【正文】 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）基于Freescale HCS12系列單片機(jī)的結(jié)晶器振動控制系統(tǒng)畢業(yè)論文目 錄摘　　要 IAbstract II第一章　引 言 1 1　結(jié)晶器的功能與發(fā)展 1　連鑄結(jié)晶器的振動規(guī)律 2　HCS12單片機(jī) 4 微處理器與嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展 4 MC9S12外部接口與最小系統(tǒng) 6 PID控制的運算規(guī)律和構(gòu)成 13　PID控制的原理和特點 13　PID算法的數(shù)字化 17第二章　硬件設(shè)計 20　設(shè)計思路 20　方案選擇 20　PID調(diào)節(jié)器方案比較與選擇 20 鍵盤方案的比較與選擇 21第三章　軟件設(shè)計 23 軟件設(shè)計思想 23 各模塊功能 23 PID算法模塊 24 鍵盤功能模塊 26 串口發(fā)送模塊 28 定時器中斷處理模塊 30第四章　程序調(diào)試 31　調(diào)試PID參數(shù)的一般原則和方法 31　程序運行結(jié)果 32第五章　總結(jié) 34參考文獻(xiàn) 35附錄A源程序 36附錄B硬件電路圖 53致 謝 5455第一章　引 言　結(jié)晶器的功能與發(fā)展結(jié)晶器是連續(xù)鑄鋼中的鑄坯成型設(shè)備，也是連鑄機(jī)心臟設(shè)備之一。它的功能是將不斷注入其內(nèi)腔的高溫鋼水強(qiáng)制冷卻，導(dǎo)出熱量，使之逐漸凝固成為具有所需斷面形狀和坯殼厚度的鑄坯。結(jié)晶器質(zhì)量的好壞對提高拉坯速度防止漏鋼、減少鑄坯的裂紋、變形等有十分重要的意義。因此對于結(jié)晶器必須具有良好的導(dǎo)熱性能，鋼水進(jìn)入后能夠迅速形成足夠的初生坯殼，還有較強(qiáng)的耐磨性和較長的使用壽命及有良好的剛性和結(jié)構(gòu)工藝性。結(jié)晶器工藝圖如圖11所示。圖11結(jié)晶器工藝圖連鑄是連續(xù)鑄鋼的簡稱，它是把煉鋼和軋鋼銜接起來的一項工藝，即使冶煉的合格鋼水，在澆注過程中經(jīng)過結(jié)晶和凝固，成為具有一定形狀的鑄坯。連鑄具有金屬收得率高、節(jié)約能源、鑄坯質(zhì)量高、有利于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化等一系列優(yōu)點。回顧連續(xù)鑄鋼的發(fā)展歷史，直至二十世紀(jì)三十年代，結(jié)晶器振動裝置才開始應(yīng)用于有色金屬的澆注。而在這之前，連鑄結(jié)晶器是固定不動的。在拉坯過程中，坯殼極易與結(jié)晶器壁發(fā)生粘結(jié)從而導(dǎo)致拉不動或拉漏事故，因此澆鑄速度很低。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記載，1913年瑞典人皮爾遜（AHPehrson）曾提出結(jié)晶器應(yīng)按照一定的振幅和頻率做往復(fù)運動的想法，即采用結(jié)晶器振動裝置使結(jié)晶器按照給定的振幅、頻率和波形運動。真正將這一想法付諸實踐的是德國人容漢斯(SJunghans）。容漢斯開發(fā)的結(jié)晶器振動裝置于1933年成功的應(yīng)用于有色金屬黃銅的連鑄。1949年容漢斯的合作者美國人艾爾文羅西（IrvingRossi）獲得了容漢斯振動結(jié)晶器的使用權(quán)，并在美國的阿勒德隆鋼公司（Allegheng Ludlum Steel Corporation）的Watervliet廠的一臺方坯試驗連鑄機(jī)上采用了振動結(jié)晶器。與此同時，容漢斯振動結(jié)晶器又被應(yīng)用于德國曼內(nèi)斯曼（Mannesmann）公司胡金根廠（Huckiugen）的一臺試驗連鑄機(jī)上。容漢斯振動結(jié)晶器在這兩臺連鑄機(jī)上的成功應(yīng)用，使得結(jié)晶器的振動應(yīng)用引起了人們的注意。這項技術(shù)能較好地解決早期固定式結(jié)晶器容易與坯殼粘結(jié)而引起的表面缺陷以及一些與澆鑄有關(guān)的問題從而獲得良好的鑄坯表面。因為結(jié)晶器振動擁有的這一系列優(yōu)點，結(jié)晶器振動便成了連鑄生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)操作，這也從一定程序上促進(jìn)了連鑄技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用與發(fā)展?！∵B鑄結(jié)晶器的振動規(guī)律結(jié)晶器振動規(guī)律的發(fā)展至今經(jīng)歷了很長一段時間。結(jié)晶器振動波形控制是連鑄機(jī)的核心技術(shù)，鋼水所形成的坯殼與結(jié)晶器壁的脫離全靠振動的作用。