摘 要

连铸技术的应用日益广泛，而结晶器对于连铸机的影响显得格外重要。结晶器的开口度大小以及锥度的改变都会对铸坯的生产质量产生影响，如果开口度和锥度严重偏离正常值，就会造成严重的生产事故。因此，对结晶器进行快速精确的检测显得尤为重要。传统的结晶器检测设备存在精度较低、检测速度慢、操作不够简便等问题，不能够适应连铸生产的需求。相比之下，进口设备的精度较高但是价格高昂，维修成本高，这些都给国内企业带来了严重的困扰。为了解决上述问题，设计一款成本较低，精度较高，检测速度较快的结晶器测量仪就显得尤为急切。

本文介绍了利用芬兰VTI高精度传感器SCA103T设计的锥度仪系统，介绍了SCA103T的工作原理及特性，同时介绍了使用STM32通过SPI方式读取SCA103T测量数据的方法，并且给出了STM32与SCA103T进行SPI通讯的电路原理图，同时给出了在Keil环境下STM32通过SPI库函数直接读取SCA103T加速度的程序，通过仿真测试表明，本设计能够较好地实现锥度仪的测量和水平校准功能。

关键词：锥度仪；STM32；SCA103T；SPI

Abstract

The application of continuous casting technology has developed quickly, and the crystallizer has been more important to the continuous casting machine. The changes of opening degree and taper both affect the production quality of the casting blank. If the opening degree and taper deviate from the normal value, it will cause serious production accidents. Therefore, it is very important to check the crystallizer quickly and accurately. The traditional mold detection equipment has some problems such as low precision, slow detection and complex operation, which can’t meet the requirements of the continuous casting production. By contrast, imported equipment has high precision but at the same time ，they has high price and high maintenance cost, which bring serious troubles to domestic enterprises. In order to solve the problems, it is particularly urgent to design a mold measuring instrument with lower cost, higher precision and faster detection.

This paper introduces the taper instrument system design by the use of Finland VTI high-precision sensor SCA103T and the working principle and characteristics of SCA103T.This paper also introduces the method that the STM32 read the measured data of SCA103T by the SPI communication mode. Besides this paper also gives the circuit principle diagram that the STM32 communicates with SCA103T by SPI. Beyond that, this paper also gives the code that the STM32 receives the data from SCA103T by SPI using the library functions in the Keil environment. In the end, the simulation test shows that this design can achieve the measurement and level calibration function of the taper instrument.

Key Words：Taper instrument ; STM32 ；SCA103T ; SPI

目录

第1章 绪论 1

1.1课题意义及背景 1

1.2国内外测量技术研究现状 3

1.3不同角度传感器的性能特点及应用 3

第2章 系统设计 4

2.1 锥度仪测量原理及功能 4

2.2芯片选型介绍 4

2.1 STM32单片机介绍 4

2.2 SCA103T及其工作原理 5

第3章 硬件电路的设计 6

3.1 SCA103T电路设计 6

3.2 STM32电路模块 6

3.3 电源模块 7

3.4 显示模块 8

3.5 按键模块 9

3.6 下载电路接口 9

第4章 软件设计 11

4.1软件整体流程 11

4.2 SCA103模块 12

4.2.1 SCA103T的SPI通信方式 12

4.2.2 SCA103T子程序 13

4.2.3 SCA103T的数字输出转换为角度值 14

4.3 按键扫描函数 15

第5章 结论 16

参考文献 17

附录A STM32最小系统电路图 19

附录B 重要程序 20

致谢 23

第1章 绪论

1.1课题意义及背景

钢铁工业在国民经济占有及其重要的地位，各行各业都与钢铁工业有着极为紧密的联系，是国家的经济命脉，为国家的生存和发展提供了重要的物质保障和支撑。钢铁产业在国民经济中占据着及其重要的位置，是国民经济的基础，国家经济发展水平的高低以及和综合国力的强弱，都与钢铁工业的发展有些紧密的关联。把液态钢水用连铸机浇铸、冷凝、切割而直接得到铸坯的工艺称为连铸技术,该技术是连接炼钢和轧钢的中间环节^[21]。连铸生产的正常与否，直接影响到轧材的质量和成材率^[22]。现在连铸技术受到越来越多国家的青睐，使得其应用日益广泛。

