基于Freescale HCS12系列单片机的结晶器振动控制系统毕业论文文档格式.docx

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参考文献35

附录A源程序36

附录B硬件电路图53

致谢54

第一章　引言

1.1连铸结晶器简介

1.1.1　结晶器的功能与发展

结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，也是连铸机心脏设备之一。

它的功能是将不断注入其内腔的高温钢水强制冷却，导出热量，使之逐渐凝固成为具有所需断面形状和坯壳厚度的铸坯。

结晶器质量的好坏对提高拉坯速度防止漏钢、减少铸坯的裂纹、变形等有十分重要的意义。

因此对于结晶器必须具有良好的导热性能，钢水进入后能够迅速形成足够的初生坯壳，还有较强的耐磨性和较长的使用寿命及有良好的刚性和结构工艺性。

结晶器工艺图如图1-1所示。

图1-1结晶器工艺图

连铸是连续铸钢的简称，它是把炼钢和轧钢衔接起来的一项工艺，即使冶炼的合格钢水，在浇注过程中经过结晶和凝固，成为具有一定形状的铸坯。

连铸具有金属收得率高、节约能源、铸坯质量高、有利于实现机械化和自动化等一系列优点。

回顾连续铸钢的发展历史，直至二十世纪三十年代，结晶器振动装置才开始应用于有色金属的浇注。

而在这之前，连铸结晶器是固定不动的。

在拉坯过程中，坯壳极易与结晶器壁发生粘结从而导致拉不动或拉漏事故，因此浇铸速度很低。

据有关文献记载，1913年瑞典人皮尔逊（A·

H·

Pehrson）曾提出结晶器应按照一定的振幅和频率做往复运动的想法，即采用结晶器振动装置使结晶器按照给定的振幅、频率和波形运动。

真正将这一想法付诸实践的是德国人容汉斯（S·

Junghans）。

容汉斯开发的结晶器振动装置于1933年成功的应用于有色金属-黄铜的连铸。

1949年容汉斯的合作者美国人艾尔文·

罗西（Irving·

Rossi）获得了容汉斯振动结晶器的使用权，并在美国的阿·

勒德隆钢公司（AlleghengLudlumSteelCorporation）的Watervliet厂的一台方坯试验连铸机上采用了振动结晶器。

与此同时，容汉斯振动结晶器又被应用于德国曼内斯曼（Mannesmann）公司胡金根厂（Huckiugen）的一台试验连铸机上。

容汉斯振动结晶器在这两台连铸机上的成功应用，使得结晶器的振动应用引起了人们的注意。

这项技术能较好地解决早期固定式结晶器容易与坯壳粘结而引起的表面缺陷以及一些与浇铸有关的问题从而获得良好的铸坯表面。

因为结晶器振动拥有的这一系列优点，结晶器振动便成了连铸生产的标准操作，这也从一定程序上促进了连铸技术在工业上的应用与发展。

1.1.2　连铸结晶器的振动规律

结晶器振动规律的发展至今经历了很长一段时间。

结晶器振动波形控制是连铸机的核心技术，钢水所形成的坯壳与结晶器壁的脱离全靠振动的作用。

由于结晶器振动所具有的这一系列优点，人们纷纷对结晶器的振动规律进行试验研究，发展了各种结晶器振动规律。

最早出现的是矩形速度振动规律，其特点是结晶器在下降时与铸坯做同步运动，然后以3倍的拉坯速度上升，即所谓的3:

1型振动方式。

这种振动方式对铸坯脱模是有效的。

其主要缺点是机械加工比较困难，振动机构和拉坯机构之间要有严格的电气连锁，在上升和下降的转折点处速度变化很大，因此设备冲击大，不利于采用高频振动。

但这种振动规律的实际应用，第一次使固定的结晶器变为振动的结晶器，使连铸技术产生一个质的飞跃。

随后负滑动理论出现，矩形速度规律被梯形速度规律所代替，其特点是结晶器向下运动过程中有较长一段时间其速度稍大于拉坯速度，即“负滑脱运动”，使坯壳中产生压应力，可以使拉裂的坯壳压合，使粘结的坯壳强制脱模，结晶器在上升、下降转折点处速度变化较缓和，提高了设备的平稳性，梯形波的出现使连铸的生产更加顺畅，这种振动波形沿用了很多年，负滑动理论也一直沿用至今。

