汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽濕度測量控制系統(tǒng)研究
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
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?；痣姀S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?；贛SP430F157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
本文引用地址：http://2s4d.com/article/197430.htm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。
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