爐溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)長晶各個階 段爐內(nèi)熱場分布控制溫度變化，控溫精度達到預期要求，使整個晶體生長階段 將直徑控制

9、在了允許的誤差范圍內(nèi)。本設(shè)計要求采用單片機作為控制器，控制 算法采用常規(guī)的PID控制，由鍵盤進行溫度控制值的選擇，并顯示溫度?！居嫷囊?、確定系統(tǒng)設(shè)計方案，包括控制器的選擇，輸入輸出通道，鍵盤顯示電路；2、建立被控對象的數(shù)學模型；3、設(shè)計PID算法的程序流程圖；4、仿真研究，驗證設(shè)計結(jié)果；2.4課程設(shè)計的方案系統(tǒng)主要由拉速控徑單元和溫度控徑單元組成。每個單元都包括各自獨 立的數(shù)據(jù)采集、PID控制模塊、參數(shù)設(shè)置、工藝曲線設(shè)置、電路控制輸出、與上 位機串行通信等模塊。在拉速控徑單元中，直徑測量模塊以模擬電壓形式將現(xiàn)場 直徑量傳至單片機；單片機通過自身集成的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)化為控制系 統(tǒng)可

10、用的數(shù)字量；單片機結(jié)合現(xiàn)場采集的直徑與用戶設(shè)定的目標直徑，按照已經(jīng) 編程固化的增量式PID控制算法計算出實時控制量；以此控制量通過DA電路和 功放電路改變輸出驅(qū)動直流電機，調(diào)節(jié)拉速與竭升速度，使直徑逐步穩(wěn)定于用戶25本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊設(shè)定的目標值。溫度控制單元是為了保證單晶正常生長所需的極嚴格的過冷度要求（如硅單晶生長過冷度（240C0. 5-C）,釆用了歐陸818P溫度控制器。在溫度校正控制單元中，輸入偏差信號是由晶升測速機測 得的拉速與溫校曲線的設(shè)定拉速相比較產(chǎn)生的，再由PID算法得到溫度校正升溫 速率輸出值，改變爐溫達到控徑的目的，同時也限制了拉速的大范圍波動與變化。溫度

11、校正主要是用來補償因單晶長度改變而引起固液交界面熱穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化的。設(shè)計方案結(jié)構(gòu)圖,如圖21所示。溫度控制亠加熱爐案結(jié)構(gòu)圖加熱爐溫度控制實現(xiàn)過看 然后196KC芯片將給定的溫度 無紋波算i 使加熱幷196KC 系DA轉(zhuǎn)換模塊模擬信號:停止加入 口模擬信號控制系專顯示AD轉(zhuǎn)換模塊傳感器.方溫度傳回單片機,反饋回來鹽柱值進行比較杵材輸出80C196KCEPROM小拍 從而 肌的25鍵盤看門狗本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊*3.1硬件電路設(shè)計及元件選擇控制器部分有AD轉(zhuǎn)換器，DA轉(zhuǎn)換器和80C196KC組成。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采 用ADC0809,數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片釆用DAC0832。3.1.1 AD轉(zhuǎn)換器A

12、D轉(zhuǎn)換器選ADC0809, ADC0809是一種逐次比較式的8路模擬輸入，內(nèi)部 具有所存功能，故不需加地址鎖存器。ALE腳為地址所存信號，高電平有效，三 根地址線固定接地，由于地址信號己經(jīng)固定，固將ALE接高電平。系統(tǒng)只需要一路信號，選擇INO作為輸入。START腳為AD轉(zhuǎn)換啟動信號，高電平有效，程序控制。AD采樣值為系統(tǒng) 的偏差信號，固選擇ADC0809的VREF接+5V和5V。由于ADC0809的時鐘所限，AD轉(zhuǎn)換器的時鐘信號由單片機P2.1腳產(chǎn)生， 將CLOCK接單片機的P2.1,由單片機產(chǎn)生500Khz的時鐘信號。單片機晶振可 選擇為12MhZoEOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，當EOC為高電平時

13、，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否側(cè)，表示正 在進行A/D轉(zhuǎn)換，設(shè)計將其接單片機P2.2腳由程序讀入，判斷AD是否轉(zhuǎn)換完 成。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果由P0 口讀入，故將AD轉(zhuǎn)換器的輸出與單片機P0 口相連，高 地位依次相連。設(shè)計AD轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖25I經(jīng)/咪/尊本科生課程設(shè)計(論文)0 3.1 AD轉(zhuǎn)換器接口電路3.1.2 DA轉(zhuǎn)換器DA轉(zhuǎn)換器選擇DAC0832, DAC0832是具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位 DAC,可以直接與51單片機相連，參考電壓為+5V,直接與供電電源相連。因此 輸出C (t)可能有負的情況，固選擇DAC為雙極性電壓輸出，DA輸出值為%128DAC0832的引腳接法如下：CS：片選端，直接