随着负滑动理论的不断发展和完善，出现了现在仍然广泛应用的正弦振动速度规律。

正弦振动速度规律采用偏心轮实现，这种振动规律打破了结晶器和铸坯之间要有一定的速度关系的限制，着重发挥它的脱模作用。

用偏心轮代替凸轮，正弦振动仍有一小段负滑动阶段，有利于脱模，速度、加速度变化平缓。

采用偏心轮设备简单，易于加工制造、安装和维护，运动精度高，设备运动平稳，冲击小，易于采用较高频率振动。

目前连铸结晶器的常用振动波形有正弦波和非正弦波两种方式。

（1）正弦波式振动时的结晶器振动速度与时间的关系为一条正弦曲线或余弦曲线。

正弦振动方式的上下振动时间相等，上下振动的最大速度也相同。

在整个振动周期中，铸坯与结晶器之间始终存在着相对运动，在结晶器振动过程中，有一小段的下振速度大于拉坯速度，因此可以防止或消除坯壳与结晶器内壁间的粘结，并对被拉裂的坯壳起到愈合作用。

另外由于结晶器的运动速度是按正弦规律变化的，其加速度必然按余弦规律变化，所以过度比较平稳，冲击较小。

（2）非正弦振动时的结晶器振动速度随时间变化的规律不是正弦曲线的都称为非正弦振动。

连铸结晶器非正弦振动是发展高效连铸的关键技术。

随着高速铸机的开发，拉坯速度越来越快，结晶器上振时与铸坯间的相对运动速度越来越大，特别是结晶器应用高频振动后此速度更大。

由于拉速提高后结晶器保护渣用量相对减少，坯壳与结晶器壁之间发生粘结而导致了漏钢的可能性增加。

为了解决这一问题，除了使用新型保护渣外，另一个措施就是采用非正弦振动。

非正弦振动是结晶器上振动时间大于下振时间，以缩小结晶器上振与铸坯之间的相对运动速度。

图1-2正弦与非正弦振动示意图

与正弦振动相比，非正弦振动具有以下特点：

在正滑动时间里结晶器振动速度与拉坯速度之差减小。

因此可减小结晶器施加给铸坯向上作用的摩擦力,作用在弯月面下坯壳的拉应力减小，减少拉裂；

②在负滑动时间里结晶器振动速度与拉坯速度之差较大。

因此作用于坯壳上的压力增大,有利于铸坯脱膜；

③负滑动时间短铸坯表面振痕浅，正滑动时间长可增加保护渣的消耗量，有利于结晶器的润滑。

此外，可以通过调节振动频率、振幅等因素来控制波形的变化，使非正弦运动的位移、速度和加速度都发生了变化，从而能够得到更高质量铸坯和有效避免粘结的振动波形。

1.2　HCS12单片机

1.2.1微处理器与嵌入式系统的发展

从20世纪70年代起，VLSI（verylargescaleintegratedcircuits）技术，即超大规模集成电路技术的运用使得我们可以将整个中央处理器集成在一个芯片上。