由于結(jié)晶器振動所具有的這一系列優(yōu)點，人們紛紛對結(jié)晶器的振動規(guī)律進(jìn)行試驗研究，發(fā)展了各種結(jié)晶器振動規(guī)律。最早出現(xiàn)的是矩形速度振動規(guī)律，其特點是結(jié)晶器在下降時與鑄坯做同步運動，然后以3倍的拉坯速度上升，即所謂的3:1型振動方式。這種振動方式對鑄坯脫模是有效的。其主要缺點是機(jī)械加工比較困難，振動機(jī)構(gòu)和拉坯機(jī)構(gòu)之間要有嚴(yán)格的電氣連鎖，在上升和下降的轉(zhuǎn)折點處速度變化很大，因此設(shè)備沖擊大，不利于采用高頻振動。但這種振動規(guī)律的實際應(yīng)用，第一次使固定的結(jié)晶器變?yōu)檎駝拥慕Y(jié)晶器，使連鑄技術(shù)產(chǎn)生一個質(zhì)的飛躍。隨后負(fù)滑動理論出現(xiàn)，矩形速度規(guī)律被梯形速度規(guī)律所代替，其特點是結(jié)晶器向下運動過程中有較長一段時間其速度稍大于拉坯速度，即“負(fù)滑脫運動”，使坯殼中產(chǎn)生壓應(yīng)力，可以使拉裂的坯殼壓合，使粘結(jié)的坯殼強(qiáng)制脫模，結(jié)晶器在上升、下降轉(zhuǎn)折點處速度變化較緩和，提高了設(shè)備的平穩(wěn)性，梯形波的出現(xiàn)使連鑄的生產(chǎn)更加順暢，這種振動波形沿用了很多年，負(fù)滑動理論也一直沿用至今。隨著負(fù)滑動理論的不斷發(fā)展和完善，出現(xiàn)了現(xiàn)在仍然廣泛應(yīng)用的正弦振動速度規(guī)律。正弦振動速度規(guī)律采用偏心輪實現(xiàn)，這種振動規(guī)律打破了結(jié)晶器和鑄坯之間要有一定的速度關(guān)系的限制，著重發(fā)揮它的脫模作用。用偏心輪代替凸輪，正弦振動仍有一小段負(fù)滑動階段，有利于脫模，速度、加速度變化平緩。采用偏心輪設(shè)備簡單，易于加工制造、安裝和維護(hù)，運動精度高，設(shè)備運動平穩(wěn)，沖擊小，易于采用較高頻率振動。目前連鑄結(jié)晶器的常用振動波形有正弦波和非正弦波兩種方式。(1)正弦波式振動時的結(jié)晶器振動速度與時間的關(guān)系為一條正弦曲線或余弦曲線。正弦振動方式的上下振動時間相等，上下振動的最大速度也相同。在整個振動周期中，鑄坯與結(jié)晶器之間始終存在著相對運動，在結(jié)晶器振動過程中，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殼與結(jié)晶器內(nèi)壁間的粘結(jié)，并對被拉裂的坯殼起到愈合作用。另外由于結(jié)晶器的運動速度是按正弦規(guī)律變化的，其加速度必然按余弦規(guī)律變化，所以過度比較平穩(wěn)，沖擊較小。(2)非正弦振動時的結(jié)晶器振動速度隨時間變化的規(guī)律不是正弦曲線的都稱為非正弦振動。連鑄結(jié)晶器非正弦振動是發(fā)展高效連鑄的關(guān)鍵技術(shù)。隨著高速鑄機(jī)的開發(fā)，拉坯速度越來越快，結(jié)晶器上振時與鑄坯間的相對運動速度越來越大，特別是結(jié)晶器應(yīng)用高頻振動后此速度更大。由于拉速提高后結(jié)晶器保護(hù)渣用量相對減少，坯殼與結(jié)晶器壁之間發(fā)生粘結(jié)而導(dǎo)致了漏鋼的可能性增加。為了解決這一問題，除了使用新型保護(hù)渣外，另一個措施就是采用非正弦振動。非正弦振動是結(jié)晶器上振動時間大于下振時間，以縮小結(jié)晶器上振與鑄坯之間的相對運動速度。圖12 正弦與非正弦振動示意圖與正弦振動相比，非正弦振動具有以下特點：①在正滑動時間里結(jié)晶器振動速度與拉坯速度之差減小。因此可減小結(jié)晶器施加給鑄坯向上作用的摩擦力,作用在彎月面下坯殼的拉應(yīng)力減小，減少拉裂；②在負(fù)滑動時間里結(jié)晶器振動速度與拉坯速度之差較大。因此作用于坯殼上的壓力增大,有利于鑄坯脫膜；③負(fù)滑動時間短鑄坯表面振痕淺，正滑動時間長可增加保護(hù)渣的消耗量，有利于結(jié)晶器的潤滑。此外，可以通過調(diào)節(jié)振動頻率、振幅等因素來控制波形的變化，使非正弦運動的位移、速度和加速度都發(fā)生了變化，從而能夠得到更高質(zhì)量鑄坯和有效避免粘結(jié)的振動波形?！CS12單片機(jī) 微處理器與嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展從20世紀(jì)70年代起，VLSI(very large scale integrated circuits)技術(shù)，即超大規(guī)模集成電路技術(shù)的運用使得我們可以將整個中央處理器集成在一個芯片上。1971年，Intel公司生產(chǎn)了世界上第一臺4位微處理器Intel4004，它本身就是為了嵌入式應(yīng)用（即計算器）而設(shè)計的。