1 引言
隨著工業(yè)技術的不斷進步，汽輪機組正向大功率核能化方向發(fā)展?；痣姀S大功率汽輪機末幾級和核電機組全部級都在濕蒸汽狀態(tài)下工作，蒸汽機對汽輪機的工作效率和葉片安全都有重要影響。
所以，測量汽輪機中流動濕蒸汽濕度并對濕度進行控制對于保證汽輪機的經濟、高效、安全、可靠運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單片機為控制器的蒸汽濕度測量控制系統。
MSP430系列單片機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，具有非常高的集成度，其主要特點：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)，遠低于其他系列產品，傳統的MCS51單片機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，傳統的MCS51單片機需要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、數字信號處理系統等電路組成。
系統工作時，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，經直流放大器放大后送入頻率跟蹤系統得到一個控制信號，該控制信號控制VCO產生一系列掃描信號對穩(wěn)定下來的諧振頻率進行掃描，直至掃描到該諧振頻率并對其鎖定。VCO產生的信號經頻率測量環(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中頻放大器放大后輸出一個中頻信號，送到頻率測量系統進行頻率測量。測得的中頻頻率再經過數據處理系統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進行數據處理獲得蒸汽濕度。
3 硬件設計
濕度測量的控制系統主要由MSP430F157單片機完成。從本質上講，單片機控制系統的工作可以歸納為實時數據采集、實時數據處理和實時控制輸出等三個步驟。本系統的硬件電路設計主要由溫度測量模塊、頻率跟蹤模塊、電源電路、復位電路、頻率測量模塊等幾部分構成。MSP430F157單片機含有32.768 kHz和8 MHz兩個時鐘；內部的12位DAC完成跟蹤模塊的數模轉換，轉換的結果用于調整VCO輸出電壓，保證VCO輸出頻率與諧振腔諧振頻率的一致性；利用單片機內部的定時器Timer_A產生D／A轉換的采樣頻率?；贛SP430F157的濕度測量控制系統如圖1所示。
3.1 單片機內部的主要外圍電路
晶體振蕩器電路：單片機系統最敏感的是時鐘信號、復位信號和中斷信號，若電磁干擾侵入到這些信號中，最容易于擾微控制器，使系統產生誤動作。尤其是時鐘信號中累加噪聲干擾后。會改變時鐘分頻信號，導致單片機工作時序發(fā)生紊亂。本系統提供了高速和低速晶體振蕩器電路，可使單片機內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生頻率較高的MCLK供給CPU以滿足高速數據的運算需要，也可以在不需要CPU工作時關閉高速晶體振蕩器，而對于實時時鐘可用低速晶體振蕩器產生頻率較低的ACLK。輸入、輸出、電源等回路應并聯一些小電容以避免噪聲干擾。
12位D／A轉換模塊：與較早推出的型號相比，MSP430F15／16x系列單片機新增了雙12位的D／A轉換器，D／A轉換器主要用于將單片機的數字量輸出轉化為實際的模擬量以控制外接器件。此D／A轉換器在使用過程中可以設置成8位或12位轉換模式。在理想情況下，選擇8位轉換模式時，分辨率為1／256；選擇12位時，分辨率高達1／4 096。D／A轉換器在定時器Timer_A的配合下完成控制信號的輸出。
定時器Timer_A模塊：MSP430F157單片機的定時器是16位計數器，具有四種工作模式：停止模式、增計數模式、連續(xù)計數模式和增／減計數模式。通過設置相應的定時器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。在本系統中選擇增計數模式，利用CCR0設置定時器的中斷頻率，控制采樣時間。
控制原理：當諧振腔由失諧狀態(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，使單片機的Timer_A停止計數，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)，產生“0”到“1”的上升沿，這時Timer_A開始計數。當計數到CCR0時，發(fā)送中斷標志，啟動D／A轉換．如果得到新數據設置一個標志位通知主程序，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，現有的開關電源無法提供，另外考慮到系統要求電源具有穩(wěn)壓功能和紋波小、硬件系統功耗低等特點，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。
在單片機系統中，單片機需要復位電路，復位電路可以采用RC電路也可以采用復位器件。RC復位電路成本低，但可靠性不高；而復位器件則具有很高的可靠性。為了保證復位電路的可靠性，該系統采用復位器件MAX809STR實現復位電路。
溫度測量電路由XTR101器件實現。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，遠距離傳送。它是由精密的1 mA電流源組成，XTR101的失調電壓為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，系統頻率測量部分采用CPLD實現。
4 軟件設計
MSP430系列單片機的代碼存儲空間從1 kB至60 kB不等。當程序量大于8 kB時，使用匯編語言會使軟件設計工作的效率大大降低。用C語言實現系統的應用軟件開發(fā)，可以大大提高開發(fā)調試工作效率；同時，所產生的文檔資料也容易理解，便于移植。適用于MSP430系列的C語言與標準C語言兼容性強。選用美國IAR公司提供的集成調試環(huán)境IAR Embedded Workbench和C語言C-SPY調試器作為開發(fā)平臺。它是一種開發(fā)不同目標處理器應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大的調試環(huán)境，便于開發(fā)MSP430系列單片機的應用程序。MSP430系列單片機可以利用Workbench，直接下載至片內Flash內存脫機運行。調試過程中可以在上層軟件中看到各寄存器的內容并在線修改，支持單步運行，可以在線觀察定義的各個變量實時值。采用把所有相關文件放入一個項目中的組織方式，編譯運行時軟件會自動將文件按內在聯系自動組合在一起，支持C語言編程。系統軟件設計流程如圖2所示。
系統主程序為：
5 結束語
與以往采用分離元件實現的控制系統相比，本文所介紹的MSP430F157單片機實現的濕度測量控制系統精度高、設計簡單、連線少，避免了電磁干擾和由于線間相互靠近產生短路現象。軟件設計采用IAR Embedded Workbench和C語言C-SPY調試器作為開發(fā)平臺，功能強、操作使用簡便。
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