1971年，Intel公司生产了世界上第一台4位微处理器Intel4004，它本身就是为了嵌入式应用（即计算器）而设计的。

它仅提供基本的算术运算能力，因此不能算作通用计算机。

翌年，Intel公司又研制成功了8位微处理器Intel8008。

同4004一样，8008也是为专门用途而设计的嵌入式微处理器。

它们都属于第一代微处理器，其典型应用是计算器、打字机、微波炉和交通灯控制。

1974年，第二代8位微处理器Intel8080诞生。

作为代替传统复杂电子逻辑电路的器件，8080成为诸如字处理机、导航系统以及巡航导弹这样具有可编程、体积小等特点的嵌入式应用的标准微处理器。

同时期微处理器的同类产品还有Motorola公司的M6800、Zilog公司的Z80、Intel公司的8085等。

1978年出现了第三代16位微处理器，其典型代表为Intel公司的8086、Zilog公司的Z800以及Motorola公司的M68000。

第三代微处理器的性能较第二代提高了近10倍，使得微处理器从专用目的的微处理器发展成为通用微计算机系统的中央处理器。

1981年，IBM公司推出了8088的个人计算机系统IBM-PC，使得计算机进入了PC时代。

在通用微处理器的基础上，将输入/输出（I/O）接口电路，时钟电路、定时器/计数器以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振荡器就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。

由于这类计算机系统的基本部件均集成在同一个芯片内，因此被称为微控制器（MicrocontrollerUnit，缩写MCU）。

一个典型的MCU框图如图1-3所示：

图1-3典型MCU框图

真正意义上的嵌入式系统是从20世纪70年代随着微处理器的出现发展起来的。

嵌入式系统（EmbeddedSystem）一词在我国广泛使用的历史并不长。

在2001年中国单片机学会召开的年会上，才把单片机与嵌入式系统联系在一起。

嵌入式系统相对于通用计算机而言，主要用于控制领域，兼顾数据处理。

他强调三个基本要素：

嵌入性、专用性与计算机系统。

嵌入式系统比较完整的定义是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

伴随着微处理器的发展，嵌入式系统至今已经有30多年的历史，它大致经历了以下4个阶段：

第一阶段是以4位到8位单片机为核心的可编程控制系统，同时具有检测、伺服、指示设备相配合的功能。

这一阶段系统的主要特点是：

结构的功能相对单一、效率较低、存储容量较小、几乎没有人机交互接口，其应用范围主要局限于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统支持，通过汇编语言对系统进行直接控制。

尽管这类系统使用简单方便，价格便宜，但是，对于工业发展需要的大容量存储介质、友好的人机交互界面以及远距离或无线通讯的高性能后PC时代所新兴的信息家电等领域而言，已远远不能满足要求。

第二阶段是以8位到16位嵌入式中央处理器（CPU）为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。

这一阶段系统的主要特点是CPU种类繁多、通用性较弱、系统的开销小、操作系统的兼容性和扩展性较低、应用软件较为专业、用户界面不够友好以及网络功能较弱。

这种嵌入式系统的主要任务是提高智能化水平应用，如智能化仪器仪表、智能化家电等。

第三阶段是以32位RISC嵌入式中央处理器加嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。

嵌入式操作系统能够运行于各种不同类型的处理器之上，操作系统内核精练小巧、效率高、模块化程度高，具有文件和目录管理，支持多任务处理，支持网络操作，具有图形窗口和用户界面等功能，应用接口以及各种组件，开发程序简单、高效，能够满足日益复杂的应用需求、这也是我们现在通常所说的典型嵌入式系统，然而它在通用性、兼容性和扩展性方面仍有待改进。

第四阶段是以基于Internet接入为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。

随着网络在人们生活中的地位日益重要，越来越多的应用需要采用Internet接入功能的嵌入式系统，如手机、PDA，甚至电视机、电冰箱等传统家电都需要上网，所以在嵌入式系统中使用网络操作系统将成为今后的发展趋势

本设计中采用的HCS12系列微控器前身是68HC11，采用了高性能的16位处理器HCS12，可提供丰富的指令系统，具有较强的数值运算、逻辑运算能力和总线速度。

其内部的大容量的FLASH存储器，EEPROM和RAM可存储各种控制参数。

此外，还具有的背景调试模块BDM，因而能够实现在线编程，对单片机进行动态调试；

MC9S12的低功耗、复位控制、看门狗及实时中断等配置和功能更有助于系统的可靠运行，这些产品的工作电压都为5DVC。

MC9S12有多个系列几十个品种，而且仍然在不断发展之中。

该系列单片机有很高的集成度，片上集成了很多功能模块，如串行通信接口、串行设备接口、USB接口、A/D转换器、PWM和CAN等，丰富的外设资源使用户使用起来十分方便。

