汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽濕度測量控制系統(tǒng)研究

1 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽輪機(jī)組正向大功率核能化方向發(fā)展。火電廠大功率汽輪機(jī)末幾級和核電機(jī)組全部級都在濕蒸汽狀態(tài)下工作，蒸汽機(jī)對汽輪機(jī)的工作效率和葉片安全都有重要影響。

所以，測量汽輪機(jī)中流動濕蒸汽濕度并對濕度進(jìn)行控制對于保證汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)、高效、安全、可靠運(yùn)行具有非常重要的意義。本文以此為背景介紹一種使用微波諧振腔作為濕度傳感器，以MSP430F157單片機(jī)為控制器的蒸汽濕度測量控制系統(tǒng)。

MSP430系列單片機(jī)是德州儀器公司推出的超低功耗Flash型16位精簡指令單片機(jī)，具有非常高的集成度，其主要特點(diǎn)：處理器功耗(1.8 V～3.6 V，0.1 μA～400μA，250μA／MIPS)和線輸出漏電流(最大50 nA)，遠(yuǎn)低于其他系列產(chǎn)品，傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)在活動模式時耗電為10 mA～20 mA。矢量中斷，支持10多個中斷源，并可以任意嵌套。執(zhí)行速度快，一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令，傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)需要12個時鐘周期才可以執(zhí)行一條指令。

2 工作原理

濕度測量系統(tǒng)由微波信號源、定向耦合器、環(huán)形器、諧振腔、檢波器等微波器件以及直流放大器、頻率測量系統(tǒng)、數(shù)字信號處理系統(tǒng)等電路組成。

系統(tǒng)工作時，微波諧振腔的諧振頻率隨流過的蒸汽濕度不同而產(chǎn)生頻率偏移，一旦諧振腔的諧振頻率發(fā)生了變化，頻率掃描跟蹤環(huán)路將發(fā)生失鎖，檢波器及時檢測到失鎖信號，經(jīng)直流放大器放大后送入頻率跟蹤系統(tǒng)得到一個控制信號，該控制信號控制VCO產(chǎn)生一系列掃描信號對穩(wěn)定下來的諧振頻率進(jìn)行掃描，直至掃描到該諧振頻率并對其鎖定。VCO產(chǎn)生的信號經(jīng)頻率測量環(huán)路中的定向耦合器被耦合到頻率器上，該信號與本振信號混頻后得到的信號經(jīng)中頻放大器放大后輸出一個中頻信號，送到頻率測量系統(tǒng)進(jìn)行頻率測量。測得的中頻頻率再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)換算得到諧振頻率和頻偏。諧振頻率將和蒸汽濕度、壓力一起傳送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得蒸汽濕度。

3 硬件設(shè)計(jì)

濕度測量的控制系統(tǒng)主要由MSP430F157單片機(jī)完成。從本質(zhì)上講，單片機(jī)控制系統(tǒng)的工作可以歸納為實(shí)時數(shù)據(jù)采集、實(shí)時數(shù)據(jù)處理和實(shí)時控制輸出等三個步驟。本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要由溫度測量模塊、頻率跟蹤模塊、電源電路、復(fù)位電路、頻率測量模塊等幾部分構(gòu)成。MSP430F157單片機(jī)含有32.768 kHz和8 MHz兩個時鐘；內(nèi)部的12位DAC完成跟蹤模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果用于調(diào)整VCO輸出電壓，保證VCO輸出頻率與諧振腔諧振頻率的一致性；利用單片機(jī)內(nèi)部的定時器Timer_A產(chǎn)生D／A轉(zhuǎn)換的采樣頻率。基于MSP430F157的濕度測量控制系統(tǒng)如圖1所示。

3.1 單片機(jī)內(nèi)部的主要外圍電路

晶體振蕩器電路：單片機(jī)系統(tǒng)最敏感的是時鐘信號、復(fù)位信號和中斷信號，若電磁干擾侵入到這些信號中，最容易于擾微控制器，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作。尤其是時鐘信號中累加噪聲干擾后。會改變時鐘分頻信號，導(dǎo)致單片機(jī)工作時序發(fā)生紊亂。本系統(tǒng)提供了高速和低速晶體振蕩器電路，可使單片機(jī)內(nèi)部不同模塊輸出不同頻率的時鐘。用戶可以用高速晶體振蕩器產(chǎn)生頻率較高的MCLK供給CPU以滿足高速數(shù)據(jù)的運(yùn)算需要，也可以在不需要CPU工作時關(guān)閉高速晶體振蕩器，而對于實(shí)時時鐘可用低速晶體振蕩器產(chǎn)生頻率較低的ACLK。輸入、輸出、電源等回路應(yīng)并聯(lián)一些小電容以避免噪聲干擾。

12位D／A轉(zhuǎn)換模塊：與較早推出的型號相比，MSP430F15／16x系列單片機(jī)新增了雙12位的D／A轉(zhuǎn)換器，D／A轉(zhuǎn)換器主要用于將單片機(jī)的數(shù)字量輸出轉(zhuǎn)化為實(shí)際的模擬量以控制外接器件。此D／A轉(zhuǎn)換器在使用過程中可以設(shè)置成8位或12位轉(zhuǎn)換模式。在理想情況下，選擇8位轉(zhuǎn)換模式時，分辨率為1／256；選擇12位時，分辨率高達(dá)1／4 096。D／A轉(zhuǎn)換器在定時器Timer_A的配合下完成控制信號的輸出。

