单晶炉温度控制系统解读

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：

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）

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：

①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） ②设计(论文)任务及评语

③中文摘要 （黑体小二，居中，不少于200字） ④目录

⑤正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等） ⑥参考文献

2、课程设计（论文）正文参考字数：2000字3、封面格式

4、设计（论文）任务及评语格式 5、目录格式

①标题“目录”（ 小二号、黑体、居中） ②章标题（四号字、黑体、居左） ③节标题（小四号字、宋体） ④页码（小四号字、宋体、居右） 6、正文格式

①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； ②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；

③行距：20磅行距；

④页码：底部居中，五号、黑体； 7、参考文献格式

①标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。 ②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.

周数。

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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 课程题目 学生姓名 电子计时器的设计 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 专业班级 课程设计（论文）任务 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。 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） 进度计划 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 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

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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、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

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目 录

第1章 绪论 ................................................ 6 第2章 单晶炉温度控制的设计方案 ............................ 7

2.1 概述 ......................................................... 7 2.2设计的任务 ................................................... 7 2.3设计的要求 ................................................... 7 2.4课程设计的方案 ............................................... 7

第3章 硬件设计 ............................................ 9

3.1硬件电路设计及元件选择 ....................................... 9 3.1.1 AD转换器 ................................................... 9 3.1.2 DA转换器 .................................................. 10 3.1.3 控制器 .................................................... 11 3.1.4 温度传感器 ................................................ 12 3.1.5 温度控制系统 .............................................. 12 3.1.6 键盘模块 .................................................. 13 3.1.7 LED显示模块 ............................................... 13

第4章 软件设计 ........................................... 14

4.1程序流程图 .................................................. 14 4.1.1主程序流程图 .............................................. 14 4.2程序 ........................................................ 15 4.3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

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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。

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第2章 单晶炉温度控制的设计方案

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

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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（240℃～0．5℃)，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。

显示 键盘 看门狗模拟信号 模拟信号 入口 ROM DA转换模块 AD转换模块 温度控制 加热炉 传感器 80C196KC 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统的核心部分起着重要作用。

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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

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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：

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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。

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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，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

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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

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第4章 软件设计

4.1程序流程图

4.1.1主程序流程图

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呼叫显示 打开加热器 亮红灯 亮绿灯 小于Highlevel 大于Highlevel 中断 开始 返回

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 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 P1.3 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

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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.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

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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)的z变换为

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最小拍设计中，

若G（z）中有j个极点在单位圆上，当jq时，有

若G（z）中有j个极点在单位圆上，j>q时，有

假设传递函数为G（s）=

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s(s1)

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

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于是有，

所以，

所以

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第5章 MTLAB仿真

5.1串级控制系统matlab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

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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。

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4.2单晶炉控制系统仿真分析

图5.5

图5.6

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图5.7

图5.8

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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了解。更好的了解计算机控制这门课程对我的设计有着至关重要的作用，同时在具体的制作设计过程中我们发现现在书本上的知识与实际应用存在着不小的差异。

本论文设计的是一个用最小拍无波纹的算法来控制加热炉的温度，能够在一定条件下显示温度，并且稳定。此设计具有硬件少，结构简单，性能稳定可靠，成本低等特点。

本设计算法使用的是最小拍无波纹算法，设计的硬件图全部使用Protel 99SE软件，使我明白这个计算机控制这门课程及软件技术对于我们专业的课堂设计的重要性。好好的学习并利用我们所学的知识，综合运用各科知识，在这次的设计中扮演重要的角色。

总之这次课程设计让我把理论设计和实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合的方面全面的培养学生的全面素质。这些在我今后的学习和工作当中都会有所帮助。

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参考文献

[1]梅丽凤，单片机原理及接口技术，北京：清华大学出版社，2004:19-48,81-93 [2]周季明，蒋世明，传感技术与应用，长沙：东南大学出版社1988：43-85 [3] 张毅刚，单片机原理及应用，北京：高等教育出版社。2003：126-135 [4] 顾鑫源，计算机控制系统，北京：冶金工业出版社1992：53-58 [5] 张连华，单片机应用设计方法，北京：科学之友，2010：23-30 [6] 刘昆山，如何快速入门单片机，电子制作，2010:64-66

[7] 何黎明，我国单片机技术的应用于发展，电子报，2001,（09）:：01-07 [8] 袁龙，WCS-51单片机指令快速记忆法，电子报，2005，（011）：5-15 [9] 孙涵芳.MCS-51系列单片机原理及应用.北京航空航天大学出版社.1996.4 [10] 李朝清.单片机原理与接口技术.北京航天大学出版社.2005.10 [11] 耿永刚.单片机与接口应用技术.华东师范大学出版社.2008.04 [12] 胡汉才编著.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社.2004.

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