1.2.2MC9S12外部接口与最小系统

MC9S12DG128微控制器属于HCS12系列单片机，是以速度更快的16位CPU12为核心的单片机，片内总线时钟频率最高可达25MHZ。

CPU12是调整的16位处理单元。

片内资源包括8KBRAM、128KBFLASH、2KBEEPROM。

包括模块有SCI、SPI、PWM等接口模块；

PWM模块可设置成4路8位或2路16位，宽范围可选择逻辑时钟频率；

它还提供2个8路10位精度A/D转换器、控制器局域网模块CAN和增强型捕捉定时器，并支持背景调试模式。

1.2.2.1MC9S12DG128外部接口

1.电源相关引脚

（1）VDDR和VSSR：

外部电源和地引脚，提供I/O驱动和电压调整器的输入。

为了满足信号的快速上升要求，一般要求电源能提供瞬时大电流，因此要在两个之间放置高频旁路电容，并且要尽量靠近MCU，具体旁路要求取决于MCU引脚的负载。

（2）VDDX和VSSX：

I/O电源和接地引脚，提供I/O驱动。

要在两个之间放置旁路电容，并且要尽量靠近MCU。

（3）VDDA和VSSA：

ADC转换模块电源和接地引脚，为电压调整器和AD转换器提供电源和地，同时为内部电压调整器提供参考电压。

两个引脚之间需要放置旁路电容。

（4）VRH和VRL：

AD转换器的参考电压输入引脚，其精度和稳定性直接影响转换结果，因此这路电源要求品质较高，不能受数字部分的影响，因为功率较小，单独供电既经济又容易实现。

（5）VDD1.2和VSS1.2：

外部2.5V供电引脚，用两对引脚直接对内部2.5V内核供电。

如果内部电压调整器使能，2.5V来自于电压调整器，不需要外部提供，这两组电源引脚上不能放置静态负载。

如果VREGEN接地，内部调整器关闭，这两对引脚需要2.5V电源。

（6）VDDPLL和VSSPLL：

振荡器和锁相环供电引脚。

电压调整器关闭时，该引脚必须接2.5V。

电压调整器工作时，该引脚的电压由电压调整器提供。

（7）VREGEN：

电压调整模块选择引脚。

该引脚拉高则使能内部电压调整器，该引脚拉低则禁止内部电压调整器。

若VREGEN接地，内部电压调整器禁止，不能输出2.5V电压，VDD1.2和VDDPLL需要的2.5V必须由外部提供。

2.模式选择引脚

表1-1模式选择表

MC9S12单片机指定三个引脚MODC（BKGD）、MODB（PE6）、MODA（PE5）来设定单片机的运行模式。

模式选择见表1-1

3.系统功能引脚

（1）XTAL和EXTAL、XFC：

XTAL和EXTAL分别是晶体驱动和外部时钟输入引脚。

EXTAL既可接晶振，也可接COMS兼容的时钟信号信号，驱动内部时钟产生电路，器件中所有时钟信号都源于该引脚输入的时钟。

XTAL是晶体驱动输出，当EXTAL外接时钟时，该引脚必须悬空。

XFC是锁相环滤波引脚

（2）PE7（NOACC/

）：

外部振荡电路方式选择。

当使用串行振荡电路时，该引脚要接高；

当使用并行振荡电路时，该引脚要接地。

（3）

：

低有效的双向控制复位引脚。

当作为输入时，外部的低电平用来初始化MCU的初始状态。

如果时钟监视或COP看门狗电路检测到内部故障，该引脚作为开涮输出，对外指示这种状态，结束复位是同步方式，这使得器件即使在时钟失效时情况下也可以进入真正的复位状态，同时又可以在复位结束后以同步方式开始运行。