14、接低電平。1LE：數(shù)據(jù)所存允許控制端，直接接高電平。WR2： DAC寄存器寫選通控制端，固直接接地。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效，固直接接地。WR1：第一級輸入寄存器寫選通控制，低電平有效，其輸入為上升沿時，將 輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，故將該腳與單片機P2.3相連接，由程序控制DA 轉(zhuǎn)換的時間。25本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊電路圖如下：3. 2 DA轉(zhuǎn)換接口電路3.1.3控制器控制器選擇AT89C51單片機，根據(jù)ADC0809和DAC0832的特性，及上述 分析設(shè)計AD, DA的接口電路圖如下：25本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊33控制器接口電路單片機選擇12Mhz晶振，

15、按鍵復位模式。25本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊3.1.4溫度傳感器溫度傳感器系統(tǒng)部分，選擇了 K型熱電阻傳感器。K型熱電偶的測溫原理：熱電傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件的參數(shù)隨溫度變化的特 性，將溫度和溫度有關(guān)的參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電量變化輸出的裝置，兩種不同的導 體或半導體組成的閉合回路就構(gòu)成了熱電偶，熱電偶兩端為兩個熱電極，溫度高 的極點為熱端，測量端或自由端；溫度低的接點為冷端，參考端或自由端。測量 時將工作端置于被測溫度場中，自由端恒定在某一溫度。熱電偶是基于熱電效應 工作的，熱點效應產(chǎn)生的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。圖3. 4溫度傳感器3.1.5溫度控制系統(tǒng)在溫度控制系統(tǒng)中選擇了

16、固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器是由微電子電路，分立電 子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關(guān)。用隔離器件實現(xiàn)了控制端與負載 端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號，達到直接驅(qū)動大電流負載。25I經(jīng)/咪/尊3. 5溫度控制系統(tǒng)本科生課程設(shè)計（論文）3.1.6鍵盤模塊在本次設(shè)計當中，輸入設(shè)備用4*4矩陣鍵盤，當“設(shè)定”鍵按下時觸發(fā)鍵盤 中斷服務程序，由程序程控掃描法確定那個鍵按下并執(zhí)行相應的動作。程控掃描 的任務是首先判斷是否有鍵按下、去鍵除抖動、若有鍵閉合。則求出閉合鍵的鍵 值、程序中需等閉合鍵釋放后才對其進行處理。3. 1.7 LED顯示模塊8段LED顯示屏是最常用的顯示器件，分為共陰極和共陽

17、極兩種形式。共陽 極LED將所有發(fā)光二級管的陽極接在一起作為公共端，當公共端接高電平，某 一段的發(fā)光二級管陰極接低電平時，相應的字段就被點亮。LED數(shù)碼管的顯示方法動態(tài)顯示：動態(tài)掃描，分時循環(huán)靜態(tài)顯示：一次輸出，結(jié)果保持動態(tài)顯示，就是微型機定時的對顯示器件掃描，在這種方法中，顯示器件分 時工作，每次只能一個器件顯示，但由于人視覺的暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺所有 的器件仍在顯示。靜態(tài)顯示，是由微機一次輸出顯示后，就能保持該顯示結(jié)果，直到下次送新 的顯示模型為止。這種顯示占用機時少，顯示可靠。通過比較及對程序的分析本設(shè)計中三組數(shù)碼管均采用共陰極靜態(tài)顯示。U)WT-QU 0如.Jr dPi3.6 LED

18、255 /尊顯示器本科生課程設(shè)計（論文）25本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊4.1程序流程4.1.1主程序流程圖第4章軟件設(shè)計本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊4.2程序COUNT EQU 5000 CNT_0.2 EQU 04H CNT_1 EQU 05H CNT_5 EQU 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 EQU35H STORE_H2 EQU 36H STORE_L1 EQU 37H S

19、TORE_L2 EQU 38H BINARY: EQU 39H STATUS 1 EQU 07H DSP1 REG P0.2 DSP2 REG P0.1 DSP3 REG PO.O SVV1 REG Pl.2 SVV2 REGP1.1 SW1 REG P1.0 LED_H REG Pl.3 LED_L REG Pl.4 LED.ALM REG Pl.5 RLY_H REG P36 PLY_L REG P3.7;THRM REG Pl.7ORG OOHJMP START25本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊ORG 003HRETIORG OOBHRETIORG 0023HRETIORG 30HS