定時器Timer_A模塊：MSP430F157單片機(jī)的定時器是16位計(jì)數(shù)器，具有四種工作模式：停止模式、增計(jì)數(shù)模式、連續(xù)計(jì)數(shù)模式和增／減計(jì)數(shù)模式。通過設(shè)置相應(yīng)的定時器A寄存器可以選擇四種模式之一。而且Timer_A有兩個中斷向量，即CCR0中斷向量和TAIV中斷向量，其中CCR0是單源中斷向量，具有最高優(yōu)先級；TAIV是多源中斷向量，優(yōu)先級較低。在本系統(tǒng)中選擇增計(jì)數(shù)模式，利用CCR0設(shè)置定時器的中斷頻率，控制采樣時間。

控制原理：當(dāng)諧振腔由失諧狀態(tài)變化到諧振狀態(tài)時，輸出功率驟降為零，輸出失諧零信號，這時將得到一個從“1”到“0”的下降沿，使單片機(jī)的Timer_A停止計(jì)數(shù)，輸出保持不變，直到濕度發(fā)生變化，諧振腔由諧振狀態(tài)到失諧狀態(tài)，產(chǎn)生“0”到“1”的上升沿，這時Timer_A開始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到CCR0時，發(fā)送中斷標(biāo)志，啟動D／A轉(zhuǎn)換．如果得到新數(shù)據(jù)設(shè)置一個標(biāo)志位通知主程序，再等待下個信號的到來。

3.2 器件選擇

MSP430F157的工作電壓為3.3 V，現(xiàn)有的開關(guān)電源無法提供，另外考慮到系統(tǒng)要求電源具有穩(wěn)壓功能和紋波小、硬件系統(tǒng)功耗低等特點(diǎn)，因此電源部分采用TI公司的。TPS76033或者LM1117。這兩款器件都能很好地滿足硬件系統(tǒng)要求，此外，都具有很小的封裝。能夠有效地節(jié)約PCB面積。

在單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)需要復(fù)位電路，復(fù)位電路可以采用RC電路也可以采用復(fù)位器件。RC復(fù)位電路成本低，但可靠性不高；而復(fù)位器件則具有很高的可靠性。為了保證復(fù)位電路的可靠性，該系統(tǒng)采用復(fù)位器件MAX809STR實(shí)現(xiàn)復(fù)位電路。

溫度測量電路由XTR101器件實(shí)現(xiàn)。XTR101是一款精密、低漂移的雙線變送器，可以將微弱的電壓信號放大并變換成4 mA～20 mA的電流信號后，遠(yuǎn)距離傳送。它是由精密的1 mA電流源組成，XTR101的失調(diào)電壓為30μV，溫漂為0.75μV／℃，非線性度為0.01％。

頻率測量電路：為了簡化電路，提高集成度，系統(tǒng)頻率測量部分采用CPLD實(shí)現(xiàn)。

4 軟件設(shè)計(jì)

MSP430系列單片機(jī)的代碼存儲空間從1 kB至60 kB不等。當(dāng)程序量大于8 kB時，使用匯編語言會使軟件設(shè)計(jì)工作的效率大大降低。用C語言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件開發(fā)，可以大大提高開發(fā)調(diào)試工作效率；同時，所產(chǎn)生的文檔資料也容易理解，便于移植。適用于MSP430系列的C語言與標(biāo)準(zhǔn)C語言兼容性強(qiáng)。選用美國IAR公司提供的集成調(diào)試環(huán)境IAR Embedded Workbench和C語言C-SPY調(diào)試器作為開發(fā)平臺。它是一種開發(fā)不同目標(biāo)處理器應(yīng)用程序的靈活方便的集成環(huán)境，提供了友好的用戶界面和強(qiáng)大的調(diào)試環(huán)境，便于開發(fā)MSP430系列單片機(jī)的應(yīng)用程序。MSP430系列單片機(jī)可以利用Workbench，直接下載至片內(nèi)Flash內(nèi)存脫機(jī)運(yùn)行。調(diào)試過程中可以在上層軟件中看到各寄存器的內(nèi)容并在線修改，支持單步運(yùn)行，可以在線觀察定義的各個變量實(shí)時值。采用把所有相關(guān)文件放入一個項(xiàng)目中的組織方式，編譯運(yùn)行時軟件會自動將文件按內(nèi)在聯(lián)系自動組合在一起，支持C語言編程。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

系統(tǒng)主程序?yàn)椋?/p>

5 結(jié)束語

與以往采用分離元件實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)相比，本文所介紹的MSP430F157單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的濕度測量控制系統(tǒng)精度高、設(shè)計(jì)簡單、連線少，避免了電磁干擾和由于線間相互靠近產(chǎn)生短路現(xiàn)象。軟件設(shè)計(jì)采用IAR Embedded Workbench和C語言C-SPY調(diào)試器作為開發(fā)平臺，功能強(qiáng)、操作使用簡便。