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
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2、课程设计（论文）正文参考字数：2000字周数。
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本科生课程设计（论文）
课程设计（论文）任务及评语
教研室：自动化：电气工程学院 院（系）
学 号 课程题目 学生姓名 专业班级 电子计时器的设计 计时器可分为指针式和数字式人民生活中具有重要的作用，：计时器在工业生产、功能而数字式计时器则直指针式计时器是传统的显示方式，指示的时间精确度较低；两种类型。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。 1、分析系统功能，确定系统硬件组成；设计任务及要求 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； 、上机调试、完善程序；4上电自动显示时、分、秒；设置一个控制按键，按下按键，则时钟以秒为单技术参数：（已停止状态下位开始计时；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； ，并进入下一次计时状态。上电），按下复位按钮，时钟复位（清零） 划进度计 务文计课）（程任论设 天）、布置任务，查阅资料，确定系统的组成（11 天）、硬件设计（22 2天）、按系统的控制要求，完成软件设计（3 2天）4、上机调试、修改程序（ 2天）5、撰写、打印设计说明书（ 天）16、答辩（ 及师指成评导绩语教
答辩：平时： 论文质量： 指导教师签字：总成绩： 日 年 月 20% 60% 20% 注：成绩：平时论文质量答辩以百分制计算3
本科生课程设计（论文）
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 3.1.1AD转换器 ................................................... 9 3.1.2DA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 3.1.7LED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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绪论1第章世纪末，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20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，透了社会的各个领域， 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单片机作为核本文从硬件和软件设计方面介绍了以80CI96现自动控径极为困难。 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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单晶炉温度控制的设计方案第2章
概述2.1
坩埚跟踪速度与转速、单晶直径在生长过程中可受到温度、提拉速度与转速、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。 设计的任务
2.2
对生产硅片的直径大小和晶体生长过程的自动化程度，单晶硅生产过程中，根据长晶各个阶段炉设计单晶炉温度控制系统，效率和产品质量有很大的影响。使整个晶体生长阶段将直径控温精度达到预期要求，内热场分布控制温度变化，控制算法采用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， 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； 算法的程序流程图；3、设计PID 、仿真研究，验证设计结果；4 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
控制模块、参数设置、工艺曲线设置、电路控制输出、与上PID立的数据采集、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转换器将模拟电压转化为控制系A/D单片机通过自身集成的直径量传至单片机；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，按照已经电路和DA控制算法计算出实时控制量；以此控制量通过编程固化的增量式PID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温度控制器。在温818P50．℃)，采用了欧陆求(如硅单晶生长过冷度（240℃～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算法得到温度校正升温速率输出值，改变炉温达到拉速相比较产生的，再由PID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。 2.1所示。设计方案结构图，如图 加热炉 传感器 温度控制AD 转换模块DA转换模块 ROM 模拟信号 模拟信号开始 中断大于亮绿灯 打开加热器 返回 呼叫显示 80C196KC Highlevel Highlevel
入口 小于 键盘 显示亮红灯 EPROM 狗看门
设计方案结构图图2.1
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，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然后196KC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。 8
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硬件设计第3章 3.1硬件电路设计及元件选择组成。模数转
换芯片采转换器和80C196KCAD转换器，DA控制器部分有 DAC0832。用ADC0809，数模转换芯片采用 转换器3.1.1 AD内部路模拟输入，ADC0809是一种逐次比较式的8AD转换器选ADC0809，脚为地址所存信号，高电平有效，三ALE具有所存功能，故不需加地址锁存器。 接高电平。根地址线固定接地，由于地址信号已经固定，固将ALE 作为输入。系统只需要一路信号，选择IN-0采样值为系统ADAD转换启动信号，高电平有效，程序控制。START脚为 -5V。VREF接+5V和ADC0809的偏差信号，固选择的脚产生，转换器的时钟信号由单片机P2.1ADC0809的时钟所限，AD由于的时钟信号。单片机晶振可500Khz接单片机的P2.1，由单片机产生将CLOCK 。选择为12Mhz为高电平时，表明转换结束；否侧，表示正EOCEOC为转换结束信号，当是否转换完 ADA/D在进行转换，设计将其接单片机P2.2脚由程序读入，判断口相连，高P0口读入，故将AD转换器的输出与单片机AD成。转换结果由P0 地位依次相连。 AD转换器的接口电路如图设计
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3.1 AD转换器接口电路图 3.1.2 DA
转换器位8DAC0832，DAC0832是具有两个
输入数据寄存器的转换器选择DA，直接与供电电源相连。因此+5VDAC，可以直接与51单片机相连，参考电压为 为双极性电压输出，DA输出值为t输出C（）可能有负的情况，固选择DAC
DAC0832的引脚接法如下：
：片选端，直接接低电平。CS ：数据所存允许控制端，直接接高电平。ILE ：DAC寄存器写选通控制端，固直接接地。WR2 XFER：数据传送控制，低电平有效，固直接接地。：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WR1DA寄存器，故将该脚与单片机DACP2.3相连接，由程序控制输入数据锁存到 转换的时间。 电路图如下： 10