它僅提供基本的算術(shù)運算能力，因此不能算作通用計算機(jī)。翌年，Intel公司又研制成功了8位微處理器Intel8008。同4004一樣，8008也是為專門用途而設(shè)計的嵌入式微處理器。它們都屬于第一代微處理器，其典型應(yīng)用是計算器、打字機(jī)、微波爐和交通燈控制。1974年，第二代8位微處理器Intel8080誕生。作為代替?zhèn)鹘y(tǒng)復(fù)雜電子邏輯電路的器件，8080成為諸如字處理機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及巡航導(dǎo)彈這樣具有可編程、體積小等特點的嵌入式應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)微處理器。同時期微處理器的同類產(chǎn)品還有Motorola公司的M6800、Zilog公司的Z80、Intel公司的8085等。1978年出現(xiàn)了第三代16位微處理器，其典型代表為Intel公司的808Zilog公司的Z800以及Motorola公司的M68000。第三代微處理器的性能較第二代提高了近10倍，使得微處理器從專用目的的微處理器發(fā)展成為通用微計算機(jī)系統(tǒng)的中央處理器。1981年，IBM公司推出了8088的個人計算機(jī)系統(tǒng)IBMPC，使得計算機(jī)進(jìn)入了PC時代。在通用微處理器的基礎(chǔ)上，將輸入/輸出(I/O)接口電路，時鐘電路、定時器/計數(shù)器以及一定容量的存儲器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外圍器件，如晶體振蕩器就構(gòu)成了一個較為完整的計算機(jī)硬件系統(tǒng)。由于這類計算機(jī)系統(tǒng)的基本部件均集成在同一個芯片內(nèi)，因此被稱為微控制器(Microcontroller Unit，縮寫MCU)。一個典型的MCU框圖如圖13所示：圖13 典型MCU框圖真正意義上的嵌入式系統(tǒng)是從20世紀(jì)70年代隨著微處理器的出現(xiàn)發(fā)展起來的。嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）一詞在我國廣泛使用的歷史并不長。在2001年中國單片機(jī)學(xué)會召開的年會上，才把單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)聯(lián)系在一起。嵌入式系統(tǒng)相對于通用計算機(jī)而言，主要用于控制領(lǐng)域，兼顧數(shù)據(jù)處理。他強(qiáng)調(diào)三個基本要素：嵌入性、專用性與計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)比較完整的定義是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。伴隨著微處理器的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)至今已經(jīng)有30多年的歷史，它大致經(jīng)歷了以下4個階段：第一階段是以4位到8位單片機(jī)為核心的可編程控制系統(tǒng)，同時具有檢測、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。這一階段系統(tǒng)的主要特點是：結(jié)構(gòu)的功能相對單一、效率較低、存儲容量較小、幾乎沒有人機(jī)交互接口，其應(yīng)用范圍主要局限于一些專業(yè)性極強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒有操作系統(tǒng)支持，通過匯編語言對系統(tǒng)進(jìn)行直接控制。盡管這類系統(tǒng)使用簡單方便，價格便宜，但是，對于工業(yè)發(fā)展需要的大容量存儲介質(zhì)、友好的人機(jī)交互界面以及遠(yuǎn)距離或無線通訊的高性能后PC時代所新興的信息家電等領(lǐng)域而言，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。第二階段是以8位到16位嵌入式中央處理器(CPU)為基礎(chǔ)，以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特點是CPU種類繁多、通用性較弱、系統(tǒng)的開銷小、操作系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性較低、應(yīng)用軟件較為專業(yè)、用戶界面不夠友好以及網(wǎng)絡(luò)功能較弱。這種嵌入式系統(tǒng)的主要任務(wù)是提高智能化水平應(yīng)用，如智能化儀器儀表、智能化家電等。