内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
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
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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（Allegheng Ludlum Steel Corporation）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
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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：
①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。
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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(very large scale integrated circuits)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(Microcontroller Unit，缩写MCU)。一个典型的MCU框图如图1-3所示：
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CPURAMFLASHMCU内部总线定时器串行通信接口AD转换接口其它I/O模块 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（Embedded System）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。这一阶段系统的主要特点是：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
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