碳化硅冶炼炉自动控制系统的研制与应用

论文摘要

我国是碳化硅(SiC)生产大国,年产量约占世界总产量的 60%,碳化硅冶炼业也是中西部某些省份的支柱产业。但是,该产业的自动化水平低下,影响产品质量、增加成本、不利于安全生产。 本文通过对多热源碳化硅合成炉的供电参数、炉内电阻变化规律和引起电阻变化的主要因素——温度进行深入研究,获得碳化硅合成炉回路功率分布动态函数;应用有限元分析法获得一定炉体结构和装炉工艺下的炉内温场分布函数。提出基于上述函数的碳化硅合成炉自动控制方案,研制了基于单片机的上/下位机结构碳化硅合成炉自动控制系统。详细阐述了研制过程中的三个方面的问题:硬件实现与调试、软件编制与调试、抗干扰方法。选取 AT89C51 单片机实现对于碳化硅合成炉的控制,阐述了信号采集、接口扩展、串行通讯、外围设备驱动等多方面内容并提供相应的电路设计原理图与控制程序流程图,最后给出了主板电路原理图、印刷电路板(PCB)图、下位机主板实物图。编制了相应软件,实现数据采样、码制转换、数据通讯、数据存储、控制等功能并给出相应模块的程序算法流程图和部分源代码。讨论了软、硬件设计中的抗干扰技术及方法,提高系统的可靠性。叙述了软、硬件的分调、联调过程,并对调试过程中遇到的问题及解决办法进行分析和解释。实现了碳化硅合成炉的自动控制和炉内温场分布的即时反映,通过对炉内温度参数的深入研究建立数学模型并应用于本系统实现了炉内合成情况的掌握和各级产品产量和质量的预测,并为选取停炉最佳时机提供了依据。 本系统应用于碳化硅合成炉,运行稳定,实现了预期目标。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 SiC 的合成、特性与应用
• 1.2 碳化硅合成炉及其特点
• 1.3 国内外碳化硅冶炼控制研究现状及展望
• 1.4 单片机的应用与发展
• 1.5 国内外生产信息管理软件发展现状
• 1.6 碳化硅合成炉特点及自动控制要求
• 1.7 课题背景及意义
• 1.8 技术路线
• 1.9 本论文的主要工作
• 2 自动控制系统理论基础
• 2.1 自动控制系统基本概念及其基本要求
• 2.2 闭环控制系统基本概念
• 2.3 自动控制系统的设计
• 2.4 碳化硅合成炉自动控制系统的任务
• 本章小结
• 3 碳化硅合成炉功率、温度函数的确定
• 3.1 恒功率供电制度
• 3.2 碳化硅合成炉供电回路功率分布函数确定
• 3.3 炉内温度函数
• 本章小结
• 4 碳化硅合成炉自动控制系统硬件设计
• 4.1 碳化硅冶合成自动控制系统下位机功能分析
• 4.2 上、下位机结构的控制系统
• 4.3 下位机（单片机系统）硬件设计原则
• 4.4 下位机整体结构
• 4.5 主要元件选型
• 4.5.1 单片机的选型
• 4.5.2 电流传感器选型
• 4.5.3 电压传感器选型
• 4.5.4 模数转换器（ADC）选型
• 4.5.5 并行接口扩展器件选型
• 4.5.6 放大器选型
• 4.5.7 串口通信电平转换芯片选型
• 4.6 硬件主要模块设计及接口技术
• 4.6.1 数据采集模块的设计及接口技术
• 4.6.2 显示模块的设计及接口技术
• 4.6.3 与上位机通讯模块设计及接口技术
• 4.6.4 键盘连接及消抖技术
• 4.6.5 功率控制电路
• 4.7 EDA 软件简介及原理图、PCB 图的产生
• 本章小结
• 5 系统的软件实现
• 5.1 软件功能介绍
• 5.1.1 下位机软件功能介绍
• 5.1.2 上位机软件功能介绍
• 5.2 软件选用的语言介绍
• 5.2.1 下位机所选用的汇编语言
• 5.2.2 上位机所选用的Visual Basic 和SQL 语言
• 5.3 单片机系统（下位机）软件设计
• 5.3.1 程序模块划分
• 5.3.2 软件抗干扰技术
• 5.3.3 所使用的仿真器和编程器简介
• 5.4 上位机软件设计
• 5.4.1 数据库的设计
• 5.4.2 程序模块划分
• 本章小结
• 6 系统应用与改进
• 6.1 系统应用
• 6.2 系统的改进
• 6.2.1 数学模型的优化
• 6.2.2 实验
• 本章小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录