结晶器具有连铸机设备的“心脏”之称^[23]，结晶器内壁充斥着高温的钢水和处于熔融状态的保护渣^[4]，并且内壁和铸坯存在着高温钢水的静压力以及两者之间的滑动摩擦力，表面工作温度高达250~400，钢水的冷却、凝固过程非常复杂^[5]，存在着高温、高压、高摩擦等一系列不利因素。因为生产环境比较恶劣，所以结晶器应具有良好的导热性、耐磨性和足够的刚度^[8]，同时，结晶器还需要结构简单、紧凑，自重小，以减少结晶器的振动，降低驱动功率^[6]。结晶器是连铸机的核心部件，连铸机的作业效率和铸坯的好坏受到结晶器的性能的制约^[9]。所以，结晶器的测量评估对产出的产品质量非常重要，快捷，准确的测量评估可以有效减少生产事故，同时也可以提高生产效率，改善铸坯的质量^[3]。

因为经由铸造加工而成的结晶器存在一定的精度问题，致使结晶器的倒锥度的精度满足不了连铸生产的实际需求，由此可能会导致钢坯的生产质量下降，产量降低。为了避免此种情况的发生，需要在安装和使用结晶器之前，对结晶器的开口度进行测量评估，确定结晶器的精度满足生产需求，否则需要对结晶器进行校准和修正。根据连铸机在实际生产过程中的需求，设计一个性能优异，易操作和便于移动的结晶器锥度仪，有利于减少传统的锥度仪带来的不变，保证连铸机生产的顺利进行。

一直以来，人们通常都把结晶器当做是一个“特殊容器”加以区别对待，如下图1.1所示，沸腾的钢液经由上口灌入到结晶器的内腔中，而冷凝水则从结晶器的底部注入，经过一段时间的冷却后，铸坯的外壳就成型了。铸坯外壳的尺寸取决于结晶器的内腔的尺寸大小，结晶器的内腔尺寸需要根据成品的生产要求在浇铸之前就完成调整^[10]。钢液在结晶器的内腔中经由冷却、凝固等一系列复杂的过程而形成铸坯外壳，这是一个异常复杂的结晶传热过程。如果这个过程中出现纰漏，可能会导致板坯的表面缺陷和内部缺陷。所以说，结晶器对于连铸设备来说起着至关重要的作用。只有做好结晶器锥度的测量和控制工作，才能有效地保证结晶器的调幅作业工作顺利进行。在选用结晶器的锥度时，既要考虑拉速，又要兼顾考虑钢铁的含碳量。在浇铸含碳量较高的钢铁时需要选择较大的锥度，如果此时选择的锥度过小，会导致铸造而成的钢铁产生偏离角纵裂的情况；如果选择的锥度过大，就会大大增加拉坯的阻力大小，同时还会加剧结晶器的磨损。一般情况下，在进行铸造的生产过程中，需要人工测量和调节结晶器的锥度。由此可见，做好结晶器的测量和调节工作，可以节省生产用到的人力和物力，有效地提高铸坯的生产质量，同时也有利于提高铸坯的生产产量^[11]。

图1.1 结晶器示意图

倒锥度和开口度是对结晶器进行测量评估的两个重要参数。如下图1.2所示，梯形的上底宽度A即结晶器的开口度。倒锥度分为左（右）侧倒锥度和Teper倒锥度^[13]。前者是指左右侧边和垂线之间的夹角。如果设结晶器的上底宽度为A，下底宽度为B，高度为h，此时倒锥度Teper为：