一次复位是内部还是外部引起的，是可以判别的。

内部复位首先将该引脚拉低并保持131-134个系统时钟周期然后释放该引脚，再过64个系统时钟周期采样该引脚电平，如果该引脚回到了高电平，说明复位是由时钟监视器或COP看门狗电路引起的，CPU将取得时钟监视器或COP看门狗的复位向量；

如果该引脚仍然是低电平，就确定为外部复位，将取得外部复位的向量。

（4）PE1（

可屏蔽外部中断输入脚，可通过程序选择（中断控制寄存器INTCR），该引脚是否中断逻辑连接，以及下降沿或电平触发方式。

复位后，

默认为电平触发方式，同时在条件码寄存器中

中断被屏蔽。

可以通过软件清零或置位CCR寄存器中的I位来使能或禁止所有可屏蔽的中断，当然也包括

中断。

（5）PE0（

该不可屏蔽外部中断引脚提供了一种复位初始化后申请非屏蔽中断的手段。

在复位阶段，CCR寄存器中的X位和I位被置1,在MCU通过软件允许以前，任何中断都被屏蔽。

系统初始化后，可以通过软件清零X位，从而使能该中断。

X位一旦清零，就不能再通过软件的方式将该位置1了。

该中断申请经常用于系统掉电、硬件故障等场合。

（6）BKGD：

背景调试引脚。

采用自定义协议，通过BDM调试工具可以单线双向通信，进行实时在线调试。

4.MC9S12DG128I/O接口概述

MC9S12DG128MCU有10个普通I/O口，其中有通用并行I/O口以及SCI、PWM、ADC等专用子系统。

复位后所有I/O引脚默认设置为通用I/O输入，当专用子系统激活后，自动变为专用功能。

MC9S12DG128输入输出口包括有PTA、PTB、PTE、PTH、PTJ、PTK、PTM、PTP、PTS、AD0、AD1等。

（1）A、B口

在扩展方式下为地址数据分时复位总线，但是在普通单片模式下作为通用I/O口时，输入可选内部上拉和输出具有降功率驱动功能。

（2）E口

用于总线控制和中断请求，余下其他引脚可作通用I/O。

输入可内部上拉，输出具有降低功率驱动功能，但PE1、PE0固定为输入。

（3）AD口

ATD子系统输入或通用输入引脚，复位后默认为通用I/O输入引脚并且只能做输入。

ATD模块使能后，用作模拟输入。

MC9S12G128有16个A/D引脚对应于两个独立的ATD模块。

（4）K口

扩展方式下外部总线的扩展地址线、地址片选输出或通用I/O，复位后为通用I/O引脚。

输入可选内部上拉，输出具有降低功率驱动功能。

（5）T口

I/O与增强型捕捉定时器共享引脚，复位后为通用I/O引脚，定时器功能使能后，用途输入捕捉或输出比较或脉冲累加输入。

输入可选内部上拉，输出具有降功率驱动功能。

（6）P口

SPI、脉宽调制输出、I/O中断或通用I/O。

复位后为通用I/O引脚，要使用某特殊功能，可以通过相应功能寄存器的使能位来实现。

（7）S口

SCI、SPI或通用I/O，复位后为通用I/O引脚。

SCI或SPI使能后，对应引脚的通用I/O关闭。

（8）M口

I/O与CAN、BDLC共享，复位后为通用I/O引脚。

CAN或BKLC使能后，对应引脚的通用I/O关闭。

（9）J口

I/O与I2C、CAN、I/O中断共享，复位后为通用I/O引脚。

特殊功能使能后，对应引脚的通用I/O关闭。

（10）H口

I/O与I/O中断共享，复位后为通用I/O引脚。

MC9S12DG128I/O接口特点

A/D转换接口：

两个８渠道的10位A/D转换器、具有外部转换触发能力。

CAN总线接口：

内部集成了2个CAN协议控制器—MSCAN12模块，符合CAN2.0A/B协议标准；

可编程传输速率达1Mb/s；

具有５个接收缓冲区和３个发送缓冲区；

灵活的标识符滤波模式，可配置成２个32位过滤码或4个16位过滤码，或者8个８位过滤码；

含有4个独立的中断输入引脚Rx、Tx、error和wape-up，内置低通滤波的唤醒功能。