20、TART:CLR RSOCLR RSIMOV R0,#00HDJNZ R0,$MOV SP,#60HSETB TROMOV TMOD,#OOHSETB IE.7SETB IE.EMOV TH0,#(8192_COUNT)/32MOV TLO,(#8192_COUNT)/.MOD.32INITIAL:MOV CNT_0.2SEC COUNTERMOV CNT_1,#5MOV CNT_5,#25SET LED_HSET LED._LSET LED_ALMSET RLY_L1MOV SEG_7_1,#3FHSET FLAG1.0TABLE:DB3FH;0DB06H;lDB5BH;2DB4FH;3DB

21、66H；4DB6DH;5DB7DH；625本科生課程設(shè)計(論文)I經(jīng)/咪/尊DB 27H;7DB7FH;8DB6FH；9DB06H;HDB06H;LOUTPUT:CPLAMOVP2, ARETEND4. 3最小拍算法控制的設(shè)計有波紋系統(tǒng)雖然在釆樣點上的誤差為o,但不能保證采樣點之間的誤差值也 為o,所以采用無波紋算法控制來設(shè)計此溫度控制系統(tǒng)。在本控制對象電子加熱爐功率為800W,由220V交流電供電，采用雙向可控 硅進行控制。設(shè)計針對一個溫度區(qū)進行溫度控制，要求控制溫度范圍50到150, 保溫階段溫度控制精度為正負1度。選擇合適的傳感器，計算機輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換 后通過雙向可控硅控制器加熱電阻兩端

22、的電壓，齊對象溫控數(shù)學模型為：由上述模型知，該系統(tǒng)為一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)，為實驗仿真，本文將其等 效成兩個一階慣性環(huán)節(jié)。要使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出無波紋，就要求穩(wěn)態(tài)時的控制信號u(k)為常數(shù)或者0, 控制信號u(k)的z變換為U(z) = M)zk+ +“)嚴 + “(/ + 1)存時 +最小拍設(shè)計中,25本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊二 Fz） =f（l q）（l 嚴州（zm恥）=訂門（1 一如為IEI若g （z）中有j個極點在單位圓上，當丿時，有rrr = iv+ d m = v- y + x?若G （z）中有J個極點在單位圓上，Jq時，有假設(shè)傳遞函數(shù)為G （滬缶Ca）-5（l-3-,）|-r

23、-（1一2 ）（1-廠）汀 57T（1一廣）（1 一廠廣）一_廠廠5（1-廠）汀1 -廠廣令釆樣周期T=ls當系統(tǒng)為單位階躍輸入時，（1=0, w=0, v=0, J=l, q=l,則有 m=w+d=l, n=v-J+q=l于是25本科生課程設(shè)計(論文)I經(jīng)/咪/尊0匕）=1-0（2）=|“（1-憶）|（1-2）氣（2） = （1-）（14 i=lOU） = Lfl（lf）出= （1 + 0.71QMmll于是有,I 十S -1）廣一人尹=1-/,1-0.718/2-2；Z.-1=-/2IA J；產(chǎn) 7718 兀幾=0.418,/21 =0.582所以，0 =(1一嚴(1十0418)0(訂二(

24、).5&2以(1 + 071&以)自)_ 1如)_0.316-(n 加、G(z) 1一0(打1+0418訂所以D( 一2型二忑+心丁+心廠。心遲一 1十人汀十EZT十件以25本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊第5章MTLAB仿真5.1串級控制系統(tǒng)mat I ab仿真分析5.1串行Gain控制系統(tǒng)25I經(jīng)/咪/尊5. 2串行控制系統(tǒng)仿真圖本科生課程設(shè)計（論文）Siler圖5. 325本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊5.4這里Kc=10 , Ti=l, D=0采用PID控制器，有仿真圖可看出隨著P的增大，系 統(tǒng)穩(wěn)定性增強，振蕩幅度降低。4. 2單晶爐控制系統(tǒng)仿真分析Gjin45.5本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊圖5.6Gain4圖5.7本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊5.825本科生課程設(shè)計（論文）I經(jīng)/咪/尊第6章課程設(shè)計總結(jié)我通過這次計算機控制課程設(shè)計的完成，讓我對計算機其及單片機的理論有 了更深入的了解，特別是計算機控制在工業(yè)溫度上