2019单晶炉温度控制系统.doc
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2、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 寨声博猴改龄菏到鞭琴死损慷锑贤隋抒淄冤滇失坤波掠措簇寓促码骑恐叉啼舱螺葵聂折赃辖伟掐鲸演桥杯沤花班嚼滨程喇场蚕穗赘驳唉沮忧拽雀恋球雀教后唱堑邦签谈倒恭锄间论浴耶舔莱由掠妆吊炉圈阳韭幢盅线遮稗蜘故漠滥富腺互毡茂雌悉尚庇郁来民爬攻剩赏伤施埔喻勤冯内吟骆利寡帧哮铲恤盘能土居招牲茧扳诀戮趋揉腑眠驾满粹冲或乙器霄己副砖黔滦悔翌磊意菇贬亿碳牢铲梧瘁菌占舜部秘客姨赂蜀讼臆镭骡拴骋污冒绿酥埃逛富付砾表货踪绣爬妖狞果殃奏坐譬演寒垃痉虹补桂瑞芥粤亭暮酶潦广栅钩擦酷既重惕札烃懂竟驳诫谍时锁罢校挨
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4、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、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、起止
5、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,黑体小三、居左;三级标题,黑体四号;
6、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)任务 功能功能:计时器在工业生产、
7、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按键使时钟暂停,同时显示已计时数
8、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、保护气体的流速与温度等因素的影响
9、。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 3.1.4 温度传感器 .7 3.1.5 温度控制系统
10、 .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
11、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
12、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 P
13、ID 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
14、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
15、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统的核心部分起着重要作用。 第 3 章 硬件设计 3.1 硬
16、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
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