输入捕捉/输出比较与PWM：

具有8通道的输入捕捉/输出比较，还具有８个可编程PWM通道，可配置成８通道８位或４通道16位PWM，其每个通道的周期和占空比均可通过编程独立设置。

可编程的时钟选择逻辑，使得输出脉冲的频率可设定在范围内。

串行通信接口：

RS-232电平采用负逻辑，即逻辑1：

-3V~-5V，逻辑0：

+3V~+15V。

RS-232适用于设备之间的通信距离不大于15m，传输速率最大为20KB/s的数据传输领域，对于较短的通信，异步串行通信的速率可115200B/s。

MC9S12DG128上面带有一个串行接口，可以通过串口驱动电路的RS-232电平转换芯片MAX232将TTL电平转换成RS-232电平，然后通过9芯串行电缆和PC机进行通信。

1.2.2.1MC9S12DG128最小系统组成

MC9S12DG128最小系统为保证系统能够成功运行，应该包括以下几个部分：

电源电路、时钟电路、串口电路、BDM接口、复位电路、调试小灯。

１．电源电路

HCS12MCU的芯片内部使用3V电压，I/O端口和外部供电电压5V。

在电源电路部分可增加电容构成滤波电路，可以改善系统的电磁兼容性，降低电源波动对系统的影响，增强电路工作稳定性。

为标识系统通电与否，可以增加一个电源指示灯。

２．PLL电路

片内的PLL电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因调整开关时钟所造成调频噪声，PLL电路中，VDDPLL引脚由片内提供2.5V电压；

CS、CP和RS的取值与晶振、REFDV寄存器和SYNR寄存器有关，需要通过计算得出。

对fOSC=4MHz，总线时钟为25MHz，通过计算得出CS、CP和RS的值分别为4.7nF、470pF和10kΩ。

PLL的滤波电路要尽量靠近MCU，每个电源端和接地端都要接一个去耦电容，去耦电容要尽量接近MCU。

３．复位电路

HCS12系列MCU共有四种事件可以触发系统复位。

（1）外部复位：

HCS12MCU配备一个标记为

的低电平有效复位引脚，当该引脚电压为低时，触发复位。

（2）回电复位：

在MC9S12DG128的VDD引脚上的一个正向变化将触发加电复位。

当给HCS12加电时，它以一个已知的、确定的设置启动。

（3）计算机工作正常（ComputerOperatingProperly，COP）COP系统包含一个用户设置的倒计数定时器。

若定时器过期，则触发一个系统复位。

为了防止定时器过期，执行的程序必须在倒计数定时器失效前向其中顺序写入$55和$AA（必须按此顺序）。

若程序陷入死循环，则触发COP复位（向ARMCOP寄存器写入其他值也会导致COP复位）。

（4）时钟监控复位：

当系统时钟频率低于某个预设值时或停止时，将触发时钟监控复位。

当上述事件触发复位时，HCS12在程序计数器中旋转一个复位向量（内存地址），处理器执行启动例程。

COP复位和时钟监控复位还有其各自的复位向量。

如果复位引脚被一直拉低，则MCU将不能正常工作。

对于最小系统的复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号和在系统运行不正常时提供手动复位信号。

4．晶振电路

时钟脉冲是CPU工作的基础，MC9S12微控制器的系统时钟信号，由时钟振荡电路或专用时序脉冲信号提供。

MCU内部的所有时钟信号都来源EXTAL引脚。

也为MCU与其他外接芯片之间的通信提供了可靠的同步时钟信号。

S12微控制器系统时钟范围较广，实际可以高达到40MHz。

MC9S12在内部集成了完整的振荡电路，XTAL和EXTAL分别为振荡器的输出和输入引脚。

XTAL和EXTAL引脚可接入一个石英或陶瓷振荡空器。

晶体振荡器分为有源晶振和无源晶振两种类型。

需要外接电源的称为有源晶振。

无源晶振是