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3.2 DA转换接口电路图 3.1.3 控制器的特性，及上述和单片机，根据
ADC0809DAC0832控制器选择AT89C51 DA的接口电路图如下：AD分析设计，
图3.3控制器接口电路晶振，按键复位模式。12Mhz
单片机选择
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3.1.4 温度传感器 型热电阻传感器。温度传感器系统部分，选择了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K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。
温度传感器图3.4
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。
温度控制系统3.5 图 12
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3.1.6 键盘模块矩阵键盘，当“设定”键按下时触发键盘在本次设计当中，
输入设备用4*4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。 显示模块
3.1.7 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
LED8段某一当公共端接高电平，极LED将所有发光二级管的阳极接在一起作为公共端， 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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软件设计第4章 4.1程序流程图 4.1.1主程序流程图
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程序4.2
EQU 5000 COUNT EQU 04H CNT_0.2 EQU 05H CNT_1 EQU 06H CNT_5 FLAG1 EQU 42H EQU 43H FLAG2 EQU 30H SEG_7_1 EQU 31H SEG_7_2 EQU 32H SEG_7_3 EQU 33H SET_H EQU 34H SET_L
EQU 35H STORE_H1 EQU 36H STORE_H2 EQU 37H STORE_L1 EQU 38H STORE_L2 EQU 39H BINARY: EQU 07H STATUS1 REG P0.2 DSP1 REG P0.1 DSP2 REG P0.0 DSP3 REG P1.2 SW1 REG P1.1 SW2 REG P1.0 SW1 LED_H REG P1.3 LED_L REG P1.4 LED_ALM REG P1.5
Y_H REG P3.6 RLY_L REG P3.7; PLTHRM REG P1.7 00H ORG
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START JMP 003H ORG RETI
00BH ORG RETI
0023H ORG RETI
30H ORG
RS0 START:CLR RS1 CLR
R0,#00H MOV R0,$ DJNZ SP,#60H MOV TRO SETB
MOV TMOD,#00H IE.7 SETB IE.E SETB
MOV TH0,#(8192_COUNT)/32
TL0,(#8192_COUNT)/.MOD.32 MOV INITIAL:
CNT_0.2SEC COUNTER MOV CNT_1,#5 MOV CNT_5,#25 MOV LED_H SET LED_L SET SET LED_ALM
Y_L SET RLMOV SEG_7_1,#3FH SET FLAG1.0
3FH;0 TABLE:DB 06H;1 DB 5BH;2 DB 4FH;3 DB
66H;4
DB
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6DH;5 DB 7DH;6 DB 27H;7 DB 7FH;8 DB 6FH;9 DB 06H;H DB 06H;L DB OUTPUT: A CPL A P2， MOV RET END
4.3最小拍算法控制的设计，但不能保证采样点之间的误差值也0有波
纹系统虽然在采样点上的误差为 ，所以采用无波纹算法控制来设计此温度控制系统。为0采用双向可控交流电供电，由220V在本控制对象电子加热炉功率为800W，，到15050硅进行控制。设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围度。选择合适的传感器，计算机输出信号经转换保温阶段温度控制精度为正负1 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。，为常数或者0u(k)要使系统的稳态输出无波纹，就要求稳态时的控制信号 变换为u(k)的z控制信号
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最小拍设计中，
时，有）中有j个极点在单位圆上，当z若G（qj
时，有个极点在单位圆上，j>qz若G（）中有j
5 ）=假设传递函数为G（s
)1s(s
T=1s 令采样周期
，则有，q=1w=0，，v=0，j=1当系统为单位阶跃输入时，d=0n=v-j+q=1 m=w+d=1 ， 于是
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于是有，
所以，
所以
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仿真章 MTLAB第5仿真分析串级控制系统matlab5.1
5.1图串行控制系统图
串行控制系统仿真图图5.2
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5.3 图
5.4 图
的增大，系采用D=0PID控制器，有仿真图可看出随着P，，这里Kc=10 Ti=1 统稳定性增强，振荡幅度降低。
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单晶炉控制系统仿真分析4.2
5.5 图
5.6 图
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5.7 图
5.8 图
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课程设计总结第6章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。使我Protel 99SE软件，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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本科生课程设计（论文）
参考文献2004:19-48,81-93 梅丽凤，单片机原理及接口技术，北京：清华大学出版社，[1]43-85 ：
周季明，蒋世明，传感技术与应用，长沙：东南大学出版社1988[2]126-135 ：张毅刚，单片机原理及应用，北京：高
等教育出版社。2003[3]
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[6] 刘昆山，如何快速入门单片机，电子制作，01-07 ：09）:（[7] 何黎明，我国单片机技术的应用于发展，电子报，2001,5-15 ：011）WCS-51袁龙，单片机指令快速记忆法，电子报，2005，（[8]
.1996.4 .北京航空航天大学出版社[9] 孙涵芳.MCS-51系列单片机原理及应用.2005.10 北京航天大学出版社.单片机原理与接口技术.[10] 李朝清.2008.04 .华东师范大学出版社耿永刚[11] .单片机与接口应用技术.2004. 清华大学出版社..[12] 胡汉才编著单片机原理及其接口技术
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