（1.1）

图1.2 结晶器参数

1.2国内外测量技术研究现状

国产的锥度仪的性能和国外的锥度仪还有一定的差距，大多数钢铁企业倾向于选择国外的锥度仪，进口设备具有比较好的稳定度和精度，目前市场上主要有三种类型的锥度仪：

1机械式锥度仪：在校准平台上完成调零工作，应用机械的杠杆原理，上下口的差值由百分表进行显示。机械式锥度仪的优点是有利于减少振动信号和温漂等环境因素的影响，提高测量的准确性。

2电子式锥度仪：测量部分应用高精度角度传感器，数据处理应用模拟电路，数据显示应用液晶显示器，优点是测量简单，显示直观，易于校准，缺点是容易受到环境温度和振动信号等环境因素的影响，同时还存在零点漂移现象。

3微机式锥度仪：与电子式锥度仪的差别在于不使用模拟电路处理数据，而是采用单片机及其他数字电路进行数据处理，优点是测量简单，显示直观，易于校准，缺点是受到振动信号等环境因素的影响。

1.3不同角度传感器的性能特点及应用

角度传感器是锥度仪的重要组成部分，是用来测量水平倾角的装置，在建筑、水文测量、兵器和航空航天等领域有着广泛的应用，它的结构类型多种多样，主要分为以下几类：

电位式传感器是最早得到应用的一种传感器，它的结构简单，故障率低，易于实现各种各样的函数功能，在航空航天领域得到广泛应用。

电容式传感器是得到较早应用的一种传感器，在解决了电缆和屏蔽等方面的问题后，因为自身适应恶劣环境的特点以及集成电路技术的发展，得到了更加广泛的应用。

光栅、磁栅以及感应同步器是在机械制造领域和自动控制领域应用较为广泛的测角传感器，这几种传感器较为精密，光栅适应恶劣环境的能力较差，后两者适应恶劣环境的能力较强。

陀螺是在航空航天和惯导等领域应用较广的一种传感器，适用于运动坐标转角的测量，目前还处在不断发展的上升阶段^[7]。

激光式传感器的测量精度较高，主要用作角度测量的基准值。

以上所介绍的几种传感器各有优劣，它们都在向着集成化和智能化的方向发展，对于本文设计的锥度仪所处的工作环境而言，电容式传感器是比较合适的，因为电容式传感器的价格较为低廉，适应恶劣环境的能力较强。

第2章 系统设计

2.1 锥度仪测量原理及功能

结晶器锥度仪的测量原理是通过角度传感器或者位移传感器进行倾角的测量，再通过电缆等介质传回单片机，单片机对于传回数据进行分析处理后在显示屏上进行显示。不同的锥度仪的区别主要在于它们各自的结构不同。本文所设计的锥度仪的主要功能是测量结晶器的左右侧倒锥度并在OLED显示屏上进行显示。

2.2芯片选型介绍

2.1 STM32单片机介绍

STM32F103是意法半导体公司生产的一款功能强大、价格适中的芯片，它的内核由cortex-M3研发而成。STM32F103系列芯片的性能强大，功能丰富，价格较低并且因为官方提供了相关的库函数，编程比较简洁。这令它在单片机领域开拓了广阔的市场。STM32103系列的单片机相比于51单片机而言，拥有较多的优势。首先前者的处理器是32位的，所以在数据的分析处理方面，STM32103系列的单片机更为快捷高效。另一方面，STM32103系列的单片机可以实现在线调试，比如在线查看变量值，添加断点等，这使得调试过程更为简单。STM32103系列的单片机所采用的Cortex-M3内核的性能远胜于51单片机采用ARM7内核。这具体表现在以下几个方面，首先Cortex-M3内核采用的是哈佛架构，哈佛架构与冯·诺依曼架构不同，它的指令和数据总线相互独立，这样就有效避免了总线占用延迟或卡顿的异常情况，同时，哈佛结构对指令集的包容性更大，哈佛架构同时支持16位与32位的指令集，这就使得代码的移植更为便捷高效，方便对于产品进行升级换代。也正是凭借着这个优势，STM32的单片机才得以迅速地开拓市场，获得了越来越多开发者的青睐，在工控领域获得了更加广泛的应用。STM32的功能非常全面，工程控制方面用到的功能几乎都被囊括其中，同时STM32的成本较低，易于编程，性能强悍，深受工程师们的喜爱。相比于51单片机，STM32的外设更加丰富，这大大简化了它与其他模块的硬件连接，也节省了购买相关外设的成本，同时STM32的主频高达72Mhz，这使得它拥有极高的性价比。