第三階段是以32位RISC嵌入式中央處理器加嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特點是：嵌入式操作系統(tǒng)能夠運行于各種不同類型的處理器之上，操作系統(tǒng)內(nèi)核精練小巧、效率高、模塊化程度高，具有文件和目錄管理，支持多任務(wù)處理，支持網(wǎng)絡(luò)操作，具有圖形窗口和用戶界面等功能，應(yīng)用接口以及各種組件，開發(fā)程序簡單、高效，能夠滿足日益復(fù)雜的應(yīng)用需求、這也是我們現(xiàn)在通常所說的典型嵌入式系統(tǒng)，然而它在通用性、兼容性和擴(kuò)展性方面仍有待改進(jìn)。第四階段是以基于Internet接入為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個正在迅速發(fā)展的階段。隨著網(wǎng)絡(luò)在人們生活中的地位日益重要，越來越多的應(yīng)用需要采用Internet接入功能的嵌入式系統(tǒng)，如手機(jī)、PDA，甚至電視機(jī)、電冰箱等傳統(tǒng)家電都需要上網(wǎng)，所以在嵌入式系統(tǒng)中使用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)將成為今后的發(fā)展趨勢本設(shè)計中采用的HCS12系列微控器前身是68HC11，采用了高性能的16位處理器HCS12，可提供豐富的指令系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的數(shù)值運算、邏輯運算能力和總線速度。其內(nèi)部的大容量的FLASH存儲器，EEPROM和RAM可存儲各種控制參數(shù)。此外，還具有的背景調(diào)試模塊BDM，因而能夠?qū)崿F(xiàn)在線編程，對單片機(jī)進(jìn)行動態(tài)調(diào)試；MC9S12的低功耗、復(fù)位控制、看門狗及實時中斷等配置和功能更有助于系統(tǒng)的可靠運行，這些產(chǎn)品的工作電壓都為5DVC。MC9S12有多個系列幾十個品種，而且仍然在不斷發(fā)展之中。該系列單片機(jī)有很高的集成度，片上集成了很多功能模塊，如串行通信接口、串行設(shè)備接口、USB接口、A/D轉(zhuǎn)換器、PWM和CAN等，豐富的外設(shè)資源使用戶使用起來十分方便。 MC9S12外部接口與最小系統(tǒng)MC9S12DG128微控制器屬于HCS12系列單片機(jī)，是以速度更快的16位CPU12為核心的單片機(jī)，片內(nèi)總線時鐘頻率最高可達(dá)25MHZ。CPU12是調(diào)整的16位處理單元。片內(nèi)資源包括8KB RAM、128KB FLASH、2KB EEPROM。包括模塊有SCI、SPI、PWM等接口模塊；PWM模塊可設(shè)置成4路8位或2路16位，寬范圍可選擇邏輯時鐘頻率；它還提供2個8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng)模塊CAN和增強(qiáng)型捕捉定時器，并支持背景調(diào)試模式。 MC9S12DG128外部接口1. 電源相關(guān)引腳(1) VDDR和VSSR：外部電源和地引腳，提供I/O驅(qū)動和電壓調(diào)整器的輸入。為了滿足信號的快速上升要求，一般要求電源能提供瞬時大電流，因此要在兩個之間放置高頻旁路電容，并且要盡量靠近MCU，具體旁路要求取決于MCU引腳的負(fù)載。(2) VDDX和VSSX： I/O電源和接地引腳，提供I/O驅(qū)動。要在兩個之間放置旁路電容，并且要盡量靠近MCU。(3) VDDA和VSSA：ADC轉(zhuǎn)換模塊電源和接地引腳，為電壓調(diào)整器和AD轉(zhuǎn)換器提供電源和地，同時為內(nèi)部電壓調(diào)整器提供參考電壓。兩個引腳之間需要放置旁路電容。(4) VRH和VRL：AD轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入引腳，其精度和穩(wěn)定性直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果，因此這路電源要求品質(zhì)較高，不能受數(shù)字部分的影響，因為功率較小，單獨供電既經(jīng)濟(jì)又容易實現(xiàn)。(5) ： 。如果內(nèi)部電壓調(diào)整器使能，不需要外部提供，這兩組電源引腳上不能放置靜態(tài)負(fù)載。如果VREGEN接地，內(nèi)部調(diào)整器關(guān)閉。(6) VDDPLL和VSSPLL： 振蕩器和鎖相環(huán)供電引腳。電壓調(diào)整器關(guān)閉時。電壓調(diào)整器工作時，該引腳的電壓由電壓調(diào)整器提供。(7) VREGEN： 電壓調(diào)整模塊選擇引腳。該引腳拉高則使能內(nèi)部電壓調(diào)整器，該引腳拉低則禁止內(nèi)部電