STM32F1系列的单片机具有高性能的“Cortex-M3”内核，拥有高达512KB的Flash存储器,功耗低，可设置为休眠、停止和待机三种低功耗模式，最高工作频率72Mhz,集成度高，拥有12通道的DMA控制器、3个12位的A/D转换器、2个12位的D/A转换器、多达11个I/O口、高达11个定时器和13个通讯接口^[5]，通讯接口中包括3个SPI接口，完全可以胜任锥度仪的控制任务。

2.2 SCA103T及其工作原理

SCA103T是一款高精度的单轴倾角传感器，主要材料为单晶硅材质^[1]。该款传感器为电容型传感器，由三层硅片构成，当物体移动或者倾斜时，中间部位的硅片会倒向两边，致使本来两侧相同的电容变成不同，检测电容的变化就可以知道倾斜的角度。当倾斜角度角度改变时，液体电介质会使电容发生改变，这就是SCA103T的检测原理。该传感器在理论上是线性的。传感器内部电路采用脉宽调制原理，对微弱信号进行交流放大后滤波，然后再进行直流放大，最后的放大信号通过传感器内部的A/D转换器转成数字信号。该传感器的输出信号形式分为两种，一种是以模拟电压信号的方式输出，另外一种是通过SPI通讯将A/D转换后的数字信号传给处理器。该产品具有内部温度测量和补偿功能，能够在25~85 的环境温度下确保精度的偏移不超过0.14⁰。

2.3 系统总体结构

如下图2.1所示，系统共包括STM32数据处理模块、SCA103T倾角测量模块、OLED显示模块、独立按键模块和电源模块5个模块。

图2.1 系统结构框图

STM32是数据处理模块，拥有高达72Mhz的晶振频率，集成有SPI接口，可以很方便地接收SCA103T的传输数据，在对SCA103T传输的X通道和Y通道的加速度传感值进行角度转换后，在OLED显示屏上进行倾角的显示工作，同时会进行按键检测，以询问用户是否需要进行水平校准。SCA103T模块可以接收STM32发送的控制信号并且将测量到的倾角信息通过SPI通讯方式传回主控制器，OLED模块可以显示当时所处的模式并且显示测量到的倾角信息，按键模块用于选择是否进入校准模式。

由于该锥度仪可能会在不同地点使用，而不同环境下的重力加速度各不相同，因此在使用之前，可以先将锥度仪放在水平标尺上进行校准，再将记录下的数据作为基准重新计算倾角值，就可以提高锥度仪的精度，方便锥度仪在不同地点的使用。

第3章 硬件电路的设计

3.1 SCA103T电路设计

如下图3.1所示为SCA103T与STM32的接口电路图，SCA103T本身的电路比较简单，主要为与STM32进行通讯的接口电路，因为SCA103T是5V供电，STM3芯片是3.3V供电，所以使用LVC4245芯片作为电平转换电路，为了使用方便，将芯片方向控制地直接接地，使得主控芯片的控制信号可以直接通过LVC4245电平转换芯片传输给SCA103T传感器，而SCA103T传感器的输出数据则通过电阻分压后传回主控芯片。

图3.1 SCA103T电路图

3.2 STM32电路模块

STM32最小系统模块的电路主要包括晶振电路、复位电路和滤波电路等几部分电路^[6]，如图3.2所示为STM32的晶振电路，晶振的功能是为系统提供合适的时钟信号，一般情况下系统会共用一个晶振，方便各部分同步，STM32的OSC_IN和OSC_OUT脚会产生谐波，为了削弱谐波的不利影响，采用两个22的电容进行滤波，以减弱谐波给电路带来的